Της Δήμητρας Σπανού , Χημικού, Καθηγήτριας Β/θμιας Εκπ/σης
Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΑΝΤΙΛΗΨΗΣ
Γιατί βλέπουμε; Και γιατί βλέπουμε έγρωμα; Έχει σχέση η χημεία των σωμάτων με το χρώμα που αντιλαμβανόμαστε; Απορίες που μπορεί να απασχολήσουν ένα καθηγητή αλλά κι ένα πεντάχρονο παιδί.
Οι απαντήσεις κάποιες φορές πρέπει να απευθύνονται καΙ να είναι ικανοποιητικές και για στούς δυο.
Γιατί βλέπουμε;
Βλέπουμε γιατί φτάνουν ανάλογα ηλεκτρικά σήματα σε κατάλληλες περιοχές του εγκεφάλου μας. Φτάνουν τα σήματα γιατί ξεκινούν από κάπου.
Από που ξεκινούν;
Από τα οπτικά κύτταρα στον αμφιμβληστροειδή χιτώνα στο εσωτερικό του ματιού μας .και ακολουθούν τον δρόμο του οπτικού νεύρου έως την περιοχή του εγκεφάλου που θα τα αναγνωρίσει.
Γιατί; Γιατί πίσω από τους βολβούς των ματιών μας βρίσκονται οπτικά κύτταρα που κάποιες χημικές ουσίες που βρίσκονται στην μεμβράνη των οπτικών αυτών κυττάρων
Όταν πάνω στις ουσίες αυτές πέσει ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος επιρρεάζονται. Δηλαδή, αλλάζει λιγάκι το σχήμα του μορίου τους όταν πέσει φως ορισμένων ακτινοβολιών. 
Γιατί αλλάζει το σχήμα τους;
Γιατί τα μόρια αυτών των ουσιών, απορροφούν κάποιο είδος ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που έρχεται με το φως; Το φως που μπαίνει μέσα στο σώμα μας από τα μάτια (υποδοχείς οπτικών μυνημάτων)
Τι σχέση έχει αυτό με το νευρικό σήμα (που είναι ηλεκτρικό σήμα);
Η αλλαγή στο σχήμα των μορίων, προκαλεί αλλαγή στην διάταξη των ηλεκτρικών φορτίων τους και εν τέλει κάποιο ηλεκτρικό σήμα που διαδίδεται από εκεί προς το Κεντρικό Νευρικό μας σύστημα και συγκεκριμένα από τους νευρώνες που μεταφέρουν ερεθίσματα από το μάτι σε περιοχή στον εγκέφαλο.
Η ΦΩΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΙΝΑΙ ΠΑΝΤΑ ΙΔΙΑ;
Αυτή η ενέργεια από το φως, η φωτεινή ενέργεια, είναι η ίδια πάντα;
Όχι. Είναι άλλωτε πιο ισχυρή δηλαδή το ηλεκτρομαγνητικό κύμα -που είναι το φως- έχει πιο μεγάλη συχνότητα κι άλλωτε πιο μικρή.
Αυτά τα οπτικά κύτταρα είναι όλα ακριβώς τα ίδια;
Όχι . Υπάρχουν Κύτταρα που αντιλαμβάνονται την ένταση της ακτινοβολίας (τα ραβδία) δηλαδή αν έχει πολύ φως ή είναι λίγο πιο σκοτεινά ή είναι σκοτάδι
κι άλλα (τα κωνία) που δουλεύουν με την συχνότητα της ακτινοβολίας. Η συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι που έχει σαν αποτέλεσμα να βλέπουμε -καταλαβαίνουμε- τα χρώματα
Τα κωνία μπορούν να απορροφήσουν κάθε είδος συχνότητας ; Όχι. Το αντίθετο απορροφούν πολύ συγκεκριμένες ακτινοβολίες. Υπάρχουν τριών ειδών κύτταρα -κωνία. Αυτά που μπορούν να απορροφούν ακτινοβολία της συχνότητας του ερυθρού και του πράσινου άλλα του κυανοιώδους και του κίτρινου και άλλα του λευκού και του μαύρου. Τριχρωματική ακτινοβολία στον άνθρωπο, ενώ στα πρωτεύοντα θηλαστικά είναι διχρωματική.
Γιατί βλέπουμε τόσα διαφορετικά χρώματακαι πολλές φορές ενδιάμεσων αποχρώσεων; Γιατί τα κωνία διεγείρονται ταυτόχρονα αλλά σε διαφορετικό βαθμό κάθε φορά κι εμείς αντιλαμβανόμαστε το συνολικό αποτέλεσμα.Αν ο βαθμός διέγερσης είναι ο ίδιος τότε βλέπουμε το λευκό χρώμα.
Που μπαίνει όμως εγώ η Χημεία του σώματός μας σε όλα αυτά;
Τουλάχιστον σε δυο σημεία
1.Ποιες είναι οι χημικές ουσίες ,που είναι στο εσωτερικό των οπτικών κυττάρων και οι οποίες αλλάζουν με το φως;
Πως αλλάζουν, ποιες μεταβολές γίνονται;
Έχουμε ακούσει ίσως πως η βιταμίνη Α κάνει καλό στα μάτια. Πραγματικά από την βιταμίνη αυτή που λέγεται και ρετινόλη ή ρετιναλη όταν οξειδωθεί ξεκινάει το θαύμα της όρασης
Και βέβαια καταλαβαίνουμε σχετικά εύκολα την μεγάλη σχέση της βιταμίνης Α με το καροτένιο (τα καρότα κάνουν καλό στα μάτια) αφού από ένα μόριο καροτένιου όταν κοπεί στα δύο παίρνουμε δυο μόρια βιταμίνης Α
Αυτή λοιπόν ρετινόλη (βιταμίνη Α) θα ενωθεί με μια άλλη χημική ουσία (από τα εκατομύρια που παράγει το σώμα μας), μια πρωτεϊνη, την οψίνη . Και θα δώσει , την ουσία που χάρη σε αυτήν βλέπουμε, την ροδοψίνη ροδοψίνη cis trans.jpg (5,9 kB)
Η ροδοψίνη όταν απορροφά ένα συγκεκριμένο είδος ακτινοβολίας και διεγείρεται αλλάζει σχήμα Αυτό στη χημεία λέγεται στερεοισομέρεια. Το νέο ισομερές της ροδοψίνης δεν προσαρμόζεται το ίδιο στο κύτταρο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια σειρά από αντιδράσεις και ένα ηλεκτρικό σήμα που περνά στο οπτικό νεύρο, από το νεύρο στο κέντρο του εγκεφάλου που είναι για την όραση κι εκεί ερμηνεύεται σαν φως και χρώμα.
Η οψίνη που λέγαμε βρίσκεται στα ραβδία οπτικά κύτταρα και υπάρχουν τρεις παραλλαγές της σε διαφορετικούς τύπους κωνίων. Η κάθε μιαπαραλλαγή της απορροφα διαφορετική συχνότητα ακτινοβολίας (από την περιοχή του ορατού στο φάσμα ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών) και γι αυτό τον λόγο τρεις μορφές ραβδίων για τα διαφορετικά χρώματα
Από που όμως έρχονται οι ακτινοβολίες που αλλάζουν τη ροδοψίνη;
Από τα χρωματιστά σώματα
Γιατί δεν είναι όλα τα σώματα με χρώματα;
2.Τι κάνει τα σώματα να έχουν το ένα ή το άλλο χρώμα ή να μην έχουν καθόλου χρώμα
Εδώ τώρα πρέπει να δώσω ένα από τα δυσκολότερα θέματα της φυσικής και της Χημείας
Την απορρόφηση και την εκπομπή ακτινοβολίας από την ύλη
Τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται στις τροχαιές του ατόμου τα γνωρίζουμε νομίζω. Ακόμα και ένα πεντάχρονο της σημερινής εποχής κάτι έχει ακούσει γι αυτά.
Τα ηλεκτρόνια, που είναι τόσο μικρά και κινούνται τόσο γρήγορα (στις τάξεις της ταχύτητας του φωτός) και έχουν τόσο μεγάλη σχέση με την ενέργεια που κάποιες θεωρίες λένε, πως δεν μας είναι εντελώς καθαρό αν πρόκειται για ύλη ή για συσσωρευμένη ενέργεια.
Τι γίνεται εάν τα ηλεκτρόνια των ατόμων απορροφήσουν ενέργεια ;
Αυτά λοιπόν τα ηλεκτρόνια των ατόμων που φυσιολογικά ισσοροπούν σε κάποιες τροχαιές ή τροχιακό (ηρεμίας), αν απορροφήσουν ακτινοβολία ανεβαίνουν τροχαιά μεγαλύτερης ενέργειας φτάνουν δηλαδή στην Διεγερμένη κατάσταση
Όμως αυτές δεν είναι οι σταθερές καταστάσεις και σύμφωνα με τους φυσικούς νόμους τα μόρια προσπαθούν να επανέλθουν με κάποιους τρόπους στην αρχική τους ηρεμία ή τέλος πάντων σε κάποια άλλου τύπου κατάσταση ηρεμίας ώστε η ύλη να είναι όσο γίνεται σταθερότερη
Αυτό θα γίνει είτε
1. διοχετεύοντας την επιπλέον ενέργεια που απορρόφησαν σε πιο δυναμικούς σχηματισμούς (όπως στη ροδοψίνη)
2. ή αποβάλλωντας την ενέργεια με την μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (βγάζουν φως)
3. ή δίνουν μια φωτοχημική αντίδραση δηλαδή άλλα σώματα αλλά αυτό δεν είναι επί του παρόντος
Εμάς μας ενδιαφέρει η δεύτερη και στη συνέχεια η πρώτη περίπτωση
ΠΟΙΕΣ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ
ΠΟΥ ΕΚΠΕΜΠΟΥΝ ΜΟΡΙΑ ΣΤΑ ΟΠΟΙΑ ΑΠΟΔΙΕΓΕΙΡΟΝΤΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ;
Το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο οποίο περιλαμβάνεται και το φάσμα του ορατού φωτός έχει πολλές συχνότητες που δεν τις βλεπουμε όλες, βλέπουμε μόνο ένα κομμάτι από αυτήν και αυτό το λέμε ορατό φως.
Όταν το φως που εκπέμπουν τα σώματα είναι στις συχνότητες (ή μήκος κύματος) του ορατού φωτός ,(δηλαδή από 660- 430 nm), τα οπτικά κυτταρα με τις ουσίες που έχουν (ροδοψίνη) ανταποκρίνανται, απορροφούν και έτσι βλέπουμε. Μπορει όμως να εκπέμπεται φως σε πιο μεγάλες ή πιο μικρές συχνότητες από αυτές που μπορουν να απορροφουν οι χρωστικές ουσίες στα οπτικά κύτταρα του ανθρώπου, και να μην βλέπουμε, να βλέπει όμως η γάτα ή η νυκτερίδα που έχει τα δικά της οπτικά κύτταρα και ουσίες που απορροφούν διαφορετικά.
Τώρα ας επανέλθουμε στα διεγερμένα ηλεκτρόνια ενός ατόμου ή μορίου. Όταν απορροφούν ενέργεια ανεβαίνουν στην επόμενη ενεργειακή κατάσταση και η ενέργεια που θα πάρουν κάθε φορά πρέπει να είναι η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο καταστάσεων Αυτό το λέμε κβάντο (πακέτο ενέργειας και η ύλη δεν απορροφά οποιοδήποτε ποσο, αλλά πάντα κβάντα -πακέτα ενέργειας όσης διαφοράς έχουν αρχική του στάθμη και η τελική. Εδώ θα τονίσουμε το
Παντα εν σοφία εποησε,
γιατί η ενέργεια κάθε μιας από αυτές τις στάθμες είναι αυστηρά καθορισμένη και δίνεται από σχετικά απλούς μαθηματικούς τύπους. Όλα είναι δηλαδή αυστηρά προκαθορισμένα.
Και πότε βλέπουμε;
Όταν αυτή η ενέργεια -που όπως απορροφάται έτσι και εκπέμπεται στη συνέχεια σαν ηλεκτρομαγνητικό κύμα- έχει μια συχνότητα μέσα στο οπτικό φάσμα
Σε αυτήν τη περιοχη είναι δυνατόν να επιρρεαστεί το οπτικό και γενικότερα το νευρικό σύστημα ώστε το αποτέλεσμα να είναι η οπτική αντίληψη του κόσμου από τους οργανισμούς. Ανάλογα βέβαια και με τον οργανισμό οι συχνότητες που έχει οπτική αντίληψη σχετικά διαφέρει από οργανισμό σε οργανισμό. Για τον άνθρωπο οι συχνότητες αυτές αποτελούν το φάσμα του ορατού. Εάν λοιπόν ο οφθαλμός δεχθεί ακτινοβολία συχνοτήτων που περιλαμβάνονται στο φασμα του ορατού τότε βλέπουμε. Ανάλογα με την περιοχή συχνοτήτων (άρα και μήκους κύματος) που περιλαμβάνει η κάθε ακτινοβολία αντιλαμβανόμαστε τα χρώματα (Πάνω)
Οι πιο πολλές ακτινοβολίες δεν είναι ορατες . Υπάρχουν τώρα κάποιες ουσίες που με ιδιαίτερες μοριακές δομές που, για να είναι πιο σταθερές δημιουργούν με κατάλληλη διευθέτηση των ηλεκτρονίων τους, νέες στάθμες Ενέργειας των μορίων τους. Αυτές οι στάθμες που βρίσκονται ανάμεσα στις βασικές στάθμες και οι ενεργειακές καταστάσες λέγονται καταστάσεις μεσομέρειας.
Έτσι όταν διεγείρονται υπάρχει μια ενδιάμεση ενεργειακή στάθμη, με λιγότερη διαφορά ενέργειας από την αμέσως επόμενη.
Ώστε όταν μεταπηδούν στην επόμενη στάθμη, η ενέργεια που απορροφούν αλλά και η ίδια που εκπέμπουν είναι λιγότερη. Δηλαδή ελαττώνεται η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δυο ενεργειακών στοιβάδων ορισμένων ηλεκτρονίων .
Κι επειδή η συχνότητα μιας ακτινοβολίας είναι ανάλογη με την ενέργειά της οι συχνότητες είναι μικρότερες κια πολλές φορές "πέφτουν " μέσα στο φάσμα του ορατού φωτός κοντά στο μπλε ή το κόκκινο ή το κίτρινο ή το πράσινο κι έτσι εμείς που το μάτι μας δέχεται αυτές τις συχνότητες τις κατάλληλες που θα διεγείρουν την ροδοψίνη (γιατί αυτό σημαίνει ορατό φως, αυτό κάνει το ορατό φως, μπορεί να απορροφηθεί από την ροδοψίνη και να της αλλάξει σχήμα Κ.λ.π.
Αυτή λοιπόν η διαδικασία (για να μην μπερδευόμαστε ) γίνεται δυο φορές Μια στο χρωματιστο αντικείμενο που απορροφά και εκπέμπει και μια στο αμφιβληστροειδή μας με την ροδοψίνη να απορροφά το εκπεμπόμενο φως και να αλλάζει σχήμα
Σε αυτήν τη περιοχη είναι δυνατόν να επιρρεαστεί το οπτικό και γενικότερα το νευρικό σύστημα ώστε το αποτέλεσμα να είναι η οπτική αντίληψη του κόσμου από τους οργανισμούς. Ανάλογα βέβαια και με τον οργανισμό οι συχνότητες που έχει οπτική αντίληψη σχετικά διαφέρει από οργανισμό σε οργανισμό. Για τον άνθρωπο οι συχνότητες αυτές αποτελούν το φάσμα του ορατού. Εάν λοιπόν ο οφθαλμός δεχθεί ακτινοβολία συχνοτήτων που περιλαμβάνονται στο φασμα του ορατού τότε βλέπουμε. Ανάλογα με την περιοχή συχνοτήτων (άρα και μήκους κύματος) που περιλαμβάνει η κάθε ακτινοβολία αντιλαμβανόμαστε τα χρώματα (Πάνω)
3. Έγχρωμες ενώσεις Ας δούμε τους χημικούς τύπους σε ορισμένες από αυτές
Σε πολλές έγχρωμες ενώσεις παρατηρούμε εναλλασσόμενους διπλούς απλους δεσμούς. Εδώ ευννοείται μια ενδιάμεση κατάσταση όπου οι διπλοί δεσμοι τα συγκεκριμένα SP τροχιακά όπως τα λένε διαχέονται σε όλο το μόριο και έτσι πετυχαίνεται μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας από αυτήν που φαίνεται (πάνω)
Στην πραγματικότητα τα ηλεκτρόνια των διπλών δεσμών περνάνε σε απειροστό χρόνο από τις ακραίες όπου είναι εντοπισμένα σε δυο διαρορετικές θέσεις στην ενδιάμεση των ανεντόπιστων τροχιακών της μεσομερούς κατάστασης που είναι και χαμηλότερης ενέργειας. Απορροφόντας και εκπέμποντας ακτινοβολία χαμηλότερης συχνότητας, τέτοιας που περιλαμβάνεται σε ένα μικρό κομμάτι από το φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών συχνοτήτων.
Αυτό γίνεται εντονότερο όταν σε αυτά τα μόρια συνδεθούν ορισμένες αυξόχρωμες ομάδες όπως - NH2 Τότε με τα ηλεκτρόνια των διπλών δεσμών συνεργάζονται και αδέσμευτα ηλεκτρόνια της αυξόχρωμης ομάδας ή ασύζευκτο ζεύγος και το φαίνόμενο και το χρώμα γίνονται πιο έντονο (πάνω)
Συνοψίζοντας...
Η κατάσταση από την ηρεμία στη διεγερση απαιτεί μιας ορισμένης συχνότητας ακτινοβολία. Αντίστοιχα και η εκπομπή φωτός για να "απελευθερωθεί" το μόριο από την επιπλέον ενέργεια εκπέμπει ενέργεια πάλι ορισμένης συχνότητας
Η ενέργεια που εκπέμπεται κάθε φορά είναι ίση με την διαφορά της ενέργειας που έχει το κάθε ηλεκτρόνιο που διεγείρεται στις δυο στάθμες της ενέργειάς του την κανονική και την διεγερμένη
Οι εναλλασσόμενοι απλοί και διπλοί δεσμοι , καθώς και καποιες άλλες ομάδες που τις λέμε αυξοχρωματικές
βοηθάνε στο να έχουν συγκεκριμένα χρώματα ορισμένες ουσίες.
Το άρθρο διορθώθηκε και συμπληρώθηκε στις 16-8-2017
Δήμητρα Σπανού
Στην συγγραφή αυτού του άρθρου βοήθησαν τα βιβλία Φυσική και Χημεία των Χρωμάτων (ΑργυρίουΙ, Βαρελλά Ε), Στοιχεία φωτοχημείας και φωτοχημική αναπαραγωγή (Παπαλόπουλος Χ.), Ηλεκτρονική Χημεία (Σ. Αντωνόπουλου) τα σχολικά βιβλία του ΟΕΔΒ και δημοσιέυματα του διαδικτύου
.