Chimica-Fisica Biologica.

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1 Chimica-Fisica Biologica

2 SPETTROSCOPIA Spettro elettromagnetico Radiazioni elettromagnetiche (r.e.m) Modello classico e quantistico Assorbimento di r.e.m Emissione di r.e.m. Spettroscopia di assorbimento Spettroscopia di emissione

3 Il BIOLOGO MOLECOLARE studia negli organismi viventi i meccanismi molecolari fisiologici e patologici, concentrandosi in particolare sulla struttura e sulle interazioni tra le macromolecole. analizza le funzioni che DNA, RNA, e proteine svolgono all'interno della cellula e dell'organismo ed i contenuti di informazione dei genomi. valuta la relazione tra struttura e funzione delle macromolecole; studia gli effetti provocati, nella cellula e nell organismo, da alterazioni strutturali e funzionali di DNA, RNA e proteine, accidentali o progettate. Come è possibile osservare ciò che accade a livello molecolare?

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7 Spettroscopia Studia le proprietà della materia attraverso l interazione con diverse componenti dello spettro elettromagnetico Permette di estrarre informazioni di varia natura quali: energia degli stati rotazionali, vibrazionali o elettronici, struttura e simmetria delle molecole, proprietà dinamiche,..e molto di più

8 Spettroscopia Quando una radiazione elettromagnetica attraversa la materia vi è sempre una interazione; la natura di questa interazione può variare da un caso all altro. Riflessione: si verifica quando la luce incontra una superficie lucida, per esempio uno specchio. Il raggio che proviene dall'oggetto, (chiamato raggio incidente), e il raggio che ritorna dalla superficie lucida (chiamato raggio riflesso), formano angoli uguali con la superficie riflettente.

9 Spettroscopia Quando una radiazione elettromagnetica attraversa la materia vi è sempre una interazione; la natura di questa interazione può variare da un caso all altro. cannucce Rifrazione: È un fenomeno dovuto alla diversa velocità della luce in mezzi diversi: il passaggio da un mezzo a bassa densità come l'aria a un mezzo a densità elevata come l'acqua ne riduce la velocità e ne causa la deviazione (eccetto nel caso in cui entri perpendicolarmente alla superficie del mezzo).

10 Spettroscopia Quando una radiazione elettromagnetica attraversa la materia vi è sempre una interazione; la natura di questa interazione può variare da un caso all altro. La radiazione trasmessa può: assumere diverse direzioni di propagazione (riflessione, rifrazione) vibrare su un piano diverso (polarizzazione), viaggiare con velocità minore, essere meno intensa di quella incidente (assorbimento).

11 Spettroscopia

12 Radiazione Elettromagnetica

13 Radiazione Elettromagnetica Dispersione e rifrazione della luce solare contro le pareti delle gocce.

14 Radiazione Elettromagnetica Che cosa è la radiazione elettromagnetica? una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio ad altissima velocità. Modello classico ad onda sinusoidale La radiazione elettromagnetica è composta da onde elettromagnetiche, consistenti, cioè, nell'oscillazione concertata di un campo elettrico e di un campo magnetico. Queste onde si propagano in direzione ortogonale a quella di oscillazione

15 Radiazione Elettromagnetica Le onde elettromagnetiche sono definite da alcuni parametri quali: lunghezza ampiezza frequenza velocità di propagazione energia intensità

16 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde l= lunghezza d onda l

17 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde l= lunghezza d onda Nel SI l unita di misura e il metro (m). Per lunghezze d onda corte si usano i prefissi: p pico n 10-9 nano μ 10-6 micro m 10-3 milli c 10-2 centi l Si usa anche l Angström (Å) che corrisponde a m.

18 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde l= lunghezza d onda

19 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde n = frequenza Nel SI l unita di misura e l Hertz (Hz, ha le dimensioni di s -1 ). Corrisponde al numero di cicli al secondo. Si usano i prefissi: M 10 6 mega G 10 9 giga T tera P peta E exa

20 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde c=velocità c=l n=2,9979*10 8 m/s

21 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde E=energia E=hn h=6,62618*10-34 J s Costante di Planck la quantità di energia trasportata per unità di tempo e di superficie ortogonale alla direzione di propagazione. Intensità (legata all ampiezza dell onda) Joule su metri quadrati al secondo (J/(m 2 s)).

22 Effetto fotoelettrico Nel tardo 800 i risultati di alcuni esperimenti indicavano che, quando la luce ultravioletta colpiva una lastra di zinco carica negativamente, questa si scaricava. In altre parole un certo numero di elettroni venivano emessi dalla piastra. UV Lastra di zinco Ciò accadeva solo con luce ultravioletta Con raggi di luce di frequenza più piccola (lunghezza d'onda più lunga) il fenomeno non si verificava. Altri esperimenti vennero effettuati e si dimostrò che per materiali diversi dallo zinco erano altre le frequenze a permettere l'emissione di elettroni.

23 Radiazione Elettromagnetica Nell'ambito della fisica classica i risultati sperimentali potevano essere spiegati con l'idea che: quando le onde luminose colpivano gli elettroni, questi si sarebbero messi a vibrare fino a quando non avessero raggiunta l'energia sufficiente per essere emessi dalla piastra. Tuttavia ci sono dei punti deboli in questa spiegazione. L'energia dell'elettrone emesso non dipende dall'intensità della luce. Per una data sostanza, nessun elettrone viene emesso sotto una certa frequenza. Al di sopra della frequenza critica, gli elettroni vengono emessi con una energia che cresce proporzionatamente alla frequenza del raggio luminoso.

24 Radiazione Elettromagnetica 1905: Albert Einstein, sempre nel tentativo di spiegare il modo in cui radiazione e materia interagiscono tra loro, suppose che la radiazione stessa fosse composta da quanti (fotoni), ovvero da "pacchetti" di energia, con energia E pari a hn

25 Radiazione Elettromagnetica 1905: Albert Einstein, sempre nel tentativo di spiegare il modo in cui radiazione e materia interagiscono tra loro, suppose che la radiazione stessa fosse composta da quanti (fotoni), ovvero da "pacchetti" di energia, con energia E pari a hn Questa ipotesi spiega i risultati ottenuti sperimentalmente. Appena un fotone con sufficiente energia colpisce un elettrone, l'elettrone l'assorbe ed acquisisce una energia sufficiente a liberarsi dei suoi legami atomici. La quantità minima di energia necessaria a causare ciò corrisponde direttamente alla frequenza critica menzionata sopra. E quando il fotone ha maggior energia rispetto a quella richiesta, quella energia in più viene convertita in energia cinetica L intensità di una radiazione elettromagnetica dipende: dal numero di fotoni che attraversa in un secondo una superficie perpendicolare al flusso di fotoni dall energia del fotone.

26 Radiazione Elettromagnetica 1923: Un terzo tipo di interazione tra la radiazione e la materia venne descritto in maniera semplice e soddisfacente da Arthur Holly Compton, il quale riprese l'idea di Einstein che la luce fosse costituita da particelle dotate di energia e impulso. Quest'ultima era la prova definitiva che convinse la comunità scientifica circa la NATURA CORPUSCOLARE DELLA LUCE.

27 Radiazione Elettromagnetica Emerse quindi un nuovo modello del campo elettromagnetico, descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA: la luce, accanto alle proprietà ondulatorie classiche, in determinate condizioni, manifesta anche proprietà corpuscolari. Questi "quanti di luce" di cui è composta la radiazione elettromagnetica sono detti fotoni

28 Radiazione Elettromagnetica Che cosa è la radiazione elettromagnetica? una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio ad altissima velocità. Modello corpuscolare la radiazione è descritta come un flusso di particelle discrete, o pacchetti d onde, chiamati fotoni. Da una parte, i fotoni hanno caratteristiche simili a quella di un onda (es. hanno una frequenza e danno fenomeni di interferenza), dall altra hanno proprietà simili a quella di una particella. L energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione elettromagnetica a cui appartiene: E=hn

29 Radiazione Elettromagnetica Modello corpuscolare la radiazione è descritta come un flusso di particelle discrete, o pacchetti d onde, chiamati fotoni. Da una parte, i fotoni hanno caratteristiche simili a quella di un onda (es. hanno una frequenza e danno fenomeni di interferenza), dall altra hanno proprietà simili a quella di una particella. L energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione elettromagnetica a cui appartiene: E=hn

30 Quantizzazione di Energia Base comune di tutte le forme di spettroscopia è il concetto di transizione: il passaggio di un atomo o molecola da uno stato energetico ad un altro. L interazione tra energia radiante e materia segue differenti meccanismi a seconda della radiazione impiegata

31 Quantizzazione di Energia L energia interna delle molecole è quantizzata (sono permessi solo valori finiti) e l energia di ogni molecola poliatomica deriva da diversi contributi : E tot = E tras + E rot + E vib +E ele + E elv + E n E tras = Energia traslazionale dovuta al movimento dovuta al movimento traslazionale della molecola della molecola E rot = Energia rotazionale dovuta al movimento di rotazione della molecola E vib = Energia vibrazionale dovuta alle vibrazioni cui sono soggetti gli atomi della molecola E ele = Energia dovuta agli elettroni di non legame (interni) E elv = Energia dovuta agli elettroni di valenza E n = Energia nucleare legata all energia delle particelle che compongono il nucleo

32 Quantizzazione di Energia ROTAZIONALE in virtù della rotazione intorno al suo centro di massa VIBRAZIONALE per gli spostamenti periodici degli atomi dalla loro posizione di equilibrio, ELETTRONICA poiché gli elettroni intorno all atomo o quelli di legame sono in continuo movimento. Ognuno dei termini energetici ha valori quantizzati e compresi in un intervallo di valori di energia paragonabile alle energie delle differenti zone dello spettro elettromagnetico.

33 Quantizzazione di Energia Primo livello elettronico eccitato DE 1 DE 1 >DE 2 >DE 3 Livello elettronico fondamentale DE 2 DE 3 Livelli rotazionali Livelli vibrazionali

34 Eccitazione e Rilassamento Primo livello elettronico eccitato e - Eccitazione assorbimento e - Livello elettronico fondamentale

35 Eccitazione e Rilassamento Rilassamento non radioattivo: Primo livello elettronico l energia viene trasferita mediante piccole collisioni alle molecole circondanti, eccitato ma senza emissione di fotoni. C è un piccolo aumento di temperatura nel mezzo. Rilassamento radioattivo (EMISSIONE): l energia viene trasferita mediante emissione di fotoni. Si può raggiungere uno stato intermedio di decadimento termico e riemissione di una radiazione con frequenza minore della radiazione che provoca l eccitazione, si parla in questo caso di fluorescenza e di fosforescenza. In alcuni casi, l energia elettromagnetica assorbita è rilassata interamente in forma di radiazione con frequenza diversa, si ha allora la diffusione per effetto Raman. Rilassamento emissione

36 Spettroscopia Spettroscopia di assorbimento studia l assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte di atomi e molecule.

37 Spettroscopia Spettroscopia di emissione studia l emissione di radiazione elettromagnetica da parte di atomi e molecole.

38 Spettroscopia Tanto la spettroscopia di emissione quanto quella di assorbimento forniscono identica informazione circa gli intervalli che separano i livelli energetici; la scelta di una tecnica rispetto ad un altra poggia su considerazione di ordine pratico.

39 Spettroscopia

40 Spettro d Assorbimento Asse X Asse Y: l assorbimento