التفكك الضوئي

التفكك الضوئي ، أو التحلل الضوئي ، أو التفتت الضوئي ، هو تفاعل كيميائي تتفكك فيه جزيئات المركب الكيميائي عن طريق امتصاص الضوء ( الفوتونات ). ويُعرَّف بأنه تفاعل فوتون واحد أو أكثر مع جزيء مستهدف واحد، مما يؤدي إلى تفككه إلى جزأين. ^{[ 1 ]}

يُعرَّف "الضوء" هنا تعريفًا واسعًا بأنه الإشعاع الذي يغطي نطاقات الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV) والأشعة فوق البنفسجية (UV) والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء (IR) من الطيف الكهرومغناطيسي . لكسر الروابط التساهمية ، عادةً ما تكون طاقات الفوتونات المقابلة للضوء المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة فوق البنفسجية الفراغية مطلوبة، في حين أن فوتونات الأشعة تحت الحمراء قد تكون ذات طاقة كافية لفصل الروابط من المركبات التناسقية أو لتفكيك المركبات فوق الجزيئية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

الأحماض الضوئية هي جزيئات تخضع عند امتصاص الضوء لانتقال البروتون لتشكيل القاعدة الضوئية.

${\displaystyle {\ce {AH ->[h\nu] A^- + H^+}}}$

في هذه التفاعلات، يحدث التفكك في الحالة الإلكترونية المثارة. بعد انتقال البروتون واسترخاءه إلى الحالة الإلكترونية الأرضية، يتحد البروتون والحمض مرة أخرى لتكوين الحمض الضوئي .

تُعد الأحماض الضوئية مصدراً مناسباً لإحداث قفزات في الرقم الهيدروجيني في تجارب التحليل الطيفي بالليزر فائق السرعة .

يحدث التحلل الضوئي في الغلاف الجوي كجزء من سلسلة من التفاعلات التي تتفاعل من خلالها الملوثات الأولية مثل الهيدروكربونات وأكاسيد النيتروجين لتكوين ملوثات ثانوية مثل نترات البيروكسي أسيل . انظر الضباب الدخاني الكيميائي الضوئي .

أولًا ، أهم تفاعلين للتفكك الضوئي في طبقة التروبوسفير هما:

${\displaystyle {\ce {O3}}+h\nu \longrightarrow {\ce {O2 + O(^1D)}}\quad \lambda <320{\text{ nm}}}$

مما يؤدي إلى توليد ذرة أكسجين مثارة يمكنها التفاعل مع الماء لإنتاج جذر الهيدروكسيل :

${\displaystyle {\ce {O(^1D) + H2O -> 2 ^{*}OH}}}$

يُعد جذر الهيدروكسيل عنصراً أساسياً في كيمياء الغلاف الجوي لأنه يبدأ أكسدة الهيدروكربونات في الغلاف الجوي، وبالتالي يعمل كمنظف .

ثانياً، رد الفعل:

${\displaystyle {\ce {NO2}}+h\nu \longrightarrow {\ce {NO + O}}}$

^{[ 4 ]} وهو تفاعل رئيسي في تكوين الأوزون التروبوسفيري .

يُعزى تكوّن طبقة الأوزون أيضاً إلى التفكك الضوئي. يتكوّن الأوزون في طبقة الستراتوسفير للأرض _{عندما تصطدم الأشعة فوق البنفسجية بجزيئات الأكسجين التي تحتوي على} ذرتين ( O₂ )، فتُفكّكها إلى ذرات أكسجين منفردة (أكسجين ذري). ثم يتحد الأكسجين الذري مع O₂ غير المتفكك لتكوين الأوزون ، O₃ . ^[ ₅ ^] إضافةً إلى ذلك، يُعدّ التحلل الضوئي العملية التي تتفكك بها مركبات الكلوروفلوروكربون في طبقات الجو العليا لتكوين جذور الكلور الحرة ^التي تُدمّر الأوزون . ^{[ 6 ]}

في الفيزياء الفلكية ، يُعدّ التفكك الضوئي أحد العمليات الرئيسية التي تتفكك من خلالها الجزيئات (مع تكوّن جزيئات جديدة). ونظرًا لفراغ الوسط بين النجوم ، يمكن للجزيئات والجذور الحرة أن تبقى لفترات طويلة. ويُعتبر التفكك الضوئي المسار الرئيسي لتفكك الجزيئات. وتُعدّ معدلات التفكك الضوئي مهمة في دراسة تركيب السحب بين النجوم التي تتشكل فيها النجوم .

أمثلة على التفكك الضوئي في الوسط بين النجوم هي (حيث hν هي طاقة فوتون واحد بتردد ν ):

${\displaystyle {\ce {H2O ->[h\nu] H + OH}}}$

${\displaystyle {\ce {CH4 ->[h\nu] CH3 + H}}}$

ترصد الأقمار الصناعية المدارية حاليًا ما معدله انفجار واحد لأشعة غاما يوميًا. ^{[ 7 ]} ونظرًا لأن انفجارات أشعة غاما مرئية من مسافات تشمل معظم الكون المرئي ، وهو حجم يضم مليارات المجرات، فإن هذا يشير إلى أن انفجارات أشعة غاما أحداث نادرة للغاية في كل مجرة. ^{[ 8 ]}

يُعدّ قياس المعدل الدقيق لانفجارات أشعة غاما أمرًا صعبًا، ولكن بالنسبة لمجرة بحجم مجرة ​​درب التبانة تقريبًا ، فإن المعدل المتوقع (للانفجارات الطويلة) يبلغ انفجارًا واحدًا كل 100,000 إلى 1,000,000 سنة. ^{[ 8 ]} نسبة ضئيلة فقط من هذه الانفجارات ستتجه نحو الأرض. أما تقديرات معدلات الانفجارات القصيرة فهي أقل دقة بسبب عدم معرفة نسبة هذه الانفجارات المتجهة نحو الأرض، ولكنها على الأرجح متقاربة. ^{[ 9 ]}

قد يكون لانفجار أشعة غاما في مجرة ​​درب التبانة، إذا كان قريبًا بما يكفي من الأرض وموجهًا نحوها، تأثيرات كبيرة على الغلاف الحيوي . إذ أن امتصاص الإشعاع في الغلاف الجوي سيؤدي إلى تفكك النيتروجين ضوئيًا ، مما ينتج عنه أكسيد النيتريك الذي سيعمل كمحفز لتدمير الأوزون . ^{[ 10 ]}

التفكك الضوئي في الغلاف الجوي

• ${\displaystyle {\ce {N2 -> 2N}}}$
• ${\displaystyle {\ce {O2 -> 2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {CO2 -> C + 2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {H2O -> 2H + O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {2NH3 -> 3H2 + N2}}}$

سيؤدي ذلك إلى

• _ثاني أكسيد النيتروجين (يستهلك ما يصل إلى 400 جزيء من الأوزون )
• الفصل ₂ (اسمي)
• الفصل ₄ (اسمي)
• _ثاني أكسيد الكربون

(غير مكتمل)

بحسب دراسة أجريت عام ٢٠٠٤، فإن انفجار أشعة غاما على مسافة كيلوبارسيك تقريبًا قد يدمر ما يصل إلى نصف طبقة الأوزون للأرض ؛ وقد يكون للإشعاع فوق البنفسجي المباشر الناتج عن الانفجار، بالإضافة إلى الإشعاع الشمسي فوق البنفسجي الإضافي الذي يمر عبر طبقة الأوزون المتضائلة، تأثيرات بالغة على السلسلة الغذائية ، وربما يؤدي إلى انقراض جماعي. ^{[ ١١ ] [ ١٢ ]} ويقدر الباحثون أن انفجارًا واحدًا من هذا النوع يُتوقع حدوثه كل مليار سنة، ويفترضون أن انقراض العصر الأوردوفيسي-السيلوري ربما كان نتيجةً لانفجار مماثل.

توجد دلائل قوية على أن انفجارات أشعة غاما الطويلة تحدث بشكل تفضيلي أو حصري في مناطق ذات نسبة منخفضة من المعادن. ولأن مجرة ​​درب التبانة غنية بالمعادن منذ ما قبل تكوّن الأرض، فقد يقلل هذا التأثير، أو حتى ينفي، احتمال حدوث انفجار أشعة غاما طويل داخل مجرة ​​درب التبانة خلال المليار سنة الماضية. ^{[ 13 ]} لا توجد تحيزات مماثلة في نسبة المعادن معروفة لانفجارات أشعة غاما القصيرة. وبالتالي، وبناءً على معدلها المحلي وخصائص توجيهها، قد يظل احتمال أن يكون لحدث قريب تأثير كبير على الأرض في مرحلة ما من الزمن الجيولوجي قائمًا. ^{[ 14 ]}

لا تمتلك الفوتونات المفردة في نطاق الأشعة تحت الحمراء عادةً طاقة كافية للتفكك الضوئي المباشر للجزيئات. مع ذلك، بعد امتصاص فوتونات متعددة من الأشعة تحت الحمراء، قد يكتسب الجزيء طاقة داخلية تمكنه من التغلب على حاجز التفكك. يمكن تحقيق التفكك متعدد الفوتونات (MPD) باستخدام أشعة تحت حمراء، وذلك بتطبيق ليزرات عالية الطاقة، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون أو ليزر الإلكترون الحر ، أو من خلال فترات تفاعل طويلة للجزيء مع مجال الإشعاع دون إمكانية التبريد السريع، كما في حالة التصادمات. تتيح الطريقة الأخيرة حتى التفكك متعدد الفوتونات الناتج عن إشعاع الجسم الأسود ، وهي تقنية تُسمى التفكك الإشعاعي بالأشعة تحت الحمراء للجسم الأسود (BIRD).

• التحليل الضوئي الوميضي
• التحفيز الضوئي
• الكيمياء الضوئية
• الهيدروجين الضوئي
• التماسك الكمي في عملية التمثيل الضوئي