ఫోటోకెమిస్ట్రీ
ఫోటోకెమిస్ట్రీ (Photochemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రం (chemistry) లో ఒక ముఖ్యమైన భాగం. కాంతి రసాయనాలపై ఎలా ప్రభావం చూపుతుందో ఇది వివరిస్తుంది. సాధారణంగా చెప్పాలంటే, కాంతి ఏదైనా పదార్థంపై పడినప్పుడు అక్కడ ఎటువంటి మార్పులు జరుగుతాయో ఈ శాస్త్రం ద్వారా తెలుసుకోవచ్చు. దీనిని తెలుగులో 'కాంతి రసాయన శాస్త్రం' అని కూడా పిలుస్తారు. ఈ ప్రక్రియలో అతినీలలోహిత కిరణాలు (ultraviolet - UV), కంటికి కనిపించే కాంతి (visible light), లేదా పరారుణ వికిరణం (infrared radiation) వంటి వివిధ రకాల కాంతులు ఉపయోగపడతాయి.శాస్త్రీయంగా చూస్తే, కాంతిని నానోమీటర్ (Nanometre - nm) లలో కొలుస్తారు. ఫోటోకెమిస్ట్రీ ప్రధానంగా 100 నానోమీటర్ల నుండి 2500 నానోమీటర్ల మధ్య ఉండే తరంగదైర్ఘ్యం (wavelength) గల కాంతి గురించి అధ్యయనం చేస్తుంది.[1]
ప్రకృతిలో ఫోటోకెమిస్ట్రీ పాత్ర చాలా పెద్దది. మొక్కలు పెరగడానికి కారణమయ్యే కిరణజన్య సంయోగక్రియ (photosynthesis) ఈ సూత్రం పైనే ఆధారపడి ఉంటుంది. మనం కళ్లతో చూడగలగడం, సూర్యరశ్మి ద్వారా మన శరీరంలో విటమిన్ డి (vitamin D) తయారవ్వడం అన్నీ ఫోటోకెమిస్ట్రీ వల్లే సాధ్యమవుతున్నాయి.[2] అయితే, ఇది కొన్నిసార్లు ప్రమాదకరం కూడా కావచ్చు. ఉదాహరణకు, సూర్యరశ్మి మన కణాల్లోని డి.ఎన్.ఏ (DNA) ను మార్చడం ద్వారా చర్మ క్యాన్సర్కు దారితీయవచ్చు.[3]
ఫోటోకెమిస్ట్రీ ఎలా పనిచేస్తుంది?
కాంతి రసాయన చర్యలు (Photochemical reactions) సాధారణ రసాయన చర్యల కంటే భిన్నంగా ఉంటాయి. చాలా రసాయన చర్యలు జరగడానికి వేడి అవసరం అవుతుంది. కానీ కొన్ని చర్యలు ప్రారంభం కావడానికి చాలా ఎక్కువ శక్తి కావాలి. దీనిని యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ (Activation energy) లేదా ఉత్తేజిత శక్తి అంటారు. కాంతిలో చాలా ఎక్కువ శక్తి ఉంటుంది. ఒక అణువు (molecule) ఒక ఫోటాన్ (photon - కాంతి కణం) ను గ్రహించినప్పుడు, అది ఈ శక్తి అడ్డంకులను సులభంగా దాటగలదు. కేవలం వేడి చేయడం ద్వారా తయారు చేయలేని కొత్త రసాయనాలను కూడా శాస్త్రవేత్తలు కాంతిని ఉపయోగించి తయారు చేయగలుగుతున్నారు.కొన్నిసార్లు కాంతి వల్ల వస్తువులు పాడైపోతాయి. ఉదాహరణకు, ఎండలో ఉంచిన ప్లాస్టిక్ వస్తువులు కాలక్రమేణా విరిగిపోవడం లేదా రంగు మారడం మనం చూస్తుంటాం. దీనిని ఫోటోడిగ్రేడేషన్ (photodegradation) అని పిలుస్తారు. అంటే కాంతి ప్రభావం వల్ల పదార్థం క్షీణించడం అన్నమాట.
ప్రధాన నియమాలు
ఫోటోకెమిస్ట్రీలో రెండు ముఖ్యమైన నియమాలు ఉన్నాయి:గ్రోథస్-డ్రేపర్ నియమం (Grotthuss–Draper Law): ఒక రసాయన చర్య జరగాలంటే, కాంతి ఆ రసాయనం ద్వారా శోషణం (Absorption) చేయబడాలి. అంటే ఆ రసాయనం కాంతిని పీల్చుకోవాలి. కాంతి ఒక పదార్థం గుండా నేరుగా వెళ్ళిపోయినా లేదా దానిపై పడి వెనక్కి ప్రతిబింబించినా అక్కడ ఎటువంటి రసాయన మార్పు జరగదు.స్టార్క్-ఐన్స్టీన్ నియమం (Stark–Einstein Law): ఒక అణువు ఒక ఫోటాన్ను మాత్రమే గ్రహించి ఉత్తేజితం అవుతుంది. అంటే గ్రహించిన ప్రతి ఫోటాన్ ఒక అణువును మాత్రమే ప్రభావితం చేస్తుంది. ఒక రసాయన చర్య ఎంత సమర్థవంతంగా జరుగుతుందో తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు దీనిని వాడుతారు. దీనిని క్వాంటం యీల్డ్ (quantum yield) అని పిలుస్తారు.[4][5]
కాంతి & ఎలక్ట్రాన్లు
ఒక రసాయనం కాంతిని గ్రహించినప్పుడు, దానిలోని ఎలక్ట్రాన్లు కదులుతాయి. సాధారణంగా ఎలక్ట్రాన్లు తక్కువ శక్తి ఉండే చోట ఉంటాయి. దీనిని గ్రౌండ్ స్టేట్ (ground state - భూస్థాయి) అంటారు. కాంతి వాటిపై పడినప్పుడు, అవి ఎక్కువ శక్తి ఉండే పై స్థాయికి దూకుతాయి. దీనిని ఎక్సైటెడ్ స్టేట్ (excited state - ఉత్తేజిత స్థాయి) అంటారు. ఈ ప్రక్రియనే ఫోటో ఎక్సైటేషన్ (Photoexcitation) అని పిలుస్తారు.
స్థాయిల మధ్య కదలికలు
ఒక ఎలక్ట్రాన్ ఉత్తేజిత స్థాయికి వెళ్ళిన తర్వాత, అది మళ్ళీ తన పాత స్థితికి రావాలని ప్రయత్నిస్తుంది. అప్పుడు అది తన దగ్గర ఉన్న అదనపు శక్తిని వదిలేయాలి. ఇది మూడు విధాలుగా జరుగుతుంది:ఫ్లోరోసెన్స్ (Fluorescence): ఎలక్ట్రాన్ చాలా వేగంగా కిందకు పడిపోతూ కాంతిని విడుదల చేస్తుంది. ఇది చాలా తక్కువ సమయంలో జరిగిపోతుంది.ఇంటర్నల్ కన్వర్షన్ (Internal Conversion): శక్తి కాంతిగా కాకుండా వేడి రూపంలో మారుతుంది.ఫాస్ఫోరోసెన్స్ (Phosphorescence): ఇక్కడ ఎలక్ట్రాన్ ఒక ప్రత్యేకమైన స్థితిలో చిక్కుకుపోతుంది. దీనిని ట్రిపుల్ స్టేట్ (Triplet state) అంటారు. ఇక్కడ నుండి కిందకు రావడానికి చాలా సమయం పడుతుంది. అందుకే కొన్ని వస్తువులు లైట్లు ఆర్పేసినా కూడా చీకటిలో చాలా సేపు మెరుస్తూ ఉంటాయి. దీనినే మనం 'గ్లో ఇన్ ది డార్క్' (glow in the dark) అని అంటాం.
శాస్త్రవేత్తలు ఈ కదలికలను అర్థం చేసుకోవడానికి జాబ్లోన్స్కీ రేఖాచిత్రం (Jablonski diagram) వాడుతారు. ఇలా ఉత్తేజితమైన అణువులు చాలా చురుకుగా ఉంటాయి. అవి ఇతర అణువుల నుండి ఎలక్ట్రాన్లను తీసుకోవడం లేదా ఇవ్వడం చాలా సులభంగా చేస్తాయి. దీనిని రెడాక్స్ (Redox) ప్రక్రియ అని అంటారు.[6]
ప్రయోగాలు చేయడం
ఫోటోకెమిస్ట్రీని అధ్యయనం చేయడానికి శాస్త్రవేత్తలకు కొన్ని ప్రత్యేకమైన పరికరాలు అవసరం. ముఖ్యంగా మంచి కాంతి వనరు కావాలి. పాత కాలంలో ప్రజలు సూర్యరశ్మిని వాడేవారు, కానీ ఇప్పుడు అత్యాధునిక ల్యాంప్లను వాడుతున్నారు.
సాధారణ కాంతి వనరులు
ఫ్లో కెమిస్ట్రీ
ఈ మధ్య కాలంలో శాస్త్రవేత్తలు ఫ్లో కెమిస్ట్రీ (flow chemistry) అనే కొత్త పద్ధతిని వాడుతున్నారు. ఇందులో రసాయనాలను ఒకే పెద్ద పాత్రలో ఉంచకుండా, చిన్న చిన్న గొట్టాల ద్వారా పంపిస్తారు. దీనివల్ల కాంతి అన్ని అణువులపై సమానంగా పడుతుంది. అలాగే రసాయనాలు వేడి వల్ల పాడవకుండా చల్లగా ఉండటానికి ఇది సహాయపడుతుంది.[7]
ఫోటోకెమికల్ చర్యలకు ఉదాహరణలు
మన చుట్టూ ఫోటోకెమిస్ట్రీ ఎన్నో రూపాల్లో ఉంది. కొన్ని ఉదాహరణలు ఇక్కడ ఉన్నాయి:
కిరణజన్య సంయోగక్రియ:
మొక్కలు గాలిలోని కార్బన్ డై ఆక్సైడ్ మరియు నీటిని తీసుకుంటాయి. సూర్యరశ్మిని వాడుకుని వాటిని గ్లూకోజ్ (ఆహారం) మరియు ఆక్సిజన్ గా మారుస్తాయి.
విటమిన్ డి: సూర్యరశ్మి మన చర్మంపై పడినప్పుడు ఒక రసాయన చర్య జరుగుతుంది. ఇది మన ఎముకల ఆరోగ్యానికి అవసరమైన విటమిన్ డి ని తయారు చేస్తుంది.
బయోల్యూమినిసెన్స్ (Bioluminescence): మినుగురు పురుగులు వంటి కొన్ని జీవులు తమ శరీరంలో కాంతిని తయారు చేసుకుంటాయి. ఇది వాటి శరీరంలో జరిగే ఒక రసాయన చర్య వల్ల సాధ్యమవుతుంది.[8]
చూపు: మన కంటిలోకి కాంతి వెళ్ళినప్పుడు అది రొడాప్సిన్ (rhodopsin) అనే రసాయనంపై పడుతుంది. ఈ రసాయనం తన ఆకారాన్ని మార్చుకోవడం వల్ల మన మెదడుకు సిగ్నల్స్ వెళ్తాయి. అప్పుడే మనం చూడగలుగుతాము.
వైద్యశాస్త్రం: కొన్ని మందులు కాంతి తగిలినప్పుడు పని చేస్తాయి.
ఫోటోడైనమిక్ థెరపీ (Photodynamic therapy) లో భాగంగా డాక్టర్లు కాంతిని ఉపయోగించి క్యాన్సర్ కణాలను చంపే మందులను ఉత్తేజితం చేస్తారు.పరిశ్రమలు: మనకు నిత్యం అవసరమయ్యే చాలా వస్తువులను తయారు చేయడానికి కాంతిని వాడుతారు. మలేరియా మందుల తయారీలో కూడా ఫోటోకెమిస్ట్రీ కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది.[9]
ఆర్గానిక్ & ఇనార్గానిక్ ఫోటోకెమిస్ట్రీ
రసాయనాలను బట్టి ఫోటోకెమిస్ట్రీని రెండు రకాలుగా విభజించవచ్చు.
ఆర్గానిక్ ఫోటోకెమిస్ట్రీ
ఇది ప్రధానంగా కార్బన్ మరియు హైడ్రోజన్ ఉన్న అణువుల గురించి వివరిస్తుంది.ఐసోమెరైజేషన్ (Isomerization): ఒక అణువు తనలోని పరమాణువులను మార్చకుండా కేవలం తన ఆకారాన్ని మార్చుకోవడం. ఉదాహరణకు, మన కంటిలోని 'రెటినాల్' కాంతి తగలగానే ఆకారం మార్చుకుని మనకు చూపునిస్తుంది.పాలీమెరైజేషన్ (Polymerization): ప్లాస్టిక్ వస్తువులను గట్టిగా చేయడానికి కాంతిని వాడుతారు. దీనిని 3D ప్రింటింగ్ మరియు దంతాల చికిత్సలో (dental fillings) ఎక్కువగా ఉపయోగిస్తారు.నోరిష్ రియాక్షన్ (Norrish reaction): ఆర్గానిక్ అణువులపై UV కాంతి పడినప్పుడు అవి విడిపోవడం లేదా మారడం జరుగుతుంది.
ఇనార్గానిక్ ఫోటోకెమిస్ట్రీ
ఇది లోహాలు (metals) మరియు ఇతర మూలకాల గురించి వివరిస్తుంది. చాలా లోహ సమ్మేళనాలు కాంతి పడగానే రంగు మారుతాయి. పరిశ్రమల్లో కొత్త రకాల ఉత్ప్రేరకాలను (catalysts) తయారు చేయడానికి ఇది చాలా ఉపయోగపడుతుంది.
చర్యల రకాలు
కాంతి వల్ల రసాయనాలు రకరకాలుగా స్పందిస్తాయి:ఫోటో-డిసోసియేషన్ (Photo-dissociation): ఒక అణువు రెండు చిన్న ముక్కలుగా విడిపోవడం.ఫోటో-అడిషన్ (Photo-addition): రెండు వేర్వేరు అణువులు కలిసి ఒకటిగా మారడం.ఫోటో-సబ్స్టిట్యూషన్ (Photo-substitution): ఒక అణువులోని ఒక భాగం వెళ్ళిపోయి దాని స్థానంలో మరొకటి రావడం.ఫోటో-ఆక్సిడేషన్ (Photo-oxidation): కాంతి వల్ల ఒక అణువు తన ఎలక్ట్రాన్లను కోల్పోవడం.
సామర్థ్యాన్ని కొలవడం
కాంతి ఎంత బాగా పని చేస్తుందో తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు ఒక సూత్రాన్ని వాడుతారు. దీనినే క్వాంటం యీల్డ్ ($\Phi$) అంటారు.$$\Phi = \frac{\text{చర్యలో పాల్గొన్న అణువుల సంఖ్య}}{\text{గ్రహించిన ఫోటాన్ల సంఖ్య}}$$ఒకవేళ $\Phi$ విలువ 1 అయితే, ప్రతి ఫోటాన్ ఒక చర్యకు కారణమైందని అర్థం. 1 కంటే తక్కువ ఉంటే కొంత శక్తి వేడి రూపంలో వృధా అయిందని తెలుస్తుంది.
ఫోటోకెమిస్ట్రీ చరిత్ర
చాలా కాలం నుండి మనుషులు బట్టలను బ్లీచ్ చేయడానికి ఎండను వాడుతున్నారు. కానీ, శాస్త్రీయంగా మొదటి ఫోటోకెమికల్ పరిశోధన 1834లో హెర్మాన్ ట్రోమ్స్డార్ఫ్ అనే వ్యక్తి చేశారు. ఆయన సాంటోనిన్ (santonin) అనే రసాయనం ఎండలో ఉంచినప్పుడు పసుపు రంగులోకి మారి పేలిపోవడాన్ని గమనించారు.[10]తర్వాతి కాలంలో జియాకోమో సియామీషియన్ అనే ప్రముఖ శాస్త్రవేత్త బొగ్గుకు బదులుగా సౌర శక్తిని వాడాలని ప్రతిపాదించారు. ఆయనను 'ఫోటోకెమిస్ట్రీ పితామహుడు' అని పిలుస్తారు. భవిష్యత్తులో పరిశ్రమలన్నీ కాంతిని వాడుకుని రసాయనాలను తయారు చేస్తాయని ఆయన నమ్మేవారు.
మూలాలు
- ↑ Template:GoldBookRef
- ↑ Glusac, Ksenija (2016). "What has light ever done for chemistry?". Nature Chemistry. 8 (8): 734–735. Bibcode:2016NatCh...8..734G. doi:10.1038/nchem.2582. PMID 27442273.
- ↑ J. Cadet and T. Douki, Photochem. & Photobiol. Sci. 2018 (17) pp 1816-1841 DOI: 10.1039/c7pp00395a
- ↑ Calvert, J. G.; Pitts, J. N. Photochemistry. Wiley & Sons: New York, US, 1966.
- ↑ Photochemistry, website of William Reusch (Michigan State University), accessed 26 June 2016
- ↑ Wayne, C. E.; Wayne, R. P. Photochemistry, 1st ed.; Oxford University Press: Oxford, United Kingdom, 2005. ISBN 0-19-855886-4.
- ↑ Oelgemöller, Michael; Shvydkiv, Oksana (2011). "Recent Advances in Microflow Photochemistry". Molecules. 16 (9): 7522–7550. doi:10.3390/molecules16097522. PMC 6264405. PMID 21894087.
{{cite journal}}: CS1 maint: unflagged free DOI (link) - ↑ Saunders, D. S. (11 November 2002). Insect Clocks, Third Edition. Elsevier Science. p. 179. ISBN 0-444-50407-9.
- ↑ Peplow, Mark (17 April 2013). "Sanofi launches malaria drug production". Chemistry World.
- ↑ Trommsdorff, Hermann (1834). "Ueber Santonin". Annalen der Pharmacie. 11 (2): 190–207. doi:10.1002/jlac.18340110207.
మరింత సమాచారం
Bowen, E. J., The Chemical Aspects of Light. Oxford: The Clarendon Press, 1942.Turro, N. J., Modern Molecular Photochemistry. University Science Books, 1991.Template:BranchesofChemistry