מולקולות – בנויות מאטומים שקשורים ביניהם בקשר כימי. אור (או, יותר מדוייק – קרינה אלקטרומגנטית שאור הוא חלק ממנה) אכן יכול לפרק או לשבור קשרים כימיים ובכך בעצם לפרק מולקולות. כל מי שאי-פעם בישל משהו בתנור או על הכיריים) יודע שחום רב מדי עלול לגרום לאוכל להתפחם. התפחמות של אוכל זה בעצם תהליך בו המולקולות האורגניות שמרכיבות את האוכל מתפרקות (ואנו רואים לבסוף את הפחמן שנשאר מהמולקולות המקוריות לאחר הפירוק) – מכאן אנו מבינים דבר חשוב: גם חום (ולא רק אור) יכול לפרק מולקולות. העובדה הזו, שאפשר לפרק קשרים כימיים באמצעות חימום, היא שאיפשרה לכימאים לערוך ניסויים בה מדדו בדיוק מה האנרגיה הדרושה על מנת לשבור קשרים כימיים, האנרגיה מכונה – אנרגיית הקשר. לדוגמא – אנרגיית הקשר של מולקולת כלור, Cl2, היא האנרגיה שיש להשקיע בתהליך בו המולקולה מתפרקת לשני האטומים המרכיבים אותה, לפי התגובה:
Cl2 -------> Cl + Cl + אנרגיה
הטבלה הבאה, מציגה אנרגיות קשר של קשרים כימיים נפוצים, ביחידות של קילו-קלוריות למול (kcal/mole) וקילו-ג'אול למול (kJ/mole).
ערכי אנרגיות קשר לקשרים כימיים נפוצים, באדיבות אתר ויקיפדיה.
טבלאות יותר מפורטות של אנרגיות קשר אפשר למצוא כאן ו-כאן. האור, כמו כל קרינה אלקטרומגנטית, מורכב מחלקיקים הקרויים פוטונים (פוטו=אור ביוונית), אשר להם תכונות העולות מתוך תורת הקוונטים: אפשר להחשיב אותם גם כחלקיקים וגם כגלים. לכל פוטון יש אנרגיה ייחודית שתלויה באורך הגל שלו.
אורכי הגל והתדירויות של הספקטרום האלקטרומגנטי (המכיל את כל סוגי הקרינות מרדיו, מיקרוגל, אור נראה, אולטרא סגול, רנטגן וגו') תמונה באדיבות ויקיפדיה
עכשיו – אם פוטון פוגע בקשר כימי (=אור מאיר על חומר) והאנרגיה של הפוטון גבוהה יותר מאנרגיית הקשר – הקשר יתפרק, אבל מה שמוזר בתהליך הוא שהתהליך עצמו הוא קוונטי כלומר כמותי, ברמה של 1:1; בניגוד לחיים הרגילים, זה לא משנה כלל מה העוצמה הכוללת של האור, אם האנרגיה של הפוטונים חלשה מאנרגיית הקשר אז הקשר לא יתפרק. למשל – אם פוטון של אור בצבע אדום לא מפרק קשר כימי מסויים (כי אנרגיית הקשר שלו גבוהה מאנרגיית הפוטון), אז זה לא משנה אפילו אם לוקחים פרוז'קטור רב עוצמה של אור אדום, הפולט כל שנייה מיליארדי פוטונים שהאנרגיה הכוללת שלהם אדירה – הקשר פשוט לא יתפרק. האפקט הפוטואלקטרי – היא תופעה דומה שאלברט איינשטיין הצליח להסביר (באמצעות ההבנה שהאנרגיה של האור תלוייה באורך הגל שלו, ובאה במנות קטנות הנקראות פוטונים) ולמעשה עליה הוא זכה בפרס נובל בפיזיקה (ולא על תורת היחסות). אפשר לדמות את זה לטנק: שלא משנה כמה חיצים מעץ יירו עליו – השיריון שלו לא יחדר, ואין משמעות לחיבור האנרגיה של כל החיצים יחד, אבל מספיק שיירו עליו טיל אחד בודד – כדי ליצור חור בשיריון.
לסיכום התשובה – באמצעות הטבלאות של אנרגיות הקשר אפשר לדעת מראש אילו מולקולות / קשרים כימיים יתפרקו או לא יתפרקו כאשר נחשפים לאור (ובתלות, כמובן, בצבע האור המאיר).
נסיים בדוגמא חישובית / מספרית. האם אור בצבע ירוק (באורך גל של 555 ננו-מטר או מיליארדיות המטר) יכול לפרק מולקולה של ברום: Br2, שלפי הטבלא למעלה היא בעלת אנרגית קשר של 192 קילו-ג'אול למול, כלומר 192,000 ג'אול למול כלומר, עבור מולקולה בודדת יש לחלק במספר המולקולות שנמצאות במול (מכונה מספר אבוגדרו, ערכו 1023*6.02 ומקבלים שלכל מולקולה בודדת חוזק הקשר הוא: 10-19*3.18ג'אול.
ברום, אנרגיית קשר של 3.18*10-19 ג'אול, תמונה באדיבות ויקיפדיה
אנרגיה של פוטון מחשבים לפי הנוסחה:
ג/E=h*C
כאשר E זו האנרגיה, h זה גודל קבוע, מכונה קבוע פלאנק וערכו 10-34*6.63 ג'אול*שנייה, C – זוהי מהירות האור, ערכה 300 מיליון מטרים לשנייה, ו-ג זה אורך הגל (כיוון שמחלקים באורך הגל נובע שככל שאורך הגל יותר ארוך האנרגיה של הפוטונים דווקא יותר קטנה). נציב את כל הערכים ונקבל E=6.63*10-34*3*108/555*10-9=3.58*10-19J
שזה יותר (במעט) מאנרגיית הקשר של ברום, כלומר מולקולת ברום תתפרק לאטומים כאשר אור ירוק יאיר עליה. ואכן – בכימיה אורגנית, כאשר רוצים לעורר ברום לפעולה פשוט מאירים עליו (ואז הוא מתפרק לאטומים היכולים להגיב עם מולקולות אחרות). חשוב לציין שלא כל פוטון ירוק שיפגע סתם במולקולה – יפרק אותה, הוא צריך לפגוע במקום מסויים – באלקטרונים היוצרים את הקשר הכימי, עקב כך היעילות של התהליך היא לא מלאה (מכונה ניצולת קוונטית) והברום יתפרק בקצב איטי מהצפוי לפי מספר הפוטונים המוקרנים.
מעניין לציין שחוזקם של רוב הקשרים הכימיים הוא בדיוק באותו סדר גודל של האנרגיה של האור שמקרינה השמש, כמו שראינו בדוגמא המספרית למעלה (בזכות זה ניתן לבצע תגובות כימיות וביוכימיות באמצעות השמש): כאשר אור אדום (700 ננו-מטר) – חלש מדי (ולכן משמש בחדרים בהם רוצים להגן מפני נזקי קרינה כמו בארכיונים או בחדרים בהם 'מפתחים' תמונות בשיטה שקדמה להמצאת המצלמה הדיגיטלית – צילום באמצעות פילים עליו מתרחשת תגובה כימית), ואור סגול או אולטרא סגול (200 ננו-מטר) שהוא הגבול העליון של אנרגיית השמש המגיעה לכדור הארץ – כבר חזק מדי (ליצורים חיים) ויכול לשבור קשרי פחמן-פחמן, ובכך לגרום לנזקים לתא, לדנ"א ואף להוביל לסרטן (ולכן חובה להתמגן כאשר יוצאים לשמש בקיץ, בקרם הגנה הבולע את הקרינה או בחולצה המסתירה אותה), אור סגול עלול לגרום נזק לתמונות הצבועות בצבעי שמן במוזיאונים (ולכן במוזיאונים רבים אסור לצלם תמונות תוך שימוש ב'פלאש' – כי במשך הזמן הצטברות של פלאשים רבים עלולים פשוט לפורר את התמונות לאבקה).
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
