吸收过程

分子的能量可以认为是部分转动的，部分振动的和部分电子的。一个分子只能有一系列离散的能量值中的一个。分子电子能变化所对应的能量增量较大，振动能变化所对应的能量增量中等大小，旋转能变化所对应的能量增量较小。图3.1图示了这一点。当分子在液体或气体状态下相互碰撞，或在固体状态下相互接触时，分子之间会发生旋转或振动能量的转移，并伴随着每个分子内从一个旋转或振动能级到另一个旋转或振动能级的跃迁。

分子既可以从辐射中获得能量，也可以从其他分子中获得能量。当光子通过一个分子附近时，它被该分子捕获的概率是有限的，即被吸收。如果光子被捕获，那么分子的能量必须增加与光子的能量相应的量。如果光子是长波长(>20 mm)，在光谱的远红外/微波区域，则其能量较低，其吸收只能引起分子能量从一个旋转能级到另一个旋转能级的跃迁。如果光子在

图3.1光子的吸收将电子从基态提升到两种可能的激发单线态之一，这取决于光子的波长(因此是能量)。波长11和12分别在一个单独的吸收带在吸收光谱分子的(12 > 11)

图3.1光子的吸收将电子从基态提升到两种可能的激发单线态之一，这取决于光子的波长(因此是能量)。波长11和12在分子的吸收光谱(12 > 11)中分别处于单独的吸收波段。

红外区域(<20 mm)，则其吸收将引起从一个振动水平到另一个振动水平的转变。

光谱中可见光/光合作用部分的光子有足够的能量，当它们被吸收时，从一个电子能级(通常是基态)转变到另一个电子能级。第一个事件光吸收因此，水生介质是指介质中的某些分子捕获光子，同时该分子中的电子从基态跃迁到激发态。

在一个复杂的分子，如叶绿素或任何其他光合色素，通常有不止一个可能的电子能量跃迁可以发生。例如，在图3.1中，激发可以发生到电子能级I或能级II:更准确地说，激发将发生到属于给定电子能级的许多振动/旋转能级之一。任何给定的电子跃迁都优先被光激发，每个光子的能量与跃迁所需的能量相对应。叶绿素，我们稍后将看到，有两个主要的吸收带，在红色和蓝色区域光谱。吸收对蓝色光子的吸收导致跃迁到比吸收红色光子高得多的电子能级。由于振动/旋转态的多样性，这两个电子能量态仍然重叠:即较低电子态的最高振动/旋转能级可以具有与较低电子态的最低能级相同的能量(图3.1)。因此，在吸收蓝色光子之后，立即有一系列非常快速的向下跃迁，通过各种旋转/振动能级(与旋转/振动能量的小增加转移到相邻分子有关)，直到达到较低的电子能态(称为最低激发单线态)。

在光合作用中使用的是处于最低激发单态的能量，这是因为一个激发的叶绿素分子通常以这种状态结束，所有被吸收的可见量子都是等效的，即一个红色量子，甚至一个绿色量子，如果它成功地被吸收，带来的光合作用与一个蓝色量子一样多。这也是为什么在初级生产中，用量子“2s”表示辐照度比用量子“Wm”2更有意义的原因。

水生介质中的吸光分子不是光合系统的一部分，因此不能将它们的能量转移到反应中心用于光合作用，通过与顺磁分子(如氧)的相互作用，很可能从最低激发的单线态转变为相应的三重态。在单线态下，分子中每对电子的两个成员都有相反的自旋(+ %和-%)，因此合成的自旋为零;在三态下，分子中每对电子的两个成员有相同的自旋，因此合成的自旋为1。激发态的三态处于较低的能级，也比激发态的单态寿命长得多，激发态分子的平均寿命为10"5至10" 4秒，而后者为10"9至10"8秒。最终，通过与顺磁分子(如氧)的相互作用，激发态分子通过自旋反转回到单线态，通过与周围分子的振动/旋转相互作用，它经历了向下转变到基态的较高振动水平之一。这样，电子能量就以热能的形式消散了。

激发能量，无论是在光合系统中还是在光合系统外的分子中，都可以通过重新发射辐射而损失掉。一个电子激发的分子，在经历无辐射跃迁到最低激发单线态的最低水平后，可以通过重新发射光子来经历跃迁到基态的振动/旋转水平之一。这种现象被称为荧光。在活的、进行光合作用的藻类细胞中，只有非常小的比例，约1%吸收光就这样失去了。大部分吸收的能量，无论是最初被叶绿素捕获，类胡萝卜素还是胆蛋白质，通过感应共振转移到反应中心，在那里它被用来引起生化变化(见第8章)。如果光合作用被抑制，比如用二氯苯甲基脲(DCMU)，那么荧光增加到吸收光的3%左右。非-光合、光水生介质的-吸收材料也可以将其吸收的部分能量作为荧光重新发射，但荧光收率(发射的量子/吸收的量子)仍然很低:大多数被激发的分子都转化为三重态(见上文)，并从三重态转化为基态才能发射光子。

这样，大部分光能就被光能吸收了水生生态系统在作为电子激发能存在很短的一段时间后，它要么以热(分布在系统中所有分子中的振动/旋转能)的形式结束，要么以光合作用产生生物质的形式作为化学能。只有一小部分被荧光再次转化为光，即使是这些光，在从系统中逸出之前，大部分都被重新吸收了。

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