Sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta orgaanisiin vetysidoksiin. esimerkki Monifotonivaikutus

Aihepiiri. STUK kirja 6. 125

SÄHKÖMAGNEETTISET KENTÄT

ESIMERKKI 4.1 Monifotonivaikutus

Tehtävä: Lasketaan kuinka monta samanaikaista fotoniosumaa tarvitaan, jotta vetysidos katkeaisi.

Keskimääräinen sidosenergia yhdessä moolissa

on yleensä suurempi kuin 4 200 J/mol, jolloin yhden sidoksen energia

saadaan jakamalla keskimääräinen sidosenergia

Avogadron luvulla 6,022 .10E23 1/mol.

Merkintä 1/mol tarkoittaa atomien lukumäärää moolia kohden.

Yhden sidoksen energiaksi E saadaan kaavasta (4.2)

E on yhtäsuuri tai suurempi kuin 6.9 *10 Exp (-21) J = 0,043 eV = 1,6 kT.

k = Boltzmanin vakio (J/K) ja T on Kelvin asteita (K)

Oletetaan, että yksittäiseen kemialliseen sidokseen osuvien foto-

nien kokonaisenergian on oltava suurempi kuin 1 kT, jotta sidos

voisi katketa.

Sidoksen hajottamiseen tarvittavien fotoneiden määrä N on siten

Kaavasta (4.3)

N = kT / hf

jossa hf on yhden fotonin energia. ( Taajuus * Planckin vakio )

Jos taajuudeksi valitaan 30 GHz (millimetriaaltoja), kuten tutkassa,

N on noin 200 kvanttia ( 200 fotonia)

Tarvitaan siis vähintään 200 fotonin samanaikainen osuma yhteen ja samaan vetysidokseen, jotta se katkeisi.

Usean fotonin samanaikaista osumista kemialliseen sidokseen voidaan arvioida monimutkaisilla todennäköisyyslaskelmillla.

Pickardin ja Morosin suorittamat laskelmat osoittavat, että 200 radiotaajuisen fotonin samanaikaisen osuman todennäköisyys on alle 1 *10 Exp (-800 )

eli käytännössä mahdoton tapahtuma.

On myös huomattava, että yhden vetysidoksen katkeaminen esimerkiksi DNA-molekyylissä ei ole kovin dramaattinen tapahtuma. Sidokset katkeilevat satunnaisesti myös lämpöliikkeen vaikutuksesta, mutta korjautuvat useimmiten saman tien.

Merkittäviä fotokemiallisia muutoksia alkaa esiintyä vasta UV-alueella, jossa yhden fotonin energia on yli 3 eV tai 100 kT

(UV alueella taajuudet ovat 11 PetaHerziä, aallonpituudet 300 nm luokkaa )

Ionisaatiorajana pidetään 3 Phz, 100 nm, yli 12 eV. Klassinen ionisaatioraja on 13.6 eV.

( Jonisoivan säteilyn kuten Röntgensäteilyn taajuudet ovat jo Exaherzien aluetta, missä aallonpituudet ovat pikometriluokkaa ja fotonin energiat 120 kV luokkaa. Käsitettävintä onkin käyttää kuvauksessa fotonienergiamittoja.)

.

On hyvä pitää mielessä, että solussa tapahtuu kemiallisten sidosten

katkeilua koko ajan myös itsestään, ilman ulkoa tulevaa ärsykettä tai

altistavaa ainetta. Muutokset voivat ilmetä spontaaneina mutaatioina,

joiden syntymiseen vaikuttavat muun muassa DNA-molekyylin yleinen

kemiallinen reaktiivisuus sekä ne virheet, joita suurien molekyylien kah-

dentumisessa usein tapahtuu.

Tehokkaasta DNA-korjautumisesta huolimatta myös osa spontaanisti syntyvistä vaurioista jää siis korjautumatta tai korjautuu väärin. Nykytietämyksen perusteella spontaaneja vaurioita arvellaan tapahtuvan yhdessä solussa yhden päivän aikana noin 100 – 500.

Musitiin 25.3. 2015