Ánh sáng và Năng lượng

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

90
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ánh sáng và Năng lượng

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.
Chúng ta đều biết rằng nếu như Mặt Trời không mọc, thì thời tiết của chúng ta sẽ chuyển sang mùa đông lạnh lẽo mãi mãi, ao hồ và sông suối sẽ đóng băng khắp nơi, và thực vật và động vật sẽ nhanh chóng bị diệt vong. Các động cơ sẽ không hoạt động được, và chúng ta không có cách nào để chuyên chở thực phẩm hoặc nhiên liệu, hoặc để phát ra điện. Với chất đốt hạn chế để tạo ra lửa, loài người sẽ sớm không còn nguồn thắp sáng hoặc nguồn cấp nhiệt. Tuy nhiên, với sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về hệ mặt trời, chúng ta có thể khá chắc chắn rằng Mặt Trời sẽ mọc lên vào ngày mai, như trước nay nó vẫn mọc kể từ khi Trái Đất lần đầu tiên cô đặc lại từ một đám mây khí của các mảnh vụn vũ trụ. Trong quá khứ chưa lâu lắm, loài người không chắc chắn lắm về điều này. Họ không thể giải thích đưcợ tại sao Mặt Trời lại chuyển động ngang qua bầu trời, họ cũng không biết cách thức nó tạo ra ánh sáng khác biệt giữa ngày và đêm. Nhiều nền văn minh đã ghi nhận tầm quan trọng của Mặt Trời, tôn thờ ngôi sao gần chúng ta nhất này làm thần thánh (xem hình 1) với niềm hi vọng là nó sẽ không biến mất. Lượng năng lượng rơi lên bề mặt Trái Đất đến từ Mặt Trời khoảng chừng 5,6 tỉ tỉ megajun mỗi năm. Tính trung bình cho toàn bộ bề mặt Trái Đất, điều này có nghĩa là mối mét vuông nhận được chừng 5 kWh mỗi ngày. Năng lượng đến từ Mặt Trời trong một ngày có thể cung cấp nhu cầu cho toàn bộ dân cư của Trái Đất trong ba thập kỉ. Rõ ràng là không có phương tiện nào có khả năng (và cũng không cần thiết) khai thác toàn bộ nguồn năng lượng có sẵn này, cũng hiển nhiên là việc nắm bắt cả một phần nhỏ của nguồn năng lượng có sẵn này ở dạng có thể sử dụng được sẽ có giá trị rất lớn. Mặc dù toàn bộ năng lượng chạm đến bầu khí quyển Trái Đất xuất phát từ Mặt Trời là thật đáng kinh ngạc, nhưng nó không có mức độ tập trung rất cao so với các dạng năng lượng khác mà chúng ta sử dụng, ví dụ như lửa, các loại đèn nóng sáng và các lò sưởi điện. Vì vậy, bất cứ phương tiện nào bắt lấy năng lượng Mặt Trời cũng phải chiếm một diện tích tương đối lớn để làm tập trung có hiệu quả phần năng lượng cần thiết. Chỉ trong vài thập niên gần đây, loài người mới bắt đầu tìm kiếm nghiêm túc cơ chế khai thác tiềm năng khổng lồ của năng lượng Mặt Trời. Mối quan tâm lớn này có nguyên do từ sức tiêu thụ năng lượng liên tục tăng lên,
làm phát sinh các vấn đề môi trường và mối lo ngại về sự cạn kiệt không thể tránh khỏi của các nguồn nhiên liệu hóa thạch mà chúng ta ngày càng phụ thuộc nhiều vào chúng. Cung cấp năng lượng cho sự sống Năng lượng Mặt Trời có liên quan mật thiết tới sự tồn tại của mọi sinh vật sống có mặt trên hành tinh này và cách thức mà các dạng sống buổi đầu phát triển trên Trái Đất nguyên thủy, sau cùng tiến hóa thành những dạng hiện tại của chúng. Hiện nay, các nhà khoa học nhận thấy cây cối hấp thụ nước và carbon dioxide từ môi trường, và sử dụng năng lượng từ Mặt Trời (xem hình 2) chuyển hóa các chất đơn giản này thành glucose và oxygen. Với glucose là viên gạch cấu trúc cơ bản, cây cối tổng hợp nên một số chất hóa sinh phức tạp chứa carbon để sinh trưởng và duy trì sự sống. Quá trình này gọi là sự quang hợp và là cơ sở của sự sống trên Trái Đất. Các nhà khoa học vẫn chưa làm sáng tỏ được cơ chế phức tạp mà qua đó sự quang hợp xảy ra, nhưng quá trình này đã tồn tại hàng triệu năm nay rồi và sự thích nghi rất sớm trong lịch sử tiến hóa của sự sống. Những sinh vật sống đầu tiên là các sinh vật hướng hóa chất, lớn lên bằng cách thu năng lượng từ những phản ứng hóa học đơn giản. Từ những tổ chức nguyên thủy này, tế bào ra đời có thể thu năng lượng cần thiết từ sự quang hợp, tạo ra sản phẩm là oxygen. Đơn giản nhất trong nhóm các cơ thể sống này là cyanobacteria. Sinh vật một tế nào chưa có nhân thật thuộc loại này là sinh vật sống lớn tuổi nhất trên hành tinh chúng ta, và người ta tin rằng chúng là dạng sống thống trị trên Trái Đất hơn 2 tỉ năm. Các nhà địa chất đã tìm thấy những khối cyanobacteria hóa thạch lớn, gọi là stromatolite, trên ba tỉ năm tuổi (một số mẫu vật khác có thể tìm thấy ở vùng biển nông duyên hải Australia).
Trước khi các sinh vật quang hợp phát triển, có rất ít oxygen trong bầu khí quyển Trái Đất, nhưng một khi quá trình tạo oxygen bắt đầu, khi đó tồn tại khả năng có các sinh vật tiến hóa cần oxygen. Do lượng năng lượng rất lớn có sẵn từ Mặt Trời, nên khả năng nhận được các thành phần cần thiết cho sự sống là nguồn cung cấp Mặt Trời có thể thực hiện dễ dàng với những dạng thức sống phức tạp hơn nhiều trước khi quá trình quang hợp tiến triển. Đa số cây cối lớn lên trên đất, và nếu bị nhổ lên, chúng sẽ chết. Trong nhiều thế kỉ, loài người tin rằng cây cối sinh sôi là nhờ ăn đất. Những phép đo tỉ mỉ sự tăng trưởng của cây xanh đã được thực hiện bởi nhà khoa học người Bỉ, Jan Baptista van Helmont, vào đầu thế kỉ 17. Van Helmont đã chứng minh được một cái cây đang lớn tăng trọng nhiều hơn lượng đất bị mất, và kết luận rằng cây xanh được nuôi dưỡng bằng một thứ gì đó, ngoài đất ra. Cuối cùng, ông kết luận cây lớn lên, một phần. là nhờ nước. Hơn nửa thế kỉ sau, nhà sinh lí học người Anh Stephen Hales phát hiện thấy cây xanh cũng cần có không khí để trưởng thành, và, thật ngạc nhiên, ông nhận thấy cây cối hấp thụ khí carbon dioxide từ không khí. Nhà hóa học người Anh Joseph Priestley là nhà nghiên cứu đầu tiên nhận thấy cây xanh giải phóng oxygen khi chúng khỏe mạnh và tăng trưởng. Thí nghiệm
của ông chứng minh cho quá trình quang hợp, và cho thấy hô hấp và quang hợp là những quá trình có liên quan, nhưng hoạt động theo chiều ngược nhau. Thí nghiệm nổi tiếng nhất của Priestley (khoảng năm 1772) chứng minh rằng một cây nến sẽ nhanh chóng tắt nếu đặt nó trong một cái bình hình chuông, nhưng nó sẽ cháy trở lại trong cùng không khí đó nếu như đặt một cây xanh trong đó vài ngày. Ông kết luận cây xanh có thể “hoàn trả” phần không khí bị “tổn hại” bởi ngọn nến cháy. Trong những thí nghiệm khác, Priestley chứng minh được rằng một con chuột đặt trong bình sẽ “làm tổn hại” không khí theo kiểu giống như cây nến, nhưng có thể thở trong không khí sau khi “hoàn trả”, dẫn đến quan điểm cho rằng hô hấp và quang hợp là hai quá trình ngược nhau. Theo lời Priestley thì “phần không khí đó sẽ hoặc là làm tắt ngọn nến, hoặc là hoàn toàn bất tiện cho con chuột mà tôi đặt vào đó”. Priestley đã phát hiện ra một chất sau này được đặt tên là oxygen, bởi nhà hóa học người Pháp Antoine Laurent Lavoisier, người nghiên cứu mối quan hệ giữa sự cháy và không khí. Một yếu tố then chốt để hiểu được sự quang hợp vẫn còn thiếu, mãi cho đến khi nhà sinh lí học người Hà Lan Jan Ingenhousz xác định được, vào năm 1778, rằng cây xanh chỉ hấp thụ carbon dioxide và giải phóng oxygen khi nào chúng phơi ra trước ánh sáng. Cuối cùng, nhà vật lí người Đức, Julius Robert Mayer đã chính thức hóa ý tưởng cho rằng năng lượng được chuyển hóa từ ánh sáng để tạo ra một hóa chất mới trong cây xanh đang sinh trưởng. Mayer tin rằng một quá trình hóa học thích hợp (ngày nay gọi là oxy hóa) là nguồn năng lượng cơ bản đối với một cơ thể sống. Quang hợp, có nghĩa là “kết hợp với nhau bằng ánh sáng”, là quá trình mà qua đó hầu như tất cả mọi cây xanh, một số vi khuẩn, và một vài sinh vật nguyên thủy khai thác năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời để tạo ra đường (và oxygen là sản phẩm). Sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học phụ thuộc vào một chất gọi là chlorophyll, sắc tố màu xanh lá cây đã mang lại màu xanh cho chiếc lá. Không phải tất cả cây cối đều có lá, nhưng chúng thật sự rất có hiệu quả trong việc chuyển hóa quang năng thành hóa năng. Thường thì những chiếc lá hay
được xem là những máy thu Mặt Trời sinh học, được trang bị hàng loạt tế bào nhỏ xíu thực hiện quang hợp ở cấp độ vi mô. Sắc tố được định nghĩa là chất hấp thụ và phản xạ ánh sáng khả kiến. Đa phần sắc tố là những chất có màu, biểu hiện màu nhất định phụ thuộc vào sự phân bố bước sóng ánh sáng phản xạ và hấp thụ. Mỗi sắc tố có phổ hấp thụ đặc trưng riêng của nó, xác định phần phổ trên đó sắc tố thu nhận có hiệu quả năng lượng từ ánh sáng. Chlorophyll, chất hóa sinh phổ biến với mọi cơ thể quang hợp, phản xạ bước sóng màu xanh lá cây (trung bình) và hấp thụ các bước sóng xanh-tím và đỏ- cam ở hai đầu dải phổ ánh sáng khả kiến. Chlorophyll là một phân tử phức hợp tồn tại ở vài biến thể hoặc đồng phân trong cây xanh và các cơ thể quang hợp khác. Tất cả sinh vật thực hiện quang hợp đều chứa loại chất gọi là chlorophyll a. Nhi ều sinh vật khác cũng chứa các sắc tố phụ, gồm những chlorophyll khác, carotenoid và xanthophyll, hấp thụ những bước sóng khác trong phổ khả kiến. Như vậy, cây xanh có thể thích ứng với những nhân tố môi trường nhất định tác động bản chất của ánh sáng có sẵn lên chúng theo kiểu
thích hợp. Các nhân tố như chiều sâu và chất lượng nước ảnh hưởng mạnh đến bước sóng ánh sáng có sẵn trong môi trường sông nước và môi trường biển khác nhau, và đóng vai trò to lớn trong nhiệm vụ quang hợp của phytoplankon và những loài sinh vật nguyên thủy khác. Khi một sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, năng lượng hoặc có thể tiêu tan dưới dạng nhiệt, phát ra ở bước sóng dài hơn dưới dạng huỳnh quang, hoặc nó có thể gây ra một phản ứng hóa học. Các màng và cấu trúc nhất định trong sinh vật quang hợp đóng vai trò đơn vị cấu trúc của sự quang hợp vì chlorophyll sẽ chỉ tham gia và những phản ứng hóa học khi phân tử đó tương thích với protein gắn trên màng (ví dụ như lục lạp, hình 3). Quang hợp là một quá trình hai giai đoạn, và trong cơ thể có lục lạp, hai khu vực cấu trúc khác nhau này nằm trong những quá trình riêng. Một quá trình phụ thuộc ánh sáng (thường gọi là phản ứng sáng) xảy ra trong hạt xếp cọc, trong khi một quá trình phụ thuộc ánh sáng thứ hai (phản ứng tối) xảy ra đồng thời trong chất nền của lục lạp (hình 3). Người ta cho rằng phản ứng tối có thể xảy ra trong sự thiếu sáng chừng nào mà các hạt mang năng lượng phát triển trong phản ứng sáng có mặt. Giai đoạn thứ nhất của sự quang hợp xảy ra khi năng lượng từ ánh sáng được sử dụng trực tiếp để tạo ra các phân tử mang năng lượng, như adonesine triphosphate (ATP). Trong giai đoạn này, nước bị tách các thành phần của nó, và oxygen được giải phóng dưới dạng sản phẩm. Các tác nhân vận chuyển năng lượng hóa sau đó được dùng trong quá trình thứ hai và là quá trình cơ bản nhất của quá trình quang hợp: tạo ra các liên kết carbon-carbon. Giai đoạn thứ hai không yêu cầu rọi sáng (quá trình tối) và chịu trách nhiệm cung cấp chất dinh dưỡng cơ bản cho tế bào cây xanh, cũng như tổng hợp chất liệu cho thành tế bào và các thành phần khác. Trong quá trình này, carbon dioxide gắn với hydrogen tạo thành carbonhydrate, một họ chất hóa sinh chứa cùng số nguyên tử carbon và phân tử nước. Nói chung, quá trình quang hợp không cho phép cơ thể sống sử dụng trực
tiếp năng lượng ánh sáng, mà yêu cầu bắt năng lượng trong giai đoạn thứ nhất, tiếp theo sau là giai đoạn thứ hai của các phản ứng hóa sinh phức tạp chuyển hóa năng lượng thành liên kết hóa học. Hiện tượng quang điện Một câu hỏi cơ bản phát sinh trong số các nhà khoa học, vào đầu những năm 1700, là khả năng tác động của ánh sáng lên vật chất, và bản chất và hàm ý của những tương tác này. Vào thế kỉ 19, các nhà nghiên cứu đã xác định được ánh sáng có thể tạo ra hạt mang điện khi chiếu vào bề mặt những kim loại nhất định. Những nghiên cứu sau đó đưa tới khám phá thấy rằng hiện tượng này, ngày nay gọi là hiệu ứng quang điện, làm tự do hoặc giải phóng các electron liên kết với các nguyên tử trong kim loại (hình 4). Năm 1900, nhà vật lí người Đức, Phillip Lenard, xác nhận được nguồn phát sinh điện tích là sự phát xạ electron, và tìm thấy mối quan hệ bất ngờ giữa bước sóng ánh sáng và năng lượng và số electron được giải phóng. Bằng cách sử dụng ánh sáng có bước sóng nhất định (lọc bằng một lăng kính), Lenard chứng minh được rằng năng lượng từ electron giải phóng chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chứ không phụ thuộc vào cường độ sáng. Ánh sáng cường độ thấp tạo ra ít electron hơn, nhưng mỗi electron đều có năng lượng như nhau, bất chấp cường độ sáng. Hơn nữa, Lenard còn nhận thấy ánh sáng có bước sóng ngắn giải phóng electron có năng lượng lớn hơn năng lượng electron tự do được giải phóng bằng ánh sáng có bước sóng dài hơn.
Lenard kết luận rằng cường độ ánh sáng xác định số electron được giải phóng bởi hiện tượng quang điện, và bước sóng ánh sáng xác định lượng năng lượng nội tại chứa trong mỗi electron được giải phóng. Vào lúc ấy, sự tương tác bất thường này giữa ánh sáng và vật chất đã đưa ra một nan đề mà nền vật lí cổ điển không thể nào giải thích nổi. Hiệu ứng quang điện là một trong số vài vấn đề lí thuyết mà các nhà vật lí vướng phải vào những năm 1900 do niềm tin rộng rãi vào thuyết sóng ánh sáng. Mãi cho đến khi một nhà vật lí Đức khác, Max Planck, đề ra một lí thuyết thay thế. Planck cho rằng ánh sáng, và các dạng khác của bức xạ điện từ, không phải liên tục, mà gồm những gói năng lượng (lượng tử) rời rạc. Thuyết lượng tử của ông, mà với nó ông đã nhận giải thưởng Nobel vật lí năm 1918, giải thích cách ánh sáng có thể, trong một số trường hợp, được xem là hạt tương đương với lượng tử năng lượng, là lí thuyết kế thừa tư tưởng của Isaac Newton, người cũng tin ánh sáng là hạt vào hai trăm năm trước đó. Albert Einstein đã dựa trên các nguyên lí lượng tử của Planck giải thích hiệu ứng quang điện trong một lí thuyết cơ sở sẽ dung hòa bản chất sóng liên tục của ánh sáng với hành trạng hạt của nó. Lập luận cho lối giải thích của Einstein là ánh sáng có bước sóng nhất định xử sự như thể nó gồm các hạt rời rạc, ngày nay gọi là photon, tất cả có chung năng lượng. Hiệu ứng quang điện xảy ra do mỗi electron bị bật ra là kết quả của một va chạm giữa một photon từ ánh sáng và một electron trong kim loại. Ánh sáng có cường độ lớn hơn chỉ gây ra nhiều photon hơn va chạm lên kim loại trong một đơn vị thời gian, tương ứng làm bật ra nhiều electron hơn. Năng lượng của mỗi electron phát ra phụ thuộc vào bước sóng (tần số) của ánh sáng gây ra sự phát xạ, với ánh sáng tần số cao hơn sẽ tạo ra electron có năng lượng cao hơn. Sự tỉ lệ giữa năng lượng photon và tần số ánh sáng được mô tả bằng định đề cơ bản Planck của thuyết lượng tử, lí thuyết liên kết thuyết hạt và thuyết sóng, sau này được phát triển thành cơ sở của cơ học lượng tử.