Ánh sáng và năng lượng

Loài người luôn luôn lệ thuộc vào năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời cả trực tiếp dùng cho sưởi ấm, hong khô quần áo, nấu nướng, và gián tiếp mang lại thực phẩm, nước và cả không khí. Kiến thức của chúng ta về giá trị của các tia sáng Mặt Trời suy đi nghĩ lại quẩn quanh theo kiểu mà chúng ta thu lợi từ nguồn năng lượng đó, nhưng có những liên hệ còn cơ bản hơn nhiều xuất phát từ mối liên quan giữa ánh sáng và năng lượng. Dù cho loài người có nghĩ ra được những cơ chế tài tình để khai thác năng lượng Mặt Trời hay không thì hành tinh của chúng ta và môi trường luôn luôn biến đổi chứa trong nó vốn bị chi phối bởi năng lượng của ánh sáng Mặt Trời.

Ánh sáng và Năng lượng Loài ng i luôn luôn l thu c vào n ng l ng t ánh sáng M t Tr i c tr c ti p dùng ườ ệ ộ ă ượ ừ ặ ờ ả ự ế cho s i m, hong khô qu n áo, n u n ng, và gián ti p mang l i th c ph m, n c và ưở ấ ầ ấ ướ ế ạ ự ẩ ướ c không khí. Ki n th c c a chúng ta v giá tr c a các tia sáng M t Tr i suy i ngh l i ả ế ứ ủ ề ị ủ ặ ờ đ ĩ ạ qu n quanh theo ki u mà chúng ta thu l i t ngu n n ng l ng ó, nh ng có nh ng ẩ ể ợ ừ ồ ă ượ đ ư ữ liên h còn c b n h n nhi u xu t phát t m i liên quan gi a ánh sáng và n ng l ng. ệ ơ ả ơ ề ấ ừ ố ữ ă ượ Dù cho loài ng i có ngh ra c nh ng c ch tài tình khai thác n ng l ng M t ườ ĩ đượ ữ ơ ế để ă ượ ặ Tr i hay không thì hành tinh c a chúng ta và môi tr ng luôn luôn bi n i ch a trong ờ ủ ườ ế đổ ứ nó v n b chi ph i b i n ng l ng c a ánh sáng M t Tr i.ố ị ố ở ă ượ ủ ặ ờ Chúng ta u bi t r ng n u nh M t Tr i không m c, thì th i ti t c a chúng ta s đề ế ằ ế ư ặ ờ ọ ờ ế ủ ẽ chuy n sang mùa ông l nh l o mãi mãi, ao h và sông su i s óng b ng kh p n i, ể đ ạ ẽ ồ ố ẽ đ ă ắ ơ và th c v t và ng v t s nhanh chóng b di t vong. Các ng c s không ho t ng ự ậ độ ậ ẽ ị ệ độ ơ ẽ ạ độ c, và chúng ta không có cách nào chuyên ch th c ph m ho c nhiên li u, ho c đượ để ở ự ẩ ặ ệ ặ phát ra i n. V i ch t t h n ch t o ra l a, loài ng i s s m không còn ngu nđể đệ ớ ấ đố ạ ế để ạ ử ườ ẽ ớ ồ th p sáng ho c ngu n c p nhi t. Tuy nhiên, v i s hi u bi t hi n nay c a chúng ta v ắ ặ ồ ấ ệ ớ ự ể ế ệ ủ ề h M t Tr i, chúng ta có th khá ch c ch n r ng M t Tr i s m c lên vào ngày mai, ệ ặ ờ ể ắ ắ ằ ặ ờ ẽ ọ nh tr c nay nó v n m c k t khi Trái t l n u tiên cô c l i t m t ám mây khíư ướ ẫ ọ ể ừ Đấ ầ đầ đặ ạ ừ ộ đ c a các m nh v n v tr . Trong quá kh ch a lâu l m, loài ng i không ch c ch n l mủ ả ụ ũ ụ ứ ư ắ ườ ắ ắ ắ v i u này. H không th gi i thích c t i sao M t Tr i l i chuy n ng ngang qua ề đề ọ ể ả đư ợ ạ ặ ờ ạ ể độ b u tr i, h c ng không bi t cách th c nó t o ra ánh sáng khác bi t gi a ngày và êm. ầ ờ ọ ũ ế ứ ạ ệ ữ đ Nhi u n n v n minh ã ghi nh n t m quan tr ng c a M t Tr i, tôn th ngôi sao g n ề ề ă đ ậ ầ ọ ủ ặ ờ ờ ầ chúng ta nh t này làm th n thánh (xem hình 1) v i ni m hi v ng là nó s không bi n ấ ầ ớ ề ọ ẽ ế m t.ấ L ng n ng l ng r i lên b m t Trái t n t M t Tr i kho ng ch ng 5,6 t t ượ ă ượ ơ ề ặ Đấ đế ừ ặ ờ ả ừ ỉ ỉ megajun m i n m. Tính trung bình cho toàn b b m t Trái t, i u này có ngh a là ỗ ă ộ ề ặ Đấ đề ĩ m i mét vuông nh n c ch ng 5 kWh m i ngày. N ng l ng n t M t Tr i trong ố ậ đượ ừ ỗ ă ượ đế ừ ặ ờ m t ngày có th cung c p nhu c u cho toàn b dân c c a Trái t trong ba th p k . Rõộ ể ấ ầ ộ ư ủ Đấ ậ ỉ ràng là không có ph ng ti n nào có kh n ng (và c ng không c n thi t) khai thác toànươ ệ ả ă ũ ầ ế b ngu n n ng l ng có s n này, c ng hi n nhiên là vi c n m b t c m t ph n nh c aộ ồ ă ượ ẵ ũ ể ệ ắ ắ ả ộ ầ ỏ ủ ngu n n ng l ng có s n này d ng có th s d ng c s có giá tr r t l n.ồ ă ượ ẵ ở ạ ể ử ụ đượ ẽ ị ấ ớ M c dù toàn b n ng l ng ch m n b u khí quy n Trái t xu t phát t M t Tr i là ặ ộ ă ượ ạ đế ầ ể Đấ ấ ừ ặ ờ th t áng kinh ng c, nh ng nó không có m c t p trung r t cao so v i các d ng n ngậ đ ạ ư ứ độ ậ ấ ớ ạ ă l ng khác mà chúng ta s d ng, ví d nh l a, các lo i èn nóng sáng và các lò s i ượ ử ụ ụ ư ử ạ đ ưở i n. Vì v y, b t c ph ng ti n nào b t l y n ng l ng M t Tr i c ng ph i chi m m t đệ ậ ấ ứ ươ ệ ắ ấ ă ượ ặ ờ ũ ả ế ộ di n tích t ng i l n làm t p trung có hi u qu ph n n ng l ng c n thi t. Ch ệ ươ đố ớ để ậ ệ ả ầ ă ượ ầ ế ỉ trong vài th p niên g n ây, loài ng i m i b t u tìm ki m nghiêm túc c ch khai ậ ầ đ ườ ớ ắ đầ ế ơ ế thác ti m n ng kh ng l c a n ng l ng M t Tr i. M i quan tâm l n này có nguyên do ề ă ổ ồ ủ ă ượ ặ ờ ố ớ t s c tiêu th n ng l ng liên t c t ng lên, làm phát sinh các v n môi tr ng và ừ ứ ụ ă ượ ụ ă ấ đề ườ m i lo ng i v s c n ki t không th tránh kh i c a các ngu n nhiên li u hóa th ch mà ố ạ ề ự ạ ệ ể ỏ ủ ồ ệ ạ chúng ta ngày càng ph thu c nhi u vào chúng.ụ ộ ề Cung c p n ng l ng cho s s ngấ ă ượ ự ố N ng l ng M t Tr i có liên quan m t thi t t i s t n t i c a m i sinh v t s ng có m t ă ượ ặ ờ ậ ế ớ ự ồ ạ ủ ọ ậ ố ặ trên hành tinh này và cách th c mà các d ng s ng bu i u phát tri n trên Trái t ứ ạ ố ổ đầ ể Đấ nguyên th y, sau cùng ti n hóa thành nh ng d ng hi n t i c a chúng. Hi n nay, các ủ ế ữ ạ ệ ạ ủ ệ nhà khoa h c nh n th y cây c i h p th n c và carbon dioxide t môi tr ng, và s ọ ậ ấ ố ấ ụ ướ ừ ườ ử d ng n ng l ng t M t Tr i (xem hình 2) chuy n hóa các ch t n gi n này thành ụ ă ượ ừ ặ ờ ể ấ đơ ả glucose và oxygen. V i glucose là viên g ch c u trúc c b n, cây c i t ng h p nên m tớ ạ ấ ơ ả ố ổ ợ ộ s ch t hóa sinh ph c t p ch a carbon sinh tr ng và duy trì s s ng. Quá trình ố ấ ứ ạ ứ để ưở ự ố này g i là s quang h p và là c s c a s s ng trên Trái t.ọ ự ợ ơ ở ủ ự ố Đấ Các nhà khoa h c v n ch a làm sáng t c c ch ph c t p mà qua ó s quang ọ ẫ ư ỏ đượ ơ ế ứ ạ đ ự h p x y ra, nh ng quá trình này ã t n t i hàng tri u n m nay r i và s thích nghi r t ợ ả ư đ ồ ạ ệ ă ồ ự ấ s m trong l ch s ti n hóa c a s s ng. Nh ng sinh v t s ng u tiên là các sinh v t ớ ị ử ế ủ ự ố ữ ậ ố đầ ậ h ng hóa ch t, l n lên b ng cách thu n ng l ng t nh ng ph n ng hóa h c n ướ ấ ớ ằ ă ượ ừ ữ ả ứ ọ đơ gi n. T nh ng t ch c nguyên th y này, t bào ra i có th thu n ng l ng c n thi t ả ừ ữ ổ ứ ủ ế đờ ể ă ượ ầ ế t s quang h p, t o ra s n ph m là oxygen. n gi n nh t trong nhóm các c th ừ ự ợ ạ ả ẩ Đơ ả ấ ơ ể s ng này là cyanobacteria. Sinh v t m t t nào ch a có nhân th t thu c lo i này là sinhố ậ ộ ế ư ậ ộ ạ v t s ng l n tu i nh t trên hành tinh chúng ta, và ng i ta tin r ng chúng là d ng s ng ậ ố ớ ổ ấ ườ ằ ạ ố th ng tr trên Trái t h n 2 t n m. Các nhà a ch t ã tìm th y nh ng kh i ố ị Đấ ơ ỉ ă đị ấ đ ấ ữ ố cyanobacteria hóa th ch l n, g i là stromatolite, trên ba t n m tu i (m t s m u v t ạ ớ ọ ỉ ă ổ ộ ố ẫ ậ khác có th tìm th y vùng bi n nông duyên h i Australia).ể ấ ở ể ả Tr c khi các sinh v t quang h p phát tri n, có r t ít oxygen trong b u khí quy n Trái ướ ậ ợ ể ấ ầ ể t, nh ng m t khi quá trình t o oxygen b t u, khi ó t n t i kh n ng có các sinh Đấ ư ộ ạ ắ đầ đ ồ ạ ả ă v t ti n hóa c n oxygen. Do l ng n ng l ng r t l n có s n t M t Tr i, nên kh n ngậ ế ầ ượ ă ượ ấ ớ ẵ ừ ặ ờ ả ă nh n c các thành ph n c n thi t cho s s ng là ngu n cung c p M t Tr i có th ậ đượ ầ ầ ế ự ố ồ ấ ặ ờ ể th c hi n d dàng v i nh ng d ng th c s ng ph c t p h n nhi u tr c khi quá trình ự ệ ễ ớ ữ ạ ứ ố ứ ạ ơ ề ướ quang h p ti n tri n.ợ ế ể a s cây c i l n lên trên t, và n u b nh lên, chúng s ch t. Trong nhi u th k , loài Đ ố ố ớ đấ ế ị ổ ẽ ế ề ế ỉ ng i tin r ng cây c i sinh sôi là nh n t. Nh ng phép o t m s t ng tr ng c a ườ ằ ố ờ ă đấ ữ đ ỉ ỉ ự ă ưở ủ cây xanh ã c th c hi n b i nhà khoa h c ng i B , Jan Baptista van Helmont, vào đ đượ ự ệ ở ọ ườ ỉ u th k 17. Van Helmont ã ch ng minh c m t cái cây ang l n t ng tr ng nhi u đầ ế ỉ đ ứ đượ ộ đ ớ ă ọ ề h n l ng t b m t, và k t lu n r ng cây xanh c nuôi d ng b ng m t th gì ó, ơ ượ đấ ị ấ ế ậ ằ đượ ưỡ ằ ộ ứ đ ngoài t ra. Cu i cùng, ông k t lu n cây l n lên, m t ph n. là nh n c. H n n a th đấ ố ế ậ ớ ộ ầ ờ ướ ơ ử ế k sau, nhà sinh lí h c ng i Anh Stephen Hales phát hi n th y cây xanh c ng c n có ỉ ọ ườ ệ ấ ũ ầ không khí tr ng thành, và, th t ng c nhiên, ông nh n th y cây c i h p th khí để ưở ậ ạ ậ ấ ố ấ ụ carbon dioxide t không khí.ừ Nhà hóa h c ng i Anh Joseph Priestley là nhà nghiên c u u tiên nh n th y cây ọ ườ ứ đầ ậ ấ xanh gi i phóng oxygen khi chúng kh e m nh và t ng tr ng. Thí nghi m c a ông ả ỏ ạ ă ưở ệ ủ ch ng minh cho quá trình quang h p, và cho th y hô h p và quang h p là nh ng quá ứ ợ ấ ấ ợ ữ trình có liên quan, nh ng ho t ng theo chi u ng c nhau. Thí nghi m n i ti ng nh t ư ạ độ ề ượ ệ ổ ế ấ c a Priestley (kho ng n m 1772) ch ng minh r ng m t cây n n s nhanh chóng t t n uủ ả ă ứ ằ ộ ế ẽ ắ ế t nó trong m t cái bình hình chuông, nh ng nó s cháy tr l i trong cùng không khí đặ ộ ư ẽ ở ạ ó n u nh t m t cây xanh trong ó vài ngày. Ông k t lu n cây xanh có th “hoàn đ ế ư đặ ộ đ ế ậ ể tr ” ph n không khí b “t n h i” b i ng n n n cháy. Trong nh ng thí nghi m khác, ả ầ ị ổ ạ ở ọ ế ữ ệ Priestley ch ng minh c r ng m t con chu t t trong bình s “làm t n h i” không ứ đượ ằ ộ ộ đặ ẽ ổ ạ khí theo ki u gi ng nh cây n n, nh ng có th th trong không khí sau khi “hoàn tr ”, ể ố ư ế ư ể ở ả d n n quan i m cho r ng hô h p và quang h p là hai quá trình ng c nhau. Theo ẫ đế để ằ ấ ợ ượ l i Priestley thì “ph n không khí ó s ho c là làm t t ng n n n, ho c là hoàn toàn b t ờ ầ đ ẽ ặ ắ ọ ế ặ ấ ti n cho con chu t mà tôi t vào ó”. Priestley ã phát hi n ra m t ch t sau này c ệ ộ đặ đ đ ệ ộ ấ đượ t tên là oxygen, b i nhà hóa h c ng i Pháp Antoine Laurent Lavoisier, ng i nghiênđặ ở ọ ườ ườ c u m i quan h gi a s cháy và không khí.ứ ố ệ ữ ự M t y u t then ch t hi u c s quang h p v n còn thi u, mãi cho n khi nhà ộ ế ố ố để ể đượ ự ợ ẫ ế đế sinh lí h c ng i Hà Lan Jan Ingenhousz xác nh c, vào n m 1778, r ng cây xanh ọ ườ đị đượ ă ằ ch h p th carbon dioxide và gi i phóng oxygen khi nào chúng ph i ra tr c ánh sáng. ỉ ấ ụ ả ơ ướ Cu i cùng, nhà v t lí ng i c, Julius Robert Mayer ã chính th c hóa ý t ng cho ố ậ ườ Đứ đ ứ ưở r ng n ng l ng c chuy n hóa t ánh sáng t o ra m t hóa ch t m i trong cây ằ ă ượ đượ ể ừ để ạ ộ ấ ớ xanh ang sinh tr ng. Mayer tin r ng m t quá trình hóa h c thích h p (ngày nay g i làđ ưở ằ ộ ọ ợ ọ oxy hóa) là ngu n n ng l ng c b n i v i m t c th s ng.ồ ă ượ ơ ả đố ớ ộ ơ ể ố Quang h p, có ngh a là “k t h p v i nhau b ng ánh sáng”, là quá trình mà qua ó h u ợ ĩ ế ợ ớ ằ đ ầ nh t t c m i cây xanh, m t s vi khu n, và m t vài sinh v t nguyên th y khai thác ư ấ ả ọ ộ ố ẩ ộ ậ ủ n ng l ng t ánh sáng M t Tr i t o ra ng (và oxygen là s n ph m). S chuy nă ượ ừ ặ ờ để ạ đườ ả ẩ ự ể hóa n ng l ng ánh sáng thành n ng l ng hóa h c ph thu c vào m t ch t g i là ă ượ ă ượ ọ ụ ộ ộ ấ ọ chlorophyll, s c t màu xanh lá cây ã mang l i màu xanh cho chi c lá. Không ph i t t ắ ố đ ạ ế ả ấ c cây c i u có lá, nh ng chúng th t s r t có hi u qu trong vi c chuy n hóa quang ả ố đề ư ậ ự ấ ệ ả ệ ể n ng thành hóa n ng. Th ng thì nh ng chi c lá hay c xem là nh ng máy thu M t ă ă ườ ữ ế đượ ữ ặ Tr i sinh h c, c trang b hàng lo t t bào nh xíu th c hi n quang h p c p vi ờ ọ đượ ị ạ ế ỏ ự ệ ợ ở ấ độ mô. S c t c nh ngh a là ch t h p th và ph n x ánh sáng kh ki n. a ph n s c t ắ ố đượ đị ĩ ấ ấ ụ ả ạ ả ế Đ ầ ắ ố là nh ng ch t có màu, bi u hi n màu nh t nh ph thu c vào s phân b b c sóng ữ ấ ể ệ ấ đị ụ ộ ự ố ướ ánh sáng ph n x và h p th . M i s c t có ph h p th c tr ng riêng c a nó, xác ả ạ ấ ụ ỗ ắ ố ổ ấ ụ đặ ư ủ nh ph n ph trên ó s c t thu nh n có hi u qu n ng l ng t ánh sáng. đị ầ ổ đ ắ ố ậ ệ ả ă ượ ừ Chlorophyll, ch t hóa sinh ph bi n v i m i c th quang h p, ph n x b c sóng màuấ ổ ế ớ ọ ơ ể ợ ả ạ ướ xanh lá cây (trung bình) và h p th các b c sóng xanh-tím và -cam hai u d i ấ ụ ướ đỏ ở đầ ả ph ánh sáng kh ki n.ổ ả ế Chlorophyll là m t phân t ph c h p t n t i vài bi n th ho c ng phân trong cây ộ ử ứ ợ ồ ạ ở ế ể ặ đồ xanh và các c th quang h p khác. T t c sinh v t th c hi n quang h p u ch a lo iơ ể ợ ấ ả ậ ự ệ ợ đề ứ ạ ch t g i là chlorophyll a. Nhi u sinh v t khác c ng ch a các s c t ph , g m nh ng ấ ọ ề ậ ũ ứ ắ ố ụ ồ ữ chlorophyll khác, carotenoid và xanthophyll, h p th nh ng b c sóng khác trong ph ấ ụ ữ ướ ổ kh ki n. Nh v y, cây xanh có th thích ng v i nh ng nhân t môi tr ng nh t nh ả ế ư ậ ể ứ ớ ữ ố ườ ấ đị tác ng b n ch t c a ánh sáng có s n lên chúng theo ki u thích h p. Các nhân t nhđộ ả ấ ủ ẵ ể ợ ố ư chi u sâu và ch t l ng n c nh h ng m nh n b c sóng ánh sáng có s n trong ề ấ ượ ướ ả ưở ạ đế ướ ẵ môi tr ng sông n c và môi tr ng bi n khác nhau, và óng vai trò to l n trong ườ ướ ườ ể đ ớ nhi m v quang h p c a phytoplankon và nh ng loài sinh v t nguyên th y khác.ệ ụ ợ ủ ữ ậ ủ Khi m t s c t h p th n ng l ng ánh sáng, n ng l ng ho c có th tiêu tan d i ộ ắ ố ấ ụ ă ượ ă ượ ặ ể ướ d ng nhi t, phát ra b c sóng dài h n d i d ng hu nh quang, ho c nó có th gây ạ ệ ở ướ ơ ướ ạ ỳ ặ ể ra m t ph n ng hóa h c. Các màng và c u trúc nh t nh trong sinh v t quang h p ộ ả ứ ọ ấ ấ đị ậ ợ óng vai trò n v c u trúc c a s quang h p vì chlorophyll s ch tham gia và nh ng đ đơ ị ấ ủ ự ợ ẽ ỉ ữ ph n ng hóa h c khi phân t ó t ng thích v i protein g n trên màng (ví d nh l c ả ứ ọ ử đ ươ ớ ắ ụ ư ụ l p, hình 3). Quang h p là m t quá trình hai giai o n, và trong c th có l c l p, hai ạ ợ ộ đ ạ ơ ể ụ ạ khu v c c u trúc khác nhau này n m trong nh ng quá trình riêng. M t quá trình ph ự ấ ằ ữ ộ ụ thu c ánh sáng (th ng g i là ph n ng sáng) x y ra trong h t x p c c, trong khi m t ộ ườ ọ ả ứ ả ạ ế ọ ộ quá trình ph thu c ánh sáng th hai (ph n ng t i) x y ra ng th i trong ch t n n ụ ộ ứ ả ứ ố ả đồ ờ ấ ề c a l c l p (hình 3). Ng i ta cho r ng ph n ng t i có th x y ra trong s thi u sáng ủ ụ ạ ườ ằ ả ứ ố ể ả ự ế ch ng nào mà các h t mang n ng l ng phát tri n trong ph n ng sáng có m t.ừ ạ ă ượ ể ả ứ ặ Giai o n th nh t c a s quang h p x y ra khi n ng l ng t ánh sáng c s d ngđ ạ ứ ấ ủ ự ợ ả ă ượ ừ đượ ử ụ tr c ti p t o ra các phân t mang n ng l ng, nh adonesine triphosphate (ATP). ự ế để ạ ử ă ượ ư Trong giai o n này, n c b tách các thành ph n c a nó, và oxygen c gi i phóng đ ạ ướ ị ầ ủ đượ ả d i d ng s n ph m. Các tác nhân v n chuy n n ng l ng hóa sau ó c dùng ướ ạ ả ẩ ậ ể ă ượ đ đượ trong quá trình th hai và là quá trình c b n nh t c a quá trình quang h p: t o ra các ứ ơ ả ấ ủ ợ ạ liên k t carbon-carbon. Giai o n th hai không yêu c u r i sáng (quá trình t i) và ch u ế đ ạ ứ ầ ọ ố ị trách nhi m cung c p ch t dinh d ng c b n cho t bào cây xanh, c ng nh t ng h pệ ấ ấ ưỡ ơ ả ế ũ ư ổ ợ ch t li u cho thành t bào và các thành ph n khác. Trong quá trình này, carbon dioxide ấ ệ ế ầ g n v i hydrogen t o thành carbonhydrate, m t h ch t hóa sinh ch a cùng s nguyên ắ ớ ạ ộ ọ ấ ứ ố t carbon và phân t n c. Nói chung, quá trình quang h p không cho phép c th ử ử ướ ợ ơ ể s ng s d ng tr c ti p n ng l ng ánh sáng, mà yêu c u b t n ng l ng trong giai ố ử ụ ự ế ă ượ ầ ắ ă ượ o n th nh t, ti p theo sau là giai o n th hai c a các ph n ng hóa sinh ph c t p đ ạ ứ ấ ế đ ạ ứ ủ ả ứ ứ ạ chuy n hóa n ng l ng thành liên k t hóa h c.ể ă ượ ế ọ Hi n t ng quang i nệ ượ đệ M t câu h i c b n phát sinh trong s các nhà khoa h c, vào u nh ng n m 1700, là ộ ỏ ơ ả ố ọ đầ ữ ă kh n ng tác ng c a ánh sáng lên v t ch t, và b n ch t và hàm ý c a nh ng t ng ả ă độ ủ ậ ấ ả ấ ủ ữ ươ tác này. Vào th k 19, các nhà nghiên c u ã xác nh c ánh sáng có th t o ra h tế ỉ ứ đ đị đượ ể ạ ạ mang i n khi chi u vào b m t nh ng kim lo i nh t nh. Nh ng nghiên c u sau ó đệ ế ề ặ ữ ạ ấ đị ữ ứ đ a t i khám phá th y r ng hi n t ng này, ngày nay g i là hi u ng quang i n, làm đư ớ ấ ằ ệ ượ ọ ệ ứ đệ t do ho c gi i phóng các electron liên k t v i các nguyên t trong kim lo i (hình 4). ự ặ ả ế ớ ử ạ N m 1900, nhà v t lí ng i c, Phillip Lenard, xác nh n c ngu n phát sinh i n ă ậ ườ Đứ ậ đượ ồ đệ tích là s phát x electron, và tìm th y m i quan h b t ng gi a b c sóng ánh sáng ự ạ ấ ố ệ ấ ờ ữ ướ và n ng l ng và s electron c gi i phóng. B ng cách s d ng ánh sáng có b c ă ượ ố đượ ả ằ ử ụ ướ sóng nh t nh (l c b ng m t l ng kính), Lenard ch ng minh c r ng n ng l ng t ấ đị ọ ằ ộ ă ứ đượ ằ ă ượ ừ electron gi i phóng ch ph thu c vào b c sóng ánh sáng ch không ph thu c vào ả ỉ ụ ộ ướ ứ ụ ộ c ng sáng. Ánh sáng c ng th p t o ra ít electron h n, nh ng m i electron ườ độ ườ độ ấ ạ ơ ư ỗ u có n ng l ng nh nhau, b t ch p c ng sáng. H n n a, Lenard còn nh n đề ă ượ ư ấ ấ ườ độ ơ ữ ậ th y ánh sáng có b c sóng ng n gi i phóng electron có n ng l ng l n h n n ng ấ ướ ắ ả ă ượ ớ ơ ă l ng electron t do c gi i phóng b ng ánh sáng có b c sóng dài h n.ượ ự đượ ả ằ ướ ơ Lenard k t lu n r ng c ng ánh sáng xác nh s electron c gi i phóng b i hi nế ậ ằ ườ độ đị ố đượ ả ở ệ t ng quang i n, và b c sóng ánh sáng xác nh l ng n ng l ng n i t i ch a ượ đệ ướ đị ượ ă ượ ộ ạ ứ trong m i electron c gi i phóng. Vào lúc y, s t ng tác b t th ng này gi a ánh ỗ đượ ả ấ ự ươ ấ ườ ữ sáng và v t ch t ã a ra m t nan mà n n v t lí c i n không th nào gi i thích ậ ấ đ đư ộ đề ề ậ ổ để ể ả n i. Hi u ng quang i n là m t trong s vài v n lí thuy t mà các nhà v t lí v ng ổ ệ ứ đệ ộ ố ấ đề ế ậ ướ ph i vào nh ng n m 1900 do ni m tin r ng rãi vào thuy t sóng ánh sáng. Mãi cho n ả ữ ă ề ộ ế đế khi m t nhà v t lí c khác, Max Planck, ra m t lí thuy t thay th . Planck cho r ng ộ ậ Đứ đề ộ ế ế ằ ánh sáng, và các d ng khác c a b c x i n t , không ph i liên t c, mà g m nh ng góiạ ủ ứ ạ đệ ừ ả ụ ồ ữ n ng l ng (l ng t ) r i r c. Thuy t l ng t c a ông, mà v i nó ông ã nh n gi i ă ượ ượ ử ờ ạ ế ượ ử ủ ớ đ ậ ả th ng Nobel v t lí n m 1918, gi i thích cách ánh sáng có th , trong m t s tr ng ưở ậ ă ả ể ộ ố ườ h p, c xem là h t t ng ng v i l ng t n ng l ng, là lí thuy t k th a t ợ đượ ạ ươ đươ ớ ượ ử ă ượ ế ế ừ ư t ng c a Isaac Newton, ng i c ng tin ánh sáng là h t vào hai tr m n m tr c ó.ưở ủ ườ ũ ạ ă ă ướ đ Albert Einstein ã d a trên các nguyên lí l ng t c a Planck gi i thích hi u ng quangđ ự ượ ử ủ ả ệ ứ i n trong m t lí thuy t c s s dung hòa b n ch t sóng liên t c c a ánh sáng v i đệ ộ ế ơ ở ẽ ả ấ ụ ủ ớ hành tr ng h t c a nó. L p lu n cho l i gi i thích c a Einstein là ánh sáng có b c ạ ạ ủ ậ ậ ố ả ủ ướ sóng nh t nh x s nh th nó g m các h t r i r c, ngày nay g i là photon, t t c có ấ đị ử ự ư ể ồ ạ ờ ạ ọ ấ ả chung n ng l ng. Hi u ng quang i n x y ra do m i electron b b t ra là k t qu c a ă ượ ệ ứ đệ ả ỗ ị ậ ế ả ủ m t va ch m gi a m t photon t ánh sáng và m t electron trong kim lo i. Ánh sáng có ộ ạ ữ ộ ừ ộ ạ c ng l n h n ch gây ra nhi u photon h n va ch m lên kim lo i trong m t n v ườ độ ớ ơ ỉ ề ơ ạ ạ ộ đơ ị th i gian, t ng ng làm b t ra nhi u electron h n. N ng l ng c a m i electron phát ờ ươ ứ ậ ề ơ ă ượ ủ ỗ ra ph thu c vào b c sóng (t n s ) c a ánh sáng gây ra s phát x , v i ánh sáng t n ụ ộ ướ ầ ố ủ ự ạ ớ ầ s cao h n s t o ra electron có n ng l ng cao h n. S t l gi a n ng l ng photon ố ơ ẽ ạ ă ượ ơ ự ỉ ệ ữ ă ượ và t n s ánh sáng c mô t b ng nh c b n Planck c a thuy t l ng t , lí ầ ố đượ ả ằ đị đề ơ ả ủ ế ượ ử thuy t liên k t thuy t h t và thuy t sóng, sau này c phát tri n thành c s c a c ế ế ế ạ ế đượ ể ơ ở ủ ơ h c l ng t .ọ ượ ử Planck ban u a ra m t m i quan h c s gi a n ng l ng và t n s là m t ph n đầ đư ộ ố ệ ơ ở ữ ă ượ ầ ố ộ ầ lí thuy t c a ông v c ch mà các ch t r n phát ra b c x khi b nung nóng (b c x ế ủ ề ơ ế ấ ắ ứ ạ ị ứ ạ v t en). nh n i ti ng phát bi u r ng n ng l ng (E) c a photon t i b ng v i t n ậ đ Đị đề ổ ế ể ằ ă ượ ủ ớ ằ ớ ầ s (f) c a ánh sáng nhân v i m t h ng s (h), ngày nay g i là h ng s Planck. M i ố ủ ớ ộ ằ ố ọ ằ ố ố quan h n gi n ó c bi u di n nh sau:ệ đơ ả đ đượ ể ễ ư E = hf Hi u ng quang i n bi u hi n ba d ng: quang i n ngoài, quang d n, và quang i nệ ứ đệ ể ệ ở ạ đệ ẫ đệ trong, d ng th ba là áng k nh t i v i s chuy n hóa n ng l ng sáng thành n ng ạ ứ đ ể ấ đố ớ ự ể ă ượ ă l ng i n. Hi u ng quang i n ngoài x y ra khi ánh sáng va ch m lên m t b m t ượ đệ ệ ứ đệ ả ạ ộ ề ặ kim lo i chu n b tr c, ví d cesium, và chuy n hóa n ng l ng làm b t electron ạ ẩ ị ướ ụ ể đủ ă ượ ậ vào không gian t do g n k b m t ó. Trong t bào quang i n, electron b t ra b hút ự ầ ề ề ặ đ ế đệ ậ ị b i c c d ng, và khi áp vào m t hi u i n th thì m t dòng i n phát sinh sau ó t l ở ự ươ ộ ệ đệ ế ộ đệ đ ỉ ệ tuy n tính v i c ng ánh sáng t i lên t bào. Hi u ng quang i n ngoài c mô ế ớ ườ độ ớ ế ệ ứ đệ đượ t k l ng i v i các vùng n ng l ng cao, ví d nh vùng ph tia X và tia gamma, ả ĩ ưỡ đố ớ ă ượ ụ ư ổ và các t bào thu c lo i này th ng c s d ng phát hi n và nghiên c u các hi nế ộ ạ ườ đượ ử ụ để ệ ứ ệ t ng x y ra nh ng m c n ng l ng này.ượ ả ở ữ ứ ă ượ Nhi u ch t bi u hi n s thay i áng k d n i n khi b r i sáng, và tính ch t quangề ấ ể ệ ự đổ đ ể độ ẫ đệ ị ọ ấ d n c a chúng có th c khai thác óng m các d ng c i n, c ng nh nh ng ẫ ủ ể đượ đểđ ở ụ ụ đệ ũ ư ữ ng d ng khác. Trong các ch t có d n i n cao, nh kim lo i, s thay i d n ứ ụ ấ độ ẫ đệ ư ạ ự đổ độ ẫ i n có th không áng k . Tuy nhiên, trong ch t bán d n, s thay i này có th khá đệ ể đ ể ấ ẫ ự đổ ể l n. Vì s t ng d n i n t l v i c ng ánh sáng ch m t i ch t li u, nên dòng ớ ự ă độ ẫ đệ ỉ ệ ớ ườ độ ạ ớ ấ ệ i n là m t dòng ngoài s t ng theo c ng ánh sáng. Lo i t bào này th ng c đệ ộ ẽ ă ườ độ ạ ế ườ đượ dùng trong nh ng b c m bi n ánh sáng th c hi n nh ng công vi c nh b t và t t ữ ộ ả ế để ự ệ ữ ệ ư ậ ắ èn ng và èn chi u sáng trong nhà.đ đườ đ ế Hi u ng quang i n trong và pin M t Tr iệ ứ đệ ặ ờ T bào M t Tr i chuy n hóa n ng l ng ánh sáng thành n ng l ng i n, ho c gián ế ặ ờ ể ă ượ ă ượ đệ ặ ti p b ng cách tr c tiên chuy n nó thành n ng l ng nhi t, ho c qua m t quá trình ế ằ ướ ể ă ượ ệ ặ ộ tr c ti p g i là hi u ng quang i n trong. Các lo i t bào M t Tr i ph bi n nh t d a ự ế ọ ệ ứ đệ ạ ế ặ ờ ổ ế ấ ự trên hi u ng quang i n trong, x y ra khi ánh sáng r i vào m t ch t bán d n hai l p ệ ứ đệ ả ơ ộ ấ ẫ ớ t o ra m t s chênh l ch i n th , hay hi u i n th , gi a hai l p. Hi u i n th t o ra ạ ộ ự ệ đệ ế ệ đệ ế ữ ớ ệ đệ ế ạ trong t bào có th i u khi n dòng i n qua m t m ch i n ngoài có th dùng làm ế ể đề ể đệ ộ ạ đệ ể d ng c c p i n.ụ ụ ấ đệ N m 1839, nhà v t lí Pháp Edmund Becquerel phát hi n th y ánh sáng chi u vào hai ă ậ ệ ấ ế i n c c gi ng h t nhau t ng p trong m t dung d ch d n i n y u s t o ra m t hi u đệ ự ố ệ đặ ậ ộ ị ẫ đệ ế ẽ ạ ộ ệ i n th . Hi u ng này không hi u qu l m t o ra dòng i n, và vì không có ng đệ ế ệ ứ ệ ả ắ để ạ đệ ứ d ng th c t nào vào lúc ó, nên nó v n ch là m t s hi u kì trong nhi u n m. Vài th pụ ự ế đ ẫ ỉ ộ ự ế ề ă ậ k sau, s quang d n c a selenium c khám phá b i Willoughby Smith trong lúc ông ỉ ự ẫ ủ đượ ở ang ki m tra các ch t phát tri n cáp vi n thông d i n c. M t mô t c a t bào đ ể ấ để ể ễ ướ ướ ộ ả ủ ế quang i n selenium u tiên c công b vào n m 1877, và s c h p d n r t l n thu đệ đầ đượ ố ă ứ ấ ẫ ấ ớ c t vi c hi u ng quang i n trong c quan sát th y trong ch t r n. Nhà phát đượ ừ ệ ệ ứ đệ đượ ấ ấ ắ minh ng i M Charles Fritts ã ch t o c t bào M t Tr i u tiên c u t o t bánh ườ ĩ đ ế ạ đượ ế ặ ờ đầ ấ ạ ừ x p selenium vào n m 1883, m c dù t bào c a ông có hi u chuy n hóa ch kho ng 1-ố ă ặ ế ủ ệ ể ỉ ả 2%. Các ng d ng th ng m i th c d ng và công nghi p không d dàng có m t ngay, ứ ụ ươ ạ ự ụ ệ ễ ặ và vào u th k 20 (sau phát minh ra bóng èn i n), vi c phát i n b ng tuabin m i đầ ế ỉ đ đệ ệ đệ ằ ớ tr nên ph bi n. S h ng thú v i hi u ng quang i n trong nhanh chóng b lu m , và ở ổ ế ự ứ ớ ệ ứ đệ ị ờ a s các nghiên c u trong l nh v c này t p trung vào vi c i u khi n và ng d ng đ ố ứ ĩ ự ậ ệ đề ể ứ ụ dòng i n.đệ S hi u bi t toàn di n v hi n t ng bao hàm hi u ng quang i n trong không có ự ể ế ệ ề ệ ượ ệ ứ đệ c, mãi cho t i khi thuy t l ng t c phát tri n. Các ng d ng quang i n trong đượ ớ ế ượ ử đượ ể ứ ụ đệ ban u ch y u là c m bi n ho c o ánh sáng, ch không ph i t o ra n ng l ng đầ ủ ế ả ế ặ đ ứ ả ạ ă ượ i n. Tác nhân c n thi t cho nghiên c u trong l nh v c này n t mô t c a Einstein đệ ầ ế ứ ĩ ự đế ừ ả ủ v hi u ng quang i n và nh ng thí nghi m bu i u s d ng t bào quang i n thô ề ệ ứ đệ ữ ệ ổ đầ ử ụ ế đệ s . T bào M t Tr i th c d ng u tiên phát sinh t khám phá ra tính ch t quang i n ơ ế ặ ờ ự ụ đầ ừ ấ đệ trong ch t bán d n silicon pha t p ch t. Các mô un M t Tr i ch t o b i Phòng thí ấ ẫ ạ ấ đ ặ ờ ế ạ ở nghi m Bell trong n m 1954 c ch t o t các d n xu t t ng t silicon, và ho t ệ ă đượ ế ạ ừ ẫ ấ ươ ự ạ ng hi u su t g n 6%. Vào n m 1960, t bào quang i n trong c c i ti n t t i độ ở ệ ấ ầ ă ế đệ đượ ả ế đạ ớ hi u su t 14%, m t giá tr ghi nh n t o ra các d ng c h u d ng.ệ ấ ộ ị đủ ậ để ạ ụ ụ ữ ụ Ngày nay, nh ng t bào quang i n trong thông d ng nh t u s d ng vài l p silicon ữ ế đệ ụ ấ đề ử ụ ớ pha t p, cùng lo i ch t bán d n c s d ng s n xu t chip máy tính. Ch c n ng ạ ạ ấ ẫ đượ ử ụ để ả ấ ứ ă c a chúng ph thu c vào chuy n ng c a các th c th mang i n gi a các l p silion ủ ụ ộ ể độ ủ ự ể đệ ữ ớ xen k . Trong silicon tinh khi t, khi n ng l ng nh n vào (ví d , b ng cách làm ẽ ế đủ ă ượ ậ ụ ằ nóng), m t s electron trong các nguyên t silicon có th thoát ra t do kh i liên k t c aộ ố ử ể ự ỏ ế ủ chúng trong tinh th , l i phía sau m t l tr ng trong c u trúc i n t c a nguyên t . ể để ạ ộ ỗ ố ấ đệ ử ủ ử Các electron t do này chuy n ng ng u nhiên qua ch t r n tìm l tr ng khác k t ự ể độ ẫ ấ ắ ỗ ố để ế h p và gi i phóng n ng l ng th a c a chúng. Gi vai trò các h t mang i n t do, ợ ả ă ượ ừ ủ ữ ạ đệ ự các electron có kh n ng t o ra dòng i n, m c dù trong silicon tinh khi t có quá ít ả ă ạ đệ ặ ế chúng nên m c dòng i n là không áng k . Tuy nhiên, silicon có th c c i thi n ứ đệ đ ể ể đượ ả ệ b ng cách thêm vào nh ng t p ch t nh t nh s làm t ng ho c là s l ng electron t ằ ữ ạ ấ ấ đị ẽ ă ặ ố ượ ự do (silicon lo i n), ho c là s l ng l tr ng (ch thi u electron, còn g i là silicon lo i p).ạ ặ ố ượ ỗ ố ỗ ế ọ ạ Vì c l tr ng và electrond u l u ng bên trong m ng tinh th silicon c nh nên ả ỗ ố đề ư độ ạ ể ố đị chúng có th k t h p trung hòa l n nhau d i s tác ng c a m t hi u i n th . ể ế ợ để ẫ ướ ự độ ủ ộ ệ đệ ế Silicon pha t p theo ki u này có tính nh y sáng s d ng trong các ng d ng ạ ể đủ ạ để ử ụ ứ ụ quang i n trong.đệ Trong m t t bào quang i n trong i n hình, hai l p bán d n silicon pha t p liên k t sít ộ ế đệ để ớ ẫ ạ ế sao v i nhau (xem hình 5). M t l p c c i bi n có quá s electron t do (g i là ớ ộ ớ đượ ả ế để ố ự ọ [...]... của các nguyên tố cảm biến diode quang Sự chuyển hóa năng lượ ng thành ánh sáng Vì độ lớn và tính rộng khắp của ánh sáng và năng lượng Mặt Trời chạm t ới Trái Đất, nên sự chuyển hóa ngượ c lại từ các dạng năng l ượng khác thành ánh sáng d ường nh ư là không quan trọng Tuy nhiên, những b ức hình chụp m ới đây t ừ phi thuyền và vệ tinh của Trái Đất vào ban đêm cho thấy ở nh ững khu v ực dân c ư đông đúc,... tố hấp thụ ánh sáng proteorhodopsin, cho phép chúng chuyển hóa ánh sáng Mặt Trời thành năng l ượng tế bào mà không phụ thuộc chlorophyll Khám phá này làm tăng thêm khả năng s ử dụng các vi khuẩn dễ thao tác, như E.coli, trong máy phát năng l ượ ng điều khiển bằng ánh sáng có hàng loạt ứng dụng trong cả vật lí học và khoa học về sự sống Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử: Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín... thấp đa dạng, và phát ra ánh sáng có đặc trưng phổ phụ thuộc vào chất khí và nh ững chất khác h ợp nhất trong đèn Có lẽ quá trình cơ bản nhất chuyển hóa năng l ượng thành ánh sáng t ương t ự nh ư nguồn nhiệt và ánh sáng của Mặt Trời, đó là quá trình nhiệt hạch hạt nhân Các nhà khoa học có thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch chỉ trong khoảng ch ừng n ửa thế kỉ nay, nhưng những phản ứng như thế đã và đang xảy... kể ánh sáng bằng cách chuyển hóa nguồn năng lượ ng điện (hình 8) Những quá trình t ự nhiên khác cũng xảy ra làm phát sinh ánh sáng, thườ ng đi cùng v ới nhiệt Dù cho xảy ra t ự nhiên hay là có s ự hỗ tr ợ khéo léo của con ngườ i, ánh sáng có thể phát ra t ừ các c ơ chế chuyển hóa năng l ượng c ơ học, hóa học, và điện học Hình 8 là một ảnh ghép từ hàng trăm tấm ảnh chụp Trái Đất t ừ vệ tinh Ánh sáng. .. thái chân không một phần, và ch ứa rất ít oxygen, nên dây tóc sẽ không bắt lửa, nhưng sẽ rất nóng và sáng r ực r ỡ Đèn điện hiện đại sử dụng ba quá trình khác nhau để tạo ra ánh sáng t ừ năng l ượng điện cung cấp cho chúng Đèn nóng sáng chuẩn, lấy tr ực tiếp t ừ các mẫu ban đầu của những năm 1800, ngày nay chủ yếu s ử dụng dây tóc volfram trong một chất khí tr ơ, và phát ra ánh sáng bằng hiệu ứng điện... năm tr ời, và một h ướng tiến bộ không thể tránh được sau đó là việc tìm kiếm nh ững cải tiến cả về ch ức năng và độ an toàn Sau khi ng ườ i ta biết rằng m ỡ động vật và dầu th ực vật cháy v ới ngọn l ửa màu vàng chói, đã có nhu cầu l ớn về nh ững loại dầu này, và phần nhiều trong số đó được lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và hải cẩu Việc đốt cháy dầu khó kiểm soát, và phải thêm bấc vào đèn để... kim loại được đặt vào mặt ngoài của hai lớp bán dẫn, và cung cấp một đường dẫn t ới mạch điện ngoài nối hai l ớp lại Kết quả cuối cùng là việc tạo ra công suất điện thu được tr ực tiếp t ừ năng l ượng ánh sáng Hiệu điện thế tạo ra bởi tế bào Mặt Trời biến thiên theo b ước sóng của ánh sáng t ới, nhưng những chiếc tế bào tiêu biểu được chế tạo để s ử dụng phổ bước sóng rộng của ánh sáng ban ngày do Mặt... lượ ng Mặt Trời chủ động Mặc dù các tế bào Mặt Trời chuyển hóa tr ực tiếp ánh sáng thành năng l ượng điện, nhưng những phươ ng tiện gián tiếp cũng có thể sử dụng ánh sáng để tạo ra năng lượ ng dướ i dạng nhiệt Những cơ cấu này có thể chia thành hai loại: các hệ năng lượ ng Mặt Trời thụ động và chủ động Các hệ thụ động phụ thuộc vào s ự hấp thụ nhiệt mà không liên quan t ới chuyển động c ơ học Lấy ví... ự do trong lớp n đi vào lớp p nhằm lắp đầy các lỗ trống S ự kết h ợp của electron và lỗ trống tại tiếp giáp p-n tạo ra một rào cản ngăn số electron v ượ t qua tăng thêm Khi s ự thiếu cân bằng điện đạt tới điều kiện cân bằng, một điện trườ ng ổn định được thiết lập qua ranh giới phân tách hai l ớp Khi ánh sáng có b ướ c sóng (và năng lượng) thích h ợp chạm t ới tế bào tách l ớp và bị hấp thụ, electron... ngoài và bên trong màu đen, có thể đạt t ới nhiệt độ quá 100 độ C dướ i ánh sáng Mặt Trời mạnh, tr ực tiếp Nhiệt độ này có thể dùng để đun nấu thức ăn, và ở những nướ c đang phát triển hoặc những khu v ực có nguồn nhiên liệu hạn chế, đây là một công cụ đơn giản có thể mang lại sự cải thiện đáng kể cho chất lượ ng cuộc sống Các hệ năng lượ ng Mặt Trời chủ động thườ ng dựa trên việc sử dụng ánh sáng Mặt