Природний фотоефект – 2 год.

ПланПлан: : 1.1.Застосування фотоефекта. Застосування фотоефекта. 22. Маса, імпульс фотона.. Маса, імпульс фотона.3.3.Тиск світла. Тиск світла. 4.4.Фотосинтез.Фотосинтез.

1.1.Застосування фотоефекта.Застосування фотоефекта. Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для

більшого розуміння природи світла. Але цінність науки більшого розуміння природи світла. Але цінність науки полягає не тільки в тому, що вона з'ясовує складну і полягає не тільки в тому, що вона з'ясовує складну і багатогранну будову навколишнього середовища, а і в багатогранну будову навколишнього середовища, а і в тому, що наука дає нам в руки засоби, за допомогою яких тому, що наука дає нам в руки засоби, за допомогою яких можна удосконалити виробництво, поліпшувати умови можна удосконалити виробництво, поліпшувати умови матеріального і культурного життя. матеріального і культурного життя.

Завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим: Завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим: 1) звукове кіно; 1) звукове кіно; 2) створення різноманітних апаратів, які слідкують за 2) створення різноманітних апаратів, які слідкують за

освітленістю вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени освітленістю вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени на річках, працюють на річках, працюють "контролерами""контролерами" в метро, рахують в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість обробки деталей; готову продукцію, контролюють якість обробки деталей;

3) перетворення світлової енергії в електричну за 3) перетворення світлової енергії в електричну за допомогою фотоелементів. допомогою фотоелементів.

Промисловість виготовляє фотоелементи двох типів - Промисловість виготовляє фотоелементи двох типів - вакуумні вакуумні та та напівпровідникові.напівпровідникові.

1. Вакуумні фотоелементи із зовнішнім фотоефектом. Дно невеликої 1. Вакуумні фотоелементи із зовнішнім фотоефектом. Дно невеликої скляної колби з глибоким вакуумом покривають цезієм і приєднують до скляної колби з глибоким вакуумом покривають цезієм і приєднують до "-" батареї. У центрі колби знаходиться металеве кільце, яке з'єднують "-" батареї. У центрі колби знаходиться металеве кільце, яке з'єднують із затискачем "+" батареї. Унаслідок освітлення приладу світлом із із затискачем "+" батареї. Унаслідок освітлення приладу світлом із цезію вириваються електрони і летять до металевого кільця. У цезію вириваються електрони і летять до металевого кільця. У результаті в центрі фотоелемента виникає струм. результаті в центрі фотоелемента виникає струм.

2. Напівпровідникові фотоелементи 2. Напівпровідникові фотоелементи з внутрішнім фотоелементом: з внутрішнім фотоелементом: фотоопори, фотодіоди, сонячні фотоопори, фотодіоди, сонячні батареї та ін. (рис.7.6). Це батареї та ін. (рис.7.6). Це напівпровідники із власною чи напівпровідники із власною чи домішковою провідністю. У сонячних батареях створюють р-п - домішковою провідністю. У сонячних батареях створюють р-п -

перехід, доступний для світла. Під час освітлення перехід, доступний для світла. Під час освітлення фотоелемента змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а фотоелемента змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а з нею і струм. Якщо в сонячній батареї світло потрапить в п-р - з нею і струм. Якщо в сонячній батареї світло потрапить в п-р - перехід, то між р і п ділянками виникає напруга.перехід, то між р і п ділянками виникає напруга.

22.Маса, імпульс фотона..Маса, імпульс фотона. Фото́нФото́н (грец. Φωτόνιο)— квант електромагнітного поля, (грец. Φωτόνιο)— квант електромагнітного поля,

елементарна частинка, що є носієм електромагнітної елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії.взаємодії.

Маса: 0Маса: 0 Імпульс фотона визначають за формулою:Імпульс фотона визначають за формулою:

3.3.Тиск світла.Тиск світла. Світлови́й тиск —Світлови́й тиск — тиск, який світло чинить на тіло, в якому тиск, який світло чинить на тіло, в якому

поглинається, або від якого відбивається.поглинається, або від якого відбивається. Теоретично існування світлового тиску передбачив Теоретично існування світлового тиску передбачив

Максвелл в 1871 році, а експериментально дослідив П. М. Максвелл в 1871 році, а експериментально дослідив П. М. Лебедєв у 1900.Лебедєв у 1900.

Світло складається з фотонів, кожен з яких має імпульсСвітло складається з фотонів, кожен з яких має імпульс

де де ωω — частота, — зведена стала Планка, — частота, — зведена стала Планка, cc — швидкість — швидкість світла у вакуумі.світла у вакуумі.

За законом збереження імпульсу при поглинанні фотона За законом збереження імпульсу при поглинанні фотона цей імпульс передається тілу, що його поглинуло. При цей імпульс передається тілу, що його поглинуло. При відбитті світла імпульс фотона міняється на протилежний, відбитті світла імпульс фотона міняється на протилежний, а тіло, від якого відбивається світловий промінь, отримує а тіло, від якого відбивається світловий промінь, отримує вдвічі більший імпульс.вдвічі більший імпульс.

Якщо на одиницю поверхні тіла в одиницю часу падає n' Якщо на одиницю поверхні тіла в одиницю часу падає n' фотонів, поглинаючись в ній, то тиск на поверхню P фотонів, поглинаючись в ній, то тиск на поверхню P дорівнюєдорівнює

де де II — потік світлової енергії. — потік світлової енергії. При відбитті світла поверхнею тіла світловий тиск вдвічі При відбитті світла поверхнею тіла світловий тиск вдвічі

більший. При проходженні фотона наскрізь світлового більший. При проходженні фотона наскрізь світлового тиску не виникає. Тому в загальному випадку наведену тиску не виникає. Тому в загальному випадку наведену формулу потрібно скоригувати з врахуванням цих формулу потрібно скоригувати з врахуванням цих процесів.процесів.

4.4.Фотосинтез.Фотосинтез. Фотоси́нтезФотоси́нтез (від грец. φωτο- — (від грец. φωτο- — світлосвітло та грец. σύνθεσις — та грец. σύνθεσις —

синтез, сукупністьсинтез, сукупність) — процес синтезу органічних сполук з ) — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу та води з використанням енергії світла й вуглекислого газу та води з використанням енергії світла й за участю фотосинтетичних пігментів: (хлорофіл у рослин, за участю фотосинтетичних пігментів: (хлорофіл у рослин, хлорофіл, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій), хлорофіл, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій), часто з виділенням кисню як побічного продукту. Це часто з виділенням кисню як побічного продукту. Це надзвичайно складний процес,надзвичайно складний процес,

що включає довгу що включає довгу послідовність координованих послідовність координованих біохімічних реакцій. Він біохімічних реакцій. Він відбувається у вищих рослинах, відбувається у вищих рослинах, водоростях, багатьох бактеріях, водоростях, багатьох бактеріях, деяких археях і найпростіших — деяких археях і найпростіших — організмах, відомих разом як організмах, відомих разом як фототрофи. Сам процес відіграє важливу роль у кругообігу фототрофи. Сам процес відіграє важливу роль у кругообігу

вуглецю у природі.вуглецю у природі.

Узагальнене рівняння фотосинтезу (брутто-формула) має Узагальнене рівняння фотосинтезу (брутто-формула) має вигляд:вигляд:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О26СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 В ході світлової стадії фотосинтезу утворюються В ході світлової стадії фотосинтезу утворюються

високоенергетичні продукти: аденозинтрифосфат, що служить в високоенергетичні продукти: аденозинтрифосфат, що служить в клітині джерелом енергії, і НАДФН, що використовується як клітині джерелом енергії, і НАДФН, що використовується як відновник. Як побічний продукт виділяється кисень.відновник. Як побічний продукт виділяється кисень.

Хлорофіл виконує дві функції: поглинання і передачу енергії. Хлорофіл виконує дві функції: поглинання і передачу енергії. Більше 90% всього хлорофілу хлоропластів входить до складу Більше 90% всього хлорофілу хлоропластів входить до складу світлозбиральних комплексів (СЗК), що виконують роль антени, світлозбиральних комплексів (СЗК), що виконують роль антени, яка передає енергію до реакційного центру фотосистем I або II. яка передає енергію до реакційного центру фотосистем I або II. Крім хлорофілу, в СЗК є каротиноїди, а у деяких водоростей і Крім хлорофілу, в СЗК є каротиноїди, а у деяких водоростей і ціанобактерій ціанобактерій — фікобіліни— фікобіліни, роль яких полягає в поглинанні , роль яких полягає в поглинанні світла тих довжин хвиль, які хлорофіл поглинає порівняно світла тих довжин хвиль, які хлорофіл поглинає порівняно слабо.слабо.

Передача енергії йде резонансним шляхом (механізм Ферстера) і Передача енергії йде резонансним шляхом (механізм Ферстера) і займає для однієї пари молекул 10−10-10−12 сек., відстань, на займає для однієї пари молекул 10−10-10−12 сек., відстань, на яку здійснюється перенесення, складає близько 1 нм. Передача яку здійснюється перенесення, складає близько 1 нм. Передача супроводжується деякими втратами енергії (10% від хлорофілу а супроводжується деякими втратами енергії (10% від хлорофілу а до хлорофілу b, 60% від каротиноїдів до хлорофілу), через що до хлорофілу b, 60% від каротиноїдів до хлорофілу), через що можлива тільки від пігмента з максимумом поглинання при можлива тільки від пігмента з максимумом поглинання при меншій довжині хвилі до пігмента з більшою довжиною хвилі в меншій довжині хвилі до пігмента з більшою довжиною хвилі в максимумі поглинання. Саме у такому порядку взаємно максимумі поглинання. Саме у такому порядку взаємно локалізуються пігменти СЗК, причому найбільш довгохвильові локалізуються пігменти СЗК, причому найбільш довгохвильові хлорофілли знаходяться в реакційних центрах. Зворотний хлорофілли знаходяться в реакційних центрах. Зворотний перехід енергії неможливий.перехід енергії неможливий.

СЗК рослин розташований в мембранах тилакоїдів, у СЗК рослин розташований в мембранах тилакоїдів, у ціанобактерій основна його частина винесена за межі мембран у ціанобактерій основна його частина винесена за межі мембран у прикріплені до них прикріплені до них фікобілісоми фікобілісоми — паличкоподібні поліпептидно-— паличкоподібні поліпептидно-пігментні комплекси, в яких знаходяться різні фікобіліни: на пігментні комплекси, в яких знаходяться різні фікобіліни: на периферії фікоерітріни (з максимумом поглинання при 495—565 периферії фікоерітріни (з максимумом поглинання при 495—565 нм), за ними фікоцианіни (550—615 нм) і аллофікоцианіни (610—нм), за ними фікоцианіни (550—615 нм) і аллофікоцианіни (610—670 нм), що послідовно передають енергію на хлорофіл а (680—670 нм), що послідовно передають енергію на хлорофіл а (680—700 нм) реакційного центру.700 нм) реакційного центру.

Фотосинтез є основним джерелом біологічної енергії,Фотосинтез є основним джерелом біологічної енергії, фотосинтезуючі автотрофи використовують її для утворення фотосинтезуючі автотрофи використовують її для утворення органічних речовин з неорганічних, гетеротрофи існують за органічних речовин з неорганічних, гетеротрофи існують за рахунок енергії хімічних зв'язків, запасеної автотрофами, рахунок енергії хімічних зв'язків, запасеної автотрофами, вивільняючи її в процесах аеробного та анаеробного дихання. вивільняючи її в процесах аеробного та анаеробного дихання. Енергія, отримувана людством при спалюванні викопного Енергія, отримувана людством при спалюванні викопного палива (вугілля, нафта, природний газ, торф), також є палива (вугілля, нафта, природний газ, торф), також є запасеною в процесі фотосинтезу.запасеною в процесі фотосинтезу.

Фотосинтез є головним методом залучення неорганічного Фотосинтез є головним методом залучення неорганічного вуглецю в біологічний цикл. Весь кисень атмосфери біогенного вуглецю в біологічний цикл. Весь кисень атмосфери біогенного походження і є побічним продуктом фотосинтезу. Формування походження і є побічним продуктом фотосинтезу. Формування окиснювальної атмосфери повністю змінило стан земної окиснювальної атмосфери повністю змінило стан земної поверхні, зробило можливою появу дихання, а надалі, після поверхні, зробило можливою появу дихання, а надалі, після утворення озонового шару, дозволило життю вийти на сушу.утворення озонового шару, дозволило життю вийти на сушу.

Висновок:Висновок:Отже, Отже, Завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим: Завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим: 1) звукове кіно; 1) звукове кіно; 2) створення різноманітних апаратів, які слідкують за освітленістю 2) створення різноманітних апаратів, які слідкують за освітленістю

вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени на річках, працюють вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени на річках, працюють "контролерами" в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість "контролерами" в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість обробки деталей; обробки деталей;

3) перетворення світлової енергії в електричну за допомогою 3) перетворення світлової енергії в електричну за допомогою фотоелементів. фотоелементів.

Фото́нФото́н — квант електромагнітного поля, елементарна частинка, що — квант електромагнітного поля, елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії.є носієм електромагнітної взаємодії.

Світлови́й тиск — тиск, який світло чинить на тіло, в якому Світлови́й тиск — тиск, який світло чинить на тіло, в якому поглинається, або від якого відбивається.поглинається, або від якого відбивається.

Фотоси́нтезФотоси́нтез (від грец. φωτο- — (від грец. φωτο- — світлосвітло та грец. σύνθεσις — та грец. σύνθεσις — синтезсинтез, , сукупність) — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого сукупність) — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу та води з використанням енергії світла й за участю газу та води з використанням енергії світла й за участю фотосинтетичних пігментів: (хлорофіл у рослин, хлорофіл, фотосинтетичних пігментів: (хлорофіл у рослин, хлорофіл, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій), часто з бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій), часто з виділенням кисню як побічного продукту. виділенням кисню як побічного продукту.