Дело в химии. Как все устроено?

Отдельное явление – люминесценция, то есть не поглощение, а эмиссия света некой молекулой. Чтобы понять, что при этом происходит, мы должны снова вспомнить об энергетических уровнях. Нашим отправным пунктом будет молекула в состоянии покоя, с электронами, вращающимися на самом низком энергетическом уровне. Вдруг появляется световой луч определенной длины волны, электрон его поглощает и возбуждается до состояния с повышенной энергией. Что же происходит потом? Молекула остается в том же состоянии с возбужденным электроном? Нет, потому что наш электрон хочет вернуться к состоянию отдыха с низкой энергией. В большинстве случаев электрон возвращается в свое базовое электронное состояние, рассеивая лишнюю энергию просто в окружающей среде. Но некоторые молекулы не позволяют своим электронам поступать так просто, и электрон может вернуться в базовое состояние только испуская новые фотоны, которые, в силу ряда сложных причин, которые очень непросто объяснить (вы должны мне просто поверить и в этом случае), обладают длиной волны чуть больше исходной, а поэтому и слегка повышенной энергией.

Если эти процессы поглощения и повторного излучения происходят очень быстро (за миллионную долю секунды), то мы имеем дело с флуоресцирующей молекулой. В некоторых случаях процесс может потребовать больше времени, несколько секунд или даже минут, – тогда это называется фосфоресценцией.

Многие отбеливающие виды мыла содержат флуоресцентные добавки, поглощающие ультрафиолетовые лучи и испускающие видимый свет. Нас регулярно уговаривают купить моющее средство, которое делает белье «белее белого». На самом деле это обман зрения: естественное пожелтение нитей скрадывается слабым синим свечением флуоресцирующих молекул моющего средства. Так у потребителя создается ощущение белой ткани.

Флуоресцентная спектроскопия, то есть исследование света, испускаемого флуоресцентными веществами, применяется не только в таких специфических областях – она является прежде всего фундаментальным методом анализа, поскольку позволяет обнаруживать даже микроскопические количества вещества. И не только: длина волны излучения, испускаемого молекулой, зависит в значительной степени от окружающей среды, поэтому ее измерение служит отличным способом исследования микроскопических сред, в которых пребывают флуоресцентные молекулы. Эта технология уже перевернула биологию и медицину: с помощью флуоресцентных маркеров можно выборочно идентифицировать определенные участки клетки, невидимые обычными методами, следить за самыми удивительными физиологическими процессами, помечать определенные ткани и не помечать другие, выявлять присутствие определенных белков. Многие методы анализа, используемые в медицине для обнаружения антител, вирусов, бактерий и белков, основаны на явлении флуоресценции: флуоресцентные антитела способны присоединяться исключительно к нужной молекуле, и ни к какой другой. Таким образом, по интенсивности света, испускаемого образцом, можно определить концентрацию интересующего нас вещества и быстро и надежно сделать правильные выводы.

И наконец, существует еще и третье явление, сочетающее в себе химию и свет: хемилюминесценция. Не надо бояться сложного названия: на самом деле речь идет о светлячках.

Вспомните, что я рассказал вам о том, что свет может возбуждать электрон в молекуле и делать таким образом молекулу готовой вступить в реакцию? Случается и наоборот: химическая реакция может закончиться молекулой, находящейся в возбужденном электронном состоянии, то есть ее электроны пребывают в возбужденном состоянии, то есть на энергетическом уровне выше основного для данной молекулы. Электроны могут таким образом вернуться в базовое энергетическое состояние, испустив фотон, то есть испустив свет в результате химической реакции. Именно так светлячкам удается светиться даже в самую темную ночь: благодаря химическим реакциям, происходящим в их брюшке, энергия высвобождается в виде света.

Разноцветный мир

А теперь, когда мы узнали, что пигменты кажутся цветными, потому что видимый свет может реагировать с электронами молекул, было бы интересно попробовать понять, по какой причине в некоторых веществах разница в энергии между электронными уровнями проявляется в видимой части спектра, а в других – в ультрафиолетовой.

И как обычно, ответ не появится немедленно, но мне придется, упрощая, поведать, что часто (но не всегда) видимую часть спектра поглощают молекулы, содержащие металл (в особенности переходные металлы), или последовательность двойных сопряженных связей.