Термодинамикалық анализ
Бұл жерде фотосинтез термодинамика аспектісінде қаралады және қайта қалпына келітірілетін қорлардың стратегиясының маңыздылығын айқындайды.
Идеалды әрі күн энергиясын әрекетке келтіретін және де ПӘК ŋ 270(300 К)температура кезінде жұмыс істей алатынКарно жылу машинасы бар деп қарастырайық. Жылу көзі күн энергиясымен қуатталады. Көлденең жазықтықтағы жұту коллекторының максималды температурасы 2000 С (473К), ал максималды ПӘК ŋ= (473-300)/473=37%. Энергетикалық мұнараны қолдану кезінде максималды ПӘК ŋ=(773-300)/773=61%. Егер күннің ішкі бетіндегі жылуды қолдану мүмкін болса, онда ПӘК ŋ=(5300-300)/5300=95%. Сонымен, инженерлік көзқарас бойынша, процессті ең жоғарғы температурада жүзеге асыру тиімдірек, яғни Күннің бетіндегідей температурада.
Алдынғы бөлімнен байқағандай, жылулық процесстің орындалуын күн сәулесінің коллекторының температурасын арттыру арқылы алуға болатыны белгілі. Алайда бұл ядролық синтез сияқты қиындықтарға алып келеді. Мұндай жоғары температурада конструкционалдық материалды өздерінің беріктілігін жоғалтады. Сәйкес процесс энергияның фотоэлектрлік генерациясында жүзеге асады. Екі процесті салыстырайық – электрондардың жылулық және фотондық қозуы.
10.7 суретте екі электронды күйде бола алатын материал көрсетілген-негізгі және қоздырылған. Бұл екеуінің айырмашылығы тек өзгермейтін ядро күйіндегі электрондардың орнында.
10.7а-суреттегі күй барлық материалды жылытудан алынған. Қоздырылған Ne күйдің Nn күйге қатынасын негізгі жартылайөткізгіш бойынша есептеуге болады:
Егер пигмент молекуласын негізге алатын болсақ, онда Е=2эВ, Т=373 К=1000 С, жасушалы материал суда орналасқандықтан, Ne/Nn=10-14 . Күн температурасның өзінде қатынас Ne/Nn=0,02. Бұдан жылулық қозу қажет көлемдегі қоздырылған күй концентрациясын алуға мүмкіндік бермейді деген қорытындыға келуге болады.
10.7 б-суретте қоздырылған электронды күй фотонның энергиядан hv>Eэлектромагнитті жұтуынан болады. Бұл процесс қозу кезінде энергияның бөлінуімен байланысты емес, энергия алғащқы температурамен атамдық торда сақталады. Қозған күй фотондардың абсорбациялау жылдамдығына және қозған электрондардың тормен әсеріне тәуелді.
10.8 сурет
10.9сурет
Біздің идеалды моделімізге сәйкес, қоныстану шегі Ne=Nn кезінде орындалады. Бұл жағдайда сәулелену толықтай қозған күйді қоныстандыруға жұмсалады, ал электронды температура шексіздікке жақындайды. Әрине, мұндай модель тәжірибиеде қолданылмайды, алайда модельдің көрсетуі бойынша, фотон энергиясының қозған күйге тікелей өзгеруі қоныстануды алуға көмектеседі.
Термодинамикалық анализ энергетикалық өзгерулердің тізбегінсіз толық болып саналмайды. Фотосинтез кезінде фотондардың энергиясы электромагниттік процесстердің арқасында қозған энергияға айналады, ал нәтижесінде энергия химиялық қосуларға жинақталады. Сөйте тұра, "жұмыс" механикалық мағынада орындалмайды, алайда электронды күйді топтастыру жұмысы жүреді, соның нәтижесінде органикалық заттар жасалынады. Фотосинтез процесіндегі химиляық өзгерістер жартылайөткігіштердің электронды өзгерістеріне ұқсас келеді. Химиялық реакцияда энергияның өзгеруі қышқылдану және қайты қалпына келтіру нәтижесінде жүзеге асады.
Қайта қалпына келтіру деңгейі оттегі молекуласының көміртек атомына қатынасының санына тең,яғни, СО2 -ні H2O-ға айналдыратын заттарға тең. CcHhOoсекілді көміртертекқұрамдас заттар үшін қалпына келтіру деңгейі мынадай түрде болады:
Ұқсас заттарды СО2 -ні H2O-ға айналдыратын энергия 460кДЖ/моль-ді құрайды.
Қайта қалпына келтіру деңгейінің фотосинтез кезіндегі энергияға тәуелділігі 10.7 суретте көрсетілген. Фотосинтез негізіндеH2O кезінде СО2-нің көміртегі мен оттегіге дейін қалпына келтірілуі. Бұл жағдайда судың төрт молекуласынан электронның төрт молекуласы алынады. (10.9 сурет). Бұл процесс толығырақ 10.6бөлімде көрсетілген.
Фотофизика
Фотосинтез кезіндегі физикалық процесстер пигмент молекуласының электрондарымен жарық фотондары жұтылады. Бұл жағдайда молекулалар қозған күйге айналады. Егер молекула оқшауланса, әдетте энергия флуоресценция күйінде қайта жарықтанады. Егер пигменттердің молекулалары молекулалары хлоропластардың құрылысына кіргізілген болса, онда энергияның көптеген бөлігі реакционды орталықтар өтіп, химиялық түрге айналады.
Оқшауланған пигменттің қасиеті Франк-Кондон диаграммасынмен түсіндіріледі(10.10 сурет).Бұнда молекуланың негізгі және қоздырылған күйінің атомға тәуелділігі көрсетілген, олар кеңістіктік координатамен анықталады. Энергияның миннимумы әр түрлі хнәтижесінде пайда болатынын атап өткен жөн. Фотон молекулада 3x108 жылдамдықпен 10-9 қашықтықта қозғалады, ол 10-8 уақытты алады. Бұл уақыт аралығында фотонның молекула электрондарымн әрекеттесуі және фотондарды жұтуы шамамен 2эВ энергиямен жүзеге асады. Нәтижесінде, молекулаларда тербелістік және айналмалы еркін энергиялары kT=0,03эВ қоздырылады және ол 10-3 периодтпен жүзеге асады. Сәйкес күйлер диагрммада көлденең сызықтармен көрсетілген.
Фотонның жұтылуы (А) тез жүретіні соншалық, тіпті молекулярлы құрылыс оны елеп үлгермейді.Бұның себебінен қоздырылған күй энергияның минимумына сәйкес келмейді. Егер қоздырылған электрон бастапқыда басқа электронмен жүпта болса, онда қоздырылу процессі синглетті әрі 10-8уақыт аралығында өтеді.
Бұл уақыт аралығында шамамен 106 молекулалық тербеліс жүзеге асады, соның нәтижесінде екі порцесс орын алуы мүмкін: молекула өзіне ұқсас басқа молкулалармен бірге орналасады және жұтылған энергия (экситон деп аталады) резонанстық өткізгіш арқылы беріледі немесе қоздырылған күй минимумдық энергияға әкеліп соқтырады және шамамен 10-8 уақыттан соң флуоресценция нәтижесінде негізгі қалпына қайта келеді. Бұл жағдайда шығаратын сәуленің ұзындығы жұтылған жарық толқынынан көбірек болып келеді. Балама ретінде ядроның магниттік аумағына әрекет еткен электрон қозған күйде бағдарын өзгертіп, триплет пайда болады. Триплеттің уақыты әлдеқайда ұзағырақ(шамамен 10-3),ал сәйкес келетән энергияның жоғалуы фосфоресценция арқасында жүзеге асады. Соңғысы 5x10-10қашықтықта орналасқан молекулалар арасында орындаулы мүмкін.
Мұндай шарттармен қоздырылған күйлегі энергия сәулеленусіз қоршаған ортаға беріле алады. Бұл тәсіл энергетикалық деңгейдің диаграммасымен 10.13а суретте көрсетілген, ал егер молекулалар өте жақсын орналасқан болса, ол 10.13б суреттекөрсетілген. Бұл екі процессте де энергияның градиент арқылыөтуікөрсетілген. Бұл процесс фотоэлемент материалындағыэлектрондардыңқозғалысынаұқсасболыпкеледі. Олардыңайырмашылығы фотосинтез кезінде энергия толықкүйіменқозғанкездеорынауыстырады.
Алайда жартылайөткізгішті фотоэлементте электронның орын ауытыруы мен пигмент молекулаларындағы энергетикалық көліктің бұдан да маңызды айырмашылықтары бар.
Жартылайөткізгіштек алдын ала берілген қасиеттерімен орындалады. Әрбір қарапайым көлемнің белгілі бір концентрациясы бар. Егер бұндай фотоэлементтерді бірнеше бөлікке бөлсе, олар өздерінің қасиеттерін сақтайды. Фотосинтездеуші жүйе бір-бірімен араласатын пигмент молекулаларының коллективті ансамблі болып табылады, соған қарамастан, әрбір молекуланың қайда орналасқаны маңызды емес: ол электронның өзгеруіне орналасқан жеріне байланысты емес, электронды күйіне байланысты әсер етеді. Сондықтан, егер жасушаны жойып тастаса, онда әрбір пигмент өзінің жеке қасиеттерін көрсете бастайды. Бұл in vivoжәне in vitro пигмент молекуласының қасиеттерінің әр түрлі болуының себебі.