3.4 Lichtabsorption
Was geschieht, wenn ein Atom Licht absorbiert? Denken wir uns dazu ein einfaches Wasserstoffatom. Das Elektron kreist - zumindest nach dem Schalenmodell - auf einer kugelförmigen Schale um den Atomkern, der im Falle des Wasserstoffs nur aus einem einzigen Proton besteht. Auf dem ersten Bild sieht man ein Wasserstoffatom . Das Elektron (blau) befindet sich auf der innersten Elektronenschale , der K-Schale, und kreist mit hoher Geschwindigkeit um den Atomkern (rot). Die Anziehungskraft zwischen Elektron und Atomkern ist relativ hoch, und man muß sehr viel Energie aufwenden, um das Elektron aus dem Atom zu entfernen, so daß ein positives Ion entsteht. Das Redoxpotential ist also recht positiv.   Hier kommt ein Lichtstrahl an. Diese Ausdrucksweise ist leider etwas ungenau. Die kleinste Einheit des Lichtes heißt Photon oder Quant . Man muß sich darunter so etwas wie ein "Lichtteilchen" vorstellen. Ein Photon ist praktisch das "kleinste Teilchen" des Lichts und zeichnet sich durch einen bestimmten Energiebetrag aus, der wiederum von der Wellenlänge des Photons abhängt. Ein rotes Photon hat weniger Energie als z.B. ein blaues Photon. Die vom Photon übertragene Energie wird jetzt vom Elektron aufgenommen, da grundsätzlich keine Energie verloren gehen kann (Energieerhaltungssatz).   Das Elektron hat nun die Energie des absorbierten Photons aufgenommen. Dadurch erhöht sich seine eigene Energie. Es kann sich schneller um den Atomkern bewegen. Bisher hatte ein Gleichgewicht zwischen der vom Atomkern verursachten Anziehungskraft und die von der Eigenbewegung des Elektrons verursachten Zentrifugalkraft bestanden, mit der Folge, daß sich das Elektron auf einer konstanten Kreisbahn um den Kern bewegte. Nun hat das Elektron eine höhere Geschwindigkeit und entfernt sich damit vom Atomkern. Man sagt auch, das Elektron befindet sich auf einem höheren Energieniveau . Auf jeden Fall ist jetzt die Anziehungskraft zwischen Kern und Elektron geringer geworden, und das Elektron kann leichter aus dem Atom entfernt werden. Das Redoxpotential ist damit negativer geworden, denn ein derart angeregtes Wasserstoffatom gibt das Elektron natürlich leichter ab als ein Wasserstoffatom, dessen Elektron sich im Grundzustand befindet.   Wie sieht diese Lichtabsorption beim Chlorophyll aus? Wie wir bereits vorher festgestellt haben, absorbiert Chlorophyll vorzugsweise rotes und blaues Licht (siehe Photosynthesefaktor Licht). Wir können nun ein einfaches Modell entwickeln, das einerseits diese Tatsache erklärt, und uns andererseits erklärt, wieso das Redoxpotential von Chlorophyll nach Lichtabsorption so stark negativ wird. Chlorophyll, welches nicht belichtet wird, befindet sich in einem energetischen Grundzustand. Diesen können wir schematisch durch eine waagerechte Linie in einem Diagramm kennzeichnen. Zustände höherer Energie werden ebenfalls durch Linien gekennzeichnet, die allerdings höher liegen. Auf dem ersten Bild sieht man das sogenannte Termschema des Chlorophylls. Zwei Elektronen befinden sich im Grundzustand, also auf dem niedrigsten Energieniveau. Durch Absorption eines roten Photons kann eines der Elektronen so stark aktiviert werden, daß es in den ersten angeregten Zustand befördert wird. Hier ist es energiereicher als im Grundzustand und kann auch leichter abgegeben werden. Aus diesem Grund steigt das Redoxpotential des Chlorophylls stark an. Denn das Redoxpotential ist ja nichts anderes als ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Elektronen abzugeben. Durch Absorption eines blauen Photons kann eines der Elektronen noch stärker aktiviert werden, so daß es sogar den Sprung auf das zweite angeregte Energieniveau schafft. Dieser stark energiereiche Zustand ist allerdings sehr instabil und bringt der Pflanze photochemisch keinen Vorteil. Erst wenn das Elektron vom 2. angeregten Zustand in den 1. angeregten Zustand zurückfällt (und dabei Energie abgibt), wird das absorbierte blaue Licht photochemisch nutzbar. Das Elektron kann jetzt leicht an andere Stoffe abgegeben werden, das Redoxpotential des Chlorophylls ist stark negativ. Jetzt müßte eigentlich klar sein, wieso durch Absorption von rotem und blauen Licht das Redoxpotential von Chlorophyll derart stark ansteigen kann. Es müßte auch klar sein, warum blaues Licht der Pflanze keinen Vorteil gegenüber rotem Licht bringt.   Warum bringt blaues Licht der Pflanze keinen Vorteil gegenüber rotem Licht, wo doch blaues Licht wesentlich energiereicher ist? Also nochmal: die Elektronen des Chlorophylls können dann leicht an andere Stoffe abgegeben werden, wenn sie sich im sogenannten 1. angeregten Singulettzustand befinden. In diesen Zustand gelangen die Elektronen durch Absorption von Rotlicht. Durch Blaulicht können die Elektronen zwar in den energiereicheren 2. angeregten Singulettzustand gelangen, dieser ist aber für die Photosynthese nicht direkt verwertbar (vielleicht hilft die Vorstellung, daß die Elektronen in diesem Zustand "zu viel Energie" für eine vernünftige Reaktion haben). Erst wenn die Elektronen vom 2. Singulettzustand in den 1. Singulettzustand "zurückfallen", können sie photochemisch ausgenutzt werden. Darum bringt die Absorption von Blaulicht der Pflanze keinen direkten Vorteil. Fehlt natürlich der Rotanteil im Licht, so ist es ganz günstig, wenn auch Blaulicht verwertet werden kann.   Ich möchte noch mehr über die Lichtabsorption des Chlorophylls wissen! Das ist ja echt toll, dass Sie noch mehr über die Lichtabsorption des Chlorophylls wissen wollen. Wie war doch noch mal Ihr Name? Ich schreibe mir gleich einen Pluspunkt für diese Frage in mein Notenbuch. Das Chlorophyll a hat ein Absorptionsmaximum bei 430 nm (blaues Licht) und eines bei 660 nm (hellrotes Licht). Natürlich hängt das Absorptionsmittel des Chlorophyllextrakts vom Lösungsmittel und anderen Faktoren ab, aber bei den meisten Lösungsmittel liegt der Bereich der Rotabsorption zwischen 660 und 675 nm. Ein einziges Chlorophyllmolekül absorbiert bei normalen Lichtbedingungen ca. 45 Photonen pro Sekunde. Energieniveaus des Chlorophylls Das höchste Energieniveau ist der zweite Singulettzustand S2, der bei 430 nm angeregt wird. In der extrem kurzen Zeit von 10-12 Sekunden fallen die angeregten Elektronen vom zweiten auf den ersten Singulettzustand S1 zurück. Durch Absorption von Rotlicht gelangen die Elektronen vom Grundzustand direkt in den S1-Zustand. Die Lebensdauer dieses Zustandes beträgt etwa 5 * 10-9 Sekunden. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 33% fallen die Elektronen von S1 in den Grundzustand S0 zurück. Mit 67% Wahrscheinlichkeit dagegen fallen die Elektronen in einen energetisch geringfügig niedrigeren Triplettzustand T. Dieser Triplettzustand kann nicht durch direkte Absorption erreicht werden, sondern nur durch "Zurückfallen" von S1-Elektronen. Energieabgabe beim "Zurückfallen" Wenn ein Elektron von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres zurückfällt, so wird dabei ein gewisser Energiebetrag frei. Die freigesetzte Energie kann grundsätzlich in Form von Wärme, Licht oder anderer Strahlung abgegeben werden. Aber auch sogenannte "strahlungslose" Energieübergänge sind möglich, wie folgende Abbildung zeigt. Die Fluoreszenz des Chlorophylls, die unter natürlichen Bedingungen vorkommt, setzt dann ein, wenn ein Elektron vom S1 in den S0 - Zustand zurückfällt. Bei dieser Fluoreszenz wird dunkelrotes Licht abgegeben. Dieses Phänomen kann man gut beobachten, wenn man eine Chlorophyll-Lösung mit Licht durchstrahlt. Die T-S-Fluoreszenz kann nur unter künstlichen Bedingungen im Labor erzielt werden. Sie setzt dann ein, wenn ein Elektron vom T-Zustand in den S0-Zustand zurückfällt. Viel interessanter für die Photosynthese sind jedoch die strahlungslosen Energieübergänge. Sie ermöglichen einen Energietransfer von einem Chlorophyllmolekül zum nächsten. Einzelheiten dazu siehe jedoch Extrakarte "Lichtsammelkomplexe".
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