「電磁波の波長が異なることで、浴びた物質に与える影響の違い」物理学なの

質問

「電磁波の波長が異なることで、浴びた物質に与える影響の違い」物理学なのかな…

タイトルの通り「影響の違い」を少し掘り下げて知りたいです。

紫外線は化学反応（オゾンの形成や蛋白質の変性等）を起こしやすく、
赤外線は主に熱エネルギーとして作用する。
というような文章を読んだことがあります。

電磁波の波長が異なればなぜ作用が異なるのでしょうか。
仮に人間が太陽光を無防備に浴びれば紫外線の影響で表皮細胞のDNAに異常が発生する
同時に赤外線によって暖かさを感じる。と解釈しています。

赤外線がDNAを変性させたり、紫外線が熱を生まないのはなぜなんでしょうか。

掘り下げるというより基本の確認かもしれませんが、専門的な方にご教授願いたいです。
よろしくお願いします。

カテゴリを特定するのは難しいので、物理学でいいのか悩みます。。。

回答No.8

memorytree

電磁波の波長が短い紫外線がエネルギーが高く、逆に、波長が長い赤外線はエネルギーが低くなっています。

紫外線は、エネルギーが高いために、分子間の結合を切ります。

製外線は、エネルギーが低いために、フォノン振動として、熱エネルギーになります。

回答No.7

usokoku

＞ちょっと自分にとっては専門的になりすぎて
どのあたりか、補足ください。手元に有る本の名称ぐらいは答えられますから。

光化学反応は
丸善の実験化学講座、
http://pub.maruzen.co.jp/book_magazine/jikken-kagaku5/index.html
目次を見て、機器分析、光化学反応あたりにのっているはず。
波長とエネルギーの計算は、高等学校の物理の教科書に乗っているはず。
私は、cgs、オングストローム世代なので今の時代にあいません。

DNAの損傷は、たしか
岩波講座現代生物科学(岩波講座で、３冊生物がでていて、二冊目に発行になったもの、１冊目の発行は持っていませんので二冊目と思います)
の先天性異常の分冊(どの分冊かは特定不能)

入手が困難でしょうから、図書館で探してください。

手前に別の本箱を置いてしまったので、現在取り出せません。

回答No.6

usokoku

では、つづき。

2つめは、水素結合の存在です。たとえ、１箇所切れたとしても、他の場所がつながっていれば、DNAの場合には、比較的簡単にもとの結合になります。

3つめが、A-U、G-C、T-Aの結合の組み合わせと、アミノ酸の開始コード終了コードの存在。
核酸の組み合わせの関係で、おなしな状態になったとしても、その遺伝子が使われなくなるだけです。おかしくなったとしても影響が出ない場所が変化しやすい場所にあります(遺伝自体は存在するが、開始コードが不在ののため使用されない)。
アミノ酸に対する組み合わせを見ればわかる(複数の核酸の組み合わせに一つのアミノ酸が対応している等)とおり、多少間違った遺伝子になったとしても影響が出ないアミノ酸配列になっています。
この点、X線による変化の場合にはどこが切れるかわからないので、遺伝子が狂いやすいです。

最後にチャンネルの存在。
遺伝子のアミノ酸情報を見ればわかるとおり、開始コードの後は、αヘリックスが続いて、その後に酵素等となる配列が続きます。生成したたんぱく質は、膜を通過するときにヘリックスが切断され、酵素などに変化します。つまり、疎水性のヘリックスの部分が多少変化したとしても切断され使われない、βシートの部分に変化があったとしても膜移動に失敗して使用されないという現象で、少しぐらい核酸がおかしくなったとしても、正常な遺伝子からたんぱく質が供給されるために全体から見れば影響を受けません。

覚えているのは、以上の範囲です。

お礼

詳しく解説してくださっていたのに
御礼が遅くなりスミマセン！！

ちょっと自分にとっては専門的になりすぎて
細かいところを自分でも調べながら理解していっている所です！！

回答No.5

usokoku

＞ということは、DNAを変性させうるのはどの波長までなんでしょうか。
核酸の構造は
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E9%85%B8
右上の図。水素結合を破壊できれば、核酸としての機能は停止できます。

特定の方向に分子を曲げてしまうことで可能です。
ラジオ波、これは、分子の振動を変更できます。既に回答の有る電子レンジのような強い電波を与えれば、強磁性体の方向が固定され化学反応が抑制可能です。この数値が覚えていません。

可視・紫外は分子全体の振動のエネルギーがほぼ等しいので、吸収が起こるのであれば、分子全体がゆがみ一番弱い水素結合が切れます。
赤外は、基の振動エネルギーとほぼ等しいので、基の振動が激しくなれば、水素結合を維持できなくなって水素結合が切れます。

＞もし電波もDNAの変性をおこすならば、細胞はどうやってその影響を抑えるのでしょうか。
一つは、水です。
超長波以外のラジオ波(長波・中波・短波・極超短波・ミリ波)は水で吸収されます。細胞の奥まで届きません。電子レンジ(ミリ波)の場合には、振動で高温になり熱変性を起こして細胞が死ぬ(電子レンジの電波を浴びて、腹がちょっと温かいなと思った人は３日後に死亡した)わけですが、細胞が生きているような状態ですと、ほぼ水に電磁波が吸収されます。
水温が上がって、45-75度を超えれば酵素機能が停止し細胞が死にます。

X線以上のエネルギーを持つ電磁波ですと、核酸まで到達できれば、簡単に核酸なんて分解してしまいます。

なお、情報が古いので、最新の研究によって否定されている可能性があります。

回答No.4

naniwacchi

こんばんわ。

電磁波との「共振」のいちばん身近な例は、「電子レンジ」です。
この 2つのキーワードで検索してみると、いろいろ出てくると思いますよ。＾＾
（食べ物は熱くなるのに、その器はなぜ熱くならない？といったことです。）

お礼

なるほど！

誰でも分かるように説明するには電子レンジが伝えやすいですね。

有難うございました。

回答No.3

usokoku

http://www.chem-station.com/yukitopics/photo.htm
分子の励起が起こる場合、エネルギー順位(ぶしつによっては、エネルギーバントと表記する場合があります)の関係で、特定の波長しか利用されません。
エネルギーが不足する場合には、励起せず、熱エネルギーに変ります。
エネルギーが高い場合には、エネルギー順位と同じエネルギーが励起に使われ、余り分は熱エネルギーに変ります(１の方の内容)。
極端に高い場合には、さらに上の軌道に電子が移動して、場合によると結合が切断される場合もあります(３の方の内容)。
中途半端に高い場合には、励起できる電子が存在せずひの波長の光が吸収されません。

これが、波長によって、作用が異なる利用です。ぶしつがその波長の光を吸収できる(基底状態から励起状態へ変化するためのエネルギー順位が一致する領域を持つ)か、持たないで反射するか、持たないで透過するか、光のエネルギーが強すぎて破壊されるか、の違いです。

＞赤外線がDNAを変性させたり、
これは、構造です。DNAの変性は可能です。しかし、細胞内に存在するDNAの周りには、「水」というぶしつが存在します。水は大体の赤外線を吸収してしまうという恐ろしい性質があります。DNAまで、赤外線が届かないことが大きな要因です。
＞紫外線が熱を生まない
生じます。紫外線を吸収して励起状態から基底状態に戻るときに光(可視こう又は紫外線)を発しない場合には熱(赤外線)を発生します。あるいは、励起状態から振動が穏やかに減少することで熱として放出されます。
ただ、このような熱エネルギーの発生は変な副反応を呼び起こすので、温度上昇がしないように光を照射して化学反応を研究しています。生体の場合には、「恒常性」という機能があり、余剰の熱は汗などで放出されます。

＞カテゴリを特定するのは難しいので
光化学、光有機化学、光無機化学、電子材料学、放射化学、物理化学、化学物理、機器分析化学
マー、このあたりの内容かな。物理と化学の境界領域なので、物理か化学で聞けば誰かが答えられるでしょう。日化(http://www.chemistry.or.jp/)の関係サイトを紹介しておきます。
http://fchem.folomy.jp/
http://frika.folomy.jp/

お礼

はぁー。そうなんですか。
こういう勉強って、なんだか物事の見え方が変わりますね(笑)

有難うございました。

ところで、私が紫外線に興味を持ったのが“皮膚細胞に及ぼす紫外線の影響”が入口でした。

なのでここで1つ新たな質問なんですが、

赤外線も水さえ無ければDNAの変性自体は可能。

ということは、DNAを変性させうるのはどの波長までなんでしょうか。

もし電波もDNAの変性をおこすならば、細胞はどうやってその影響を抑えるのでしょうか。

電波って水中でも進んでいけますよね…

回答No.2

雪中庵（@psytex）

＃１の者です。
おっしゃる通りです。
短い波長の電磁波によって、最外殻電子が励起されると、
不安定な状態になり、結合したり、分解したりします。
さらに強い電磁波があたると、あばれる電子が、ついに
飛び出します（光電効果）。

お礼

またまた有難うございました！

奥が深いですね！

回答No.1

雪中庵（@psytex）

物体には、共振する特定の波長があります。
それは、その「物体」の大きさと、剛性によります。
たとえば、大気分子は小さいので、短い（=青い）波長と
相互作用し、日光の中の青い成分を散乱するので、空は
青く見えます。
（逆に途中で「青い成分」が抜けた夕日は、赤く見えます）

それでは海が青いのも、同じ理由かというと、違います。
水の分子も、そんなに大きい訳ではありませんが、液体
ゆえに互いに拘束し合い、今度は長い（=赤い）波長と
相互作用して吸収するようになり、それで海中を通過して
見える光は、青くなるのです。
先の「空の青さ」と違い、海中に深く潜っても、太陽が
赤く見えない事に、この違いが表れています。

この共振（散乱）や吸収といった相互作用をしないという事は、
その波長に対して透明であるという事なので、波長が違うと
異なる影響を与えるのです（紫外線=原子の最外殻電子の励起
による化合物の分解、赤外線=分子構造全体の振動(熱)）。
もちろん、純粋な物質や波動はないので、物体の中で反射・
干渉・吸収・再輻射して、副作用を与えるのも事実です。

お礼

早速分かり易いご回答ありがとうございました！！

「共振する特定の波長がある」
しょっぱなからスッキリした上、解説も分かり易いです。

紫外線=原子の最外殻電子の励起による化合物の分解
赤外線=分子構造全体の振動(熱)

なるほどです。
では、確認なんですが

紫外線について言えば
（励起ってエネルギーを増幅させることですよね）
ならば
「電子が紫外線によって＋αのエネルギーを得る」

↓化合物の分解とは↓

「電子的に不安定になった原子が、本来ないはずの結合をし始める」
という解釈でいいのでしょうか。

細かくすみません（汗）