Дело в химии. Как все устроено?

Например, при комнатной температуре бóльшая часть молекул воды вращается на определенном энергетическом уровне, назовем его R₁. Если мы нальем воду в кастрюльку и начнем ее нагревать, некоторые молекулы постепенно начнут вращаться с энергией R₂. Чем дольше мы будем нагревать воду, тем все больше молекул будут вращаться с энергией R₂, а некоторые начнут вращаться и с энергией R₃. Однако мы никогда не обнаружим молекулы, вращающиеся с промежуточной между R₁ и R₂ энергией.

А что, если бы мы захотели использовать электромагнитное излучение, чтобы возбудить молекулы воды и заставить их перейти с уровня R₁ на уровень R₂? Разница в энергии между вращательными уровнями очень мала и требует излучения с низкой энергией… например микроволнового. Именно этот принцип и работает в микроволновой печи: внутри нее установлен магнетрон, специальный источник микроволн с длиной волны около 12 см, что как раз соответствует необходимой для перехода молекул воды с одного вращательного уровня на другой – этот переход и нагревает вашу еду в тарелке.

А если мы хотим воздействовать на электронные уровни? В этом случае разница в энергии существенно выше и соответствует ультрафиолетовой солнечной радиации или облучению видимого спектра.

Солнцезащитные кремы, которые мы используем летом на пляже, к примеру, не поглощают лучи видимого спектра – они поглощают ультрафиолет: если бы наши глаза могли видеть волны этой длины, все купающиеся рядом с нами выглядели бы, как участники вечеринки у бассейна с краской. Поглощая лучи UV, солнцезащитные кремы помогают нам избежать возбуждения электронов в ДНК молекул в наших клетках, что могло бы спровоцировать нежелательные реакции. Когда молекула находится в возбужденном электронном состоянии, ее химическая реактивность меняется, и в случае с ДНК это может привести к серьезным последствиям и опухоли (поговорим об этом дальше).

Однако поговорим о более приятных вещах. В некоторых молекулах разница в энергии между электронными уровнями такова, что точно соответствует длине волны видимого спектра: в подобном случае фотоны с правильной энергией будут поглощаться молекулой и способствовать электронному переходу, в то время как другие фотоны просто пролетят мимо. Чтобы лучше понять этот процесс, попробуем вместе проанализировать спектр поглощения хлорофилла, пигмента, ответственного за зеленый цвет растений.

Спектр поглощения – не что иное, как график, показывающий количество света, поглощенного некой молекулой, как зависимость от длины волны падающего света. Инструмент, применяемый для подобных измерений, называется спектроскопом и позволяет освещать светом определенной длины волны образец и бесцветный эталон. Если повторять измерения для каждой длины волны и регистрировать разницу между интенсивностью света нужной длины волны, проходящего сквозь образец и сквозь эталон, можно построить кривую, показывающую, сколько света было поглощено образцом в зависимости от длины волны. В спектре поглощения хлорофилла, изображенного выше, четко выделяются два пика (максимумы поглощения), соответствующие длинам волн синего и красного цвета. Какая кривая неизменна? Конечно, зеленая.

Методы спектроскопии часто используются химиками, поскольку являются мощным методом познания структуры материи, выявления наличия определенных молекул в образце или измерения их содержания. Многие технические средства криминалистики, которые можно увидеть в сериалах, хоть и преувеличенно зрелищны, существуют на самом деле и основаны на свойствах взаимодействия света с материей. Например, инфракрасная спектроскопия используется в химических исследованиях, потому что разные группы атомов вибрируют в инфракрасном диапазоне на своей частоте. С помощью спектроскопии можно как обнаружить присутствие следов известных веществ в образце, поскольку всякое вещество обладает собственными инфракрасными «отпечатками пальцев», так и выяснить структуру неизвестного вещества.