A fotoszintézis során képződő szőlőcukor molnyi mennyiségének keletkezéséhez \(2,85\cdot 10^6\ \mathrm{J}\) energia szükséges. (A látható fény frekvenciatartománya \(3,7\cdot 10^{14}\ \mathrm{Hz}-8,1\cdot 10^{14}\ \mathrm{Hz}\).)
a) Egyetlen molekula szőlőcukor képződéséhez szükséges energia származhat-e egyetlen olyan fotontól, amelynek frekvenciája a látható fény tartományában van?
Nem származhat.
Először az 1 mol szőlőcukor előállításának energiaszükséglete adatból számítsuk ki az egyetlen szőlőcukor molekula képződéséhez szükséges $\varepsilon_1$ energiát!
$$\varepsilon_1=2,85\cdot 10^6\ \mathrm{\frac{J}{mol}}$$
$$\varepsilon_1=2,85\cdot 10^6\ \mathrm{\frac{J}{6\cdot 10^{23}\ db}}$$
$$\varepsilon_1=4,75\cdot 10^{-18}\ \mathrm{\frac{J}{db}}$$
Vajon van ennyi energiája egyetlen (látható tartományban lévő) fotonnak? A biológiai emlékeink szerint a zöld növények (amelyek szőlőcukor molekulát gyártanak energiatárolási céllal) a vörös fényt nyelik el, így a látható spektrum vörös tartományával kellene számolnunk. De a kérdés nem foglalkozik ezzel a biológiai ténnyel, hanem elvi lehetőséget kérdez, márpedig a látható tartományban pont a vörös színű fotonoknak van a legkisebb energiájuk, így nem a biológiai realitást figyelembe véve (a vörös színnel) kell tovább számolnunk, hanem a legnagyobb energiájú látható fotont kell néznünk (ami kék/ibolya színű). Mivel a foton $E_{\mathrm{f}}$ energiája
$$E_{\mathrm{f}}=h\cdot f$$
ezért a legnagyobb energiája a legnagyobb frekvenciájúnak lesz. A feladat szerint a látható fény frekvenciatartománya $3,7\cdot 10^{14}\ \mathrm{Hz}-8,1\cdot 10^{14}\ \mathrm{Hz}$, ezért ebből a nagyobbik értékkel kell kiszámolnunk a fotonenergiát:
$$E_{\mathrm{f}}=h\cdot f$$
$$E_{\mathrm{f}}=6,626\cdot 10^{-34}\ \mathrm{Js} \cdot 8,1\cdot 10^{14}\ \mathrm{\frac{1}{s}}$$
$$E_{\mathrm{f}}=5,37\cdot 10^{-19}\ \mathrm{J}$$
Ez láthatóan (közel egy nagyságrenddel) kisebb energia, mint amennyi egy szőlőcukor molekula előállításához kell, vagyis a válasz nem, nem származhat egyetlen látható fotonból a szőlőcukor molekula előállításához szükséges energia.
(A valóságban egy glükózmolekula előállításához a növények kb. 60 vörös fotont nyelnek el.)