Güneş'in bir gök cismi (yıldız) olduğu ve güneş enerjisinin aslında onun yaşamsal faaliyetinin bir sonucu olduğu yaygın olarak bilinmektedir. Üzerinde meydana gelen süreçler büyük miktarda enerji açığa çıkarır ve onu inanılmaz bir hızla gezegenimize doğru fırlatır. Güneş ışığının enerjisini kullanmakİnsanlar bunu hem bilinçli hem de bilinçsiz olarak yaparlar. Güneş ışınlarında yıkanırken, bu yıldızın enerjisinin vücudumuzda bir takım önemli süreçleri tetiklediğini (örneğin cildimizde D vitamini üretildiğini) düşünmüyoruz; onun sayesinde bitkilerde fotosentez meydana gelir; Doğadaki su döngüsü de onun eseridir. Bunu doğal karşılıyoruz. Ancak bu, güneş enerjisinin hayatımızdaki rolünün yalnızca bir kısmıdır.

Güneş enerjisinin pratik kullanımı

Herkese en basit ve en tanıdık olanı güneş enerjisinin kullanım alanları- modern hesap makinelerinde (çok kompakt güneş pilleriyle) ve ev ihtiyaçları için (kuru meyveler, ülkedeki dış duş tankındaki sıcak su) kullanımı. Güneşin sıcaklığıyla ısınan havanın hareketi, havalandırma sisteminin ve bacaların çalışmasını sağlar. Güneş ışınları deniz suyunun tuzdan arındırılmasında buharlaştırıcı olarak kullanılır. Güneş, uyduların ve uzayı incelemek için kullanılan cihazların uzun süreli çalışması için ana enerji kaynaklarından biridir. Elektrik enerjisiyle çalışan arabalar giderek hayatımıza giriyor.

Güneş enerjisinin elde edilmesi ve dönüştürülmesi

Güneş enerjisi gezegenimize üç tür radyasyon dalgası şeklinde girer: ultraviyole, ışık ve kızılötesi.

Güneş enerjisi kullanımıöncelikle ısı veya elektrik üretmek için kullanılır. İhtiyacımız olan şeye dönüşen, bilim adamlarının geliştirdiği özel bir yüzeye düşen kızılötesi dalgalardır.

Bu nedenle, ısıyı çıkarmak için kızılötesi dalgaları emen bir toplayıcı, onu biriktiren bir depolama cihazı ve ısıtmanın gerçekleştiği bir ısı eşanjörü kullanılır.

Elektrik enerjisi üretilirken özel fotoseller kullanılır. Işık ışınlarını emerler ve ilgili kurulumlar bu ışınları elektriğe dönüştürür.

Güneş enerjisini kullanma yolları işlenmesi için santralin türüne bağlı olarak bölünebilir. Toplamda altı tane var.

İlk üç: kule (içinde su bulunan ve çevresinde aynalar bulunan siyah bir kule şeklinde tasarım), parabolik (içi aynalı uydu antenlerini anımsatan), çanak şeklinde (aynalardan yaprakları olan metalden yapılmış bir ağaca benziyor). Aynı çalışma prensibine sahip oldukları için birleştirilebilirler: belirli bir miktarda ışık yakalarlar, onu bir sıvı deposuna yönlendirirler, bu da ısınır ve buharı serbest bırakır, bu da elektrik üretmek için kullanılır.

Dördüncü- fotoselli ekipman. İhtiyaca göre boyutları değişebildiği için en bilinen türüdür. Küçük güneş panelleri özel evlerin ihtiyaçları için, büyük olanlar ise endüstriyel ihtiyaçlar için kullanılıyor. Çalışma prensibi fotoselin içindeki potansiyel farkından dolayı absorbe ettiği güneş ışınlarından elektrik üretmektir.

Beşinci- vakum. Yapısal olarak yuvarlak cam çatıyla kaplı, içinde tabanında türbin bulunan bir kule bulunan bir arazi parçasıdır. Çalışma prensibi, bu çatının altındaki toprağı ısıtmak ve sıcaklık farkından dolayı hava çekişinin ortaya çıkmasıdır. Türbin kanatları döner ve enerji üretir.

Birçoğumuz öyle ya da böyle güneş pilleriyle karşılaştık. Birisi evsel amaçlar için elektrik üretmek için güneş panelleri kullanmış veya kullanıyor, birisi sahada en sevdiği cihazı şarj etmek için küçük bir güneş paneli kullanıyor ve birisi kesinlikle mikro hesap makinesinde küçük bir güneş pili gördü. Hatta bazıları ziyaret edecek kadar şanslıydı.

Peki güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme sürecinin nasıl gerçekleştiğini hiç düşündünüz mü? Tüm bu güneş pillerinin çalışmasının altında hangi fiziksel olay yatıyor? Fiziğe dönelim ve oluşum sürecini ayrıntılı olarak anlayalım.

Buradaki enerjinin kaynağının güneş ışığı olduğu ya da bilimsel anlamda güneş ışınımının fotonları sayesinde elde edildiği başından beri açıktır. Bu fotonlar, Güneş'ten sürekli hareket eden, her biri enerjiye sahip olan ve dolayısıyla tüm ışık akısının bir tür enerji taşıdığı temel parçacıkların akışı olarak hayal edilebilir.

Güneş yüzeyinin her metrekaresinden sürekli olarak radyasyon şeklinde 63 MW enerji yayılıyor! Bu radyasyonun maksimum yoğunluğu görünür spektrum aralığına düşer.

Böylece bilim adamları, Güneş'ten Dünya'ya 149.600.000 kilometre uzaklıktaki güneş ışığı akışının enerji yoğunluğunun, atmosferi geçtikten sonra ve gezegenimizin yüzeyine ulaştıktan sonra metrekare başına ortalama 900 watt olduğunu belirlediler.

Burada bu enerjiyi alıp ondan elektrik elde etmeye çalışabilirsiniz, yani güneş ışığı akısının enerjisini hareketli yüklü parçacıkların enerjisine, yani enerjiye dönüştürebilirsiniz.

Işığı elektriğe dönüştürmek için ihtiyacımız var fotovoltaik dönüştürücü. Bu tür dönüştürücüler çok yaygındır, ücretsiz satışta bulunurlar, bunlar sözde güneş pilleridir - silikondan kesilmiş levhalar şeklindeki fotoelektrik dönüştürücüler.

En iyileri monokristaldir, yaklaşık% 18 verime sahiptirler, yani güneşten gelen foton akışının enerji yoğunluğu 900 W / m2 ise, o zaman metrekare başına 160 W elektrik alacağınıza güvenebilirsiniz. bu tür hücrelerden bir araya getirilmiş bir pilin.

Burada "fotoelektrik etki" adı verilen bir olgu iş başındadır. Fotoelektrik etki veya fotoelektrik etki- bu, ışığın veya başka herhangi bir elektromanyetik radyasyonun etkisi altında bir madde tarafından elektron emisyonu olgusudur (bir maddenin atomlarından elektronların çekilmesi olgusu).

1900 yılında, kuantum fiziğinin babası Max Planck, ışığın ayrı kısımlar veya kuantumlar halinde yayıldığını ve emildiğini ileri sürdü; daha sonra, yani 1926'da kimyager Gilbert Lewis buna "foton" adını verecekti.

Her fotonun, E = hv - Planck sabiti çarpı radyasyon frekansı formülüyle belirlenebilecek bir enerjisi vardır.

Max Planck'ın fikrine uygun olarak, 1887'de Hertz tarafından keşfedilen ve daha sonra 1888'den 1890'a kadar Stoletov tarafından kapsamlı bir şekilde incelenen fenomen açıklanabilir hale geldi. Alexander Stoletov deneysel olarak fotoelektrik etkiyi inceledi ve fotoelektrik etkinin üç yasasını (Stoletov yasaları) belirledi:

Fotokatot üzerinde sabit bir elektromanyetik radyasyon olayının sabit bir spektral bileşimi ile, doyma fotoakımı, katodun enerji aydınlatmasıyla orantılıdır (aksi takdirde: 1 s'de katottan atılan fotoelektronların sayısı, radyasyon yoğunluğuyla doğru orantılıdır).

Fotoelektronların maksimum başlangıç ​​hızı, gelen ışığın yoğunluğuna bağlı değildir, yalnızca frekansıyla belirlenir.

Her madde için fotoelektrik etkinin kırmızı bir sınırı vardır, yani ışığın minimum frekansı (maddenin kimyasal yapısına ve yüzeyin durumuna bağlı olarak), bunun altında fotoelektrik etki imkansızdır.

Daha sonra 1905'te Einstein fotoelektrik etki teorisini açıklığa kavuşturacaktı. Işığın kuantum teorisinin ve enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasının, olup bitenleri ve gözlemlenenleri nasıl mükemmel bir şekilde açıkladığını gösterecek. Einstein, 1921'de Nobel Ödülü'nü aldığı fotoelektrik etkinin denklemini yazdı:

İş fonksiyonu İşte bir elektronun bir maddenin atomunu bırakmak için yapması gereken minimum iş. İkinci terim elektronun çıkıştan sonraki kinetik enerjisidir.

Yani foton, atomun elektronu tarafından emilir, bu nedenle atomdaki elektronun kinetik enerjisi, emilen fotonun enerji miktarı kadar artar.

Bu enerjinin bir kısmı elektronun atomdan çıkışında harcanır, elektron atomdan ayrılır ve serbestçe hareket etme fırsatı yakalar. Yönlü olarak hareket eden elektronlar ise elektrik akımı veya fotoakımdan başka bir şey değildir. Sonuç olarak fotoelektrik etki sonucu bir maddede EMF oluşmasından bahsedebiliriz.

Yani, Güneş pili, içinde etkili olan fotoelektrik etki sayesinde çalışır. Peki fotoelektrik dönüştürücüde "devrilmiş" elektronlar nereye gidiyor? Bir fotoelektrik dönüştürücü veya bir güneş pili veya bir fotosel, bu nedenle, içindeki fotoelektrik etki olağandışı bir şekilde meydana gelir, bu bir dahili fotoelektrik etkidir ve hatta "valf fotoelektrik etkisi" özel bir ismine sahiptir.

Yarı iletkenin p-n bağlantısındaki güneş ışığının etkisi altında, bir fotoelektrik etki meydana gelir ve bir EMF ortaya çıkar, ancak elektronlar fotoselden ayrılmaz, elektronlar vücudun bir kısmını terk ettiğinde her şey engelleme katmanında olur. başka bir kısmı.

Yerkabuğunda bulunan silikon kütlesinin %30'u kadar olduğundan her yerde kullanılır. Yarı iletkenlerin genel bir özelliği, ne iletken ne de dielektrik olmamaları, iletkenliklerinin yabancı maddelerin konsantrasyonuna, sıcaklığa ve radyasyona maruz kalmaya bağlı olmasıdır.

Bir yarı iletkendeki bant aralığı birkaç elektron volttur ve bu, elektronların kaçtığı atomların değerlik bandının üst seviyesi ile iletim bandının alt seviyesi arasındaki enerji farkıdır. Silikonun bant aralığı 1,12 eV'dir; bu, güneş ışınımını absorbe etmek için gereken miktardır.

Yani p-n geçişi. Fotoseldeki katkılı silikon katmanlar bir p-n bağlantısı oluşturur. Burada elektronlar için bir enerji bariyeri elde edilir, değerlik bandından ayrılırlar ve sadece bir yönde hareket ederler, delikler ters yönde hareket eder. Güneş pilindeki akım bu şekilde elde edilir, yani güneş ışığından elektrik üretimi gerçekleşir.

Fotonlara maruz kalan P-n bağlantısı, yük taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) yalnızca bir yön dışında herhangi bir yönde hareket etmesine izin vermez; bunlar ayrılır ve bariyerin karşıt taraflarında sona erer. Üst ve alt elektrotlar aracılığıyla yük devresine bağlanan fotovoltaik dönüştürücü, dış devrede güneş ışığına maruz kalacaktır.

10-11. Sınıflar için ders kitabı

Bölüm III. Hücrelere enerji sağlamak

Her canlı organizma, tek bir hücre gibi açık bir sistemdir, yani çevreyle madde ve enerji alışverişinde bulunur. Vücutta meydana gelen metabolizmanın enzimatik reaksiyonlarının tamamına metabolizma denir (Yunanca "metabol" - dönüşümden). Metabolizma, birbiriyle ilişkili asimilasyon reaksiyonlarından (makromoleküler bileşiklerin (proteinler, nükleik asitler, polisakkaritler, lipitler) sentezi) ve disimilasyondan (enerji dönüşümüyle birlikte gelen organik maddelerin parçalanması ve oksidasyonu) oluşur. Plastik değişim olarak da adlandırılan asimilasyon, disimilasyon (enerji değişimi) sonucunda ortaya çıkan enerji olmadan mümkün değildir. Disimilasyon ise plastik metabolizmanın bir sonucu olarak oluşan enzimler olmadan gerçekleşmez.

Yaşamsal aktivitenin herhangi bir tezahürü (içinde çözünmüş suyun ve inorganik bileşiklerin emilmesi, organik maddelerin sentezi, polimerlerin monomerlere bölünmesi, ısı üretimi, hareket vb.) enerji harcamasını gerektirir.

Gezegenimizde yaşayan tüm canlıların ana enerji kaynağı güneş ışığının enerjisidir. Ancak yalnızca yeşil bitkilerin hücreleri, tek hücreli algler, yeşil ve mor bakteriler doğrudan kullanır. Bu hücreler, güneş ışığının enerjisi nedeniyle organik maddeleri (karbonhidratlar, yağlar, proteinler, nükleik asitler) sentezleyebilir. Işık enerjisinin kullanılmasıyla oluşan biyosenteze fotosentez denir. Fotosentez yapabilen organizmalara fotoototroflar denir.

Fotosentez için ilk maddeler su, Dünya atmosferindeki karbondioksitin yanı sıra su kütlelerinden ve topraktan gelen inorganik nitrojen, fosfor, kükürt tuzlarıdır. Atmosferdeki nitrojen molekülleri (N2) aynı zamanda toprakta yaşayan bakteriler ve esas olarak baklagil bitkilerinin kök nodüllerinde asimile edilen bir nitrojen kaynağıdır. Bu durumda, gaz halindeki nitrojen, daha sonra amino asitlerin, proteinlerin, nükleik asitlerin ve diğer nitrojen içeren bileşiklerin sentezi için kullanılan amonyak molekülü - NH3'ün bileşimine geçer. Nodül bakterileri ve baklagil bitkileri birbirine ihtiyaç duyar. Farklı organizma türlerinin ortak, karşılıklı yarar sağlayan varlığına simbiyoz denir.

Foto-ototrofların yanı sıra bazı bakteriler de (hidrojen, nitrifikasyon, kükürt bakterileri vb.) inorganik maddelerden organik maddeleri sentezleme yeteneğine sahiptir. Bu sentezi inorganik maddelerin oksidasyonu sırasında açığa çıkan enerji nedeniyle gerçekleştirirler. Bunlara kemoototroflar denir. Kemosentez süreci 1887'de Rus mikrobiyolog S. N. Vinogradsky tarafından keşfedildi.

Gezegenimizdeki inorganik bileşiklerden organik madde sentezleyemeyen tüm canlılara heterotrof denir. Tüm hayvanlar ve insanlar, bitkiler tarafından depolanan ve yeni sentezlenen organik bileşiklerin kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürülen güneş enerjisiyle yaşarlar.

Hem fotosentetik hem de kemosentetik organizmaların, organik maddelerin oksidasyonu nedeniyle enerji elde edebildikleri de unutulmamalıdır. Ancak heterotroflar bu maddeleri dışarıdan hazır olarak alırken, ototroflar bunları inorganik bileşiklerden sentezler.

Fotosentetik hücreler atmosferdeki karbondioksiti emer ve oksijeni atmosfere salar. Gezegenimizde fotosentetik hücrelerin ortaya çıkmasından önce, Dünya'nın atmosferi oksijenden yoksundu. Fotosentetik organizmaların ortaya çıkışıyla birlikte atmosferin kademeli olarak oksijenle doldurulması, yeni tür enerji aparatlarına sahip hücrelerin ortaya çıkmasına yol açtı. Bunlar, oksitleyici bir madde olarak atmosferik oksijenin katılımıyla hazır organik bileşikleri, özellikle karbonhidratları ve yağları oksitleyerek enerji üreten hücrelerdi. Organik bileşikler oksitlendiğinde enerji açığa çıkar.

Atmosferin oksijenle doyması sonucunda oksijeni enerji için kullanabilen aerobik hücreler ortaya çıktı.

§ 11. Fotosentez. Işık enerjisini kimyasal bağ enerjisine dönüştürmek

Güneş ışığının enerjisini kullanabilen ilk hücreler Dünya'da yaklaşık 4 milyar yıl önce Arkean döneminde ortaya çıktı. Bunlar siyanobakterilerdi (Yunanca "siyanolardan" - maviden). Fosilleşmiş kalıntıları, Dünya tarihinin bu dönemine kadar uzanan şeyl katmanlarında bulunmuştur. Dünya atmosferinin oksijenle doyurulması ve aerobik hücrelerin ortaya çıkması 1,5 milyar yıl daha aldı.

Gezegenimizdeki yaşamın gelişmesinde ve sürdürülmesinde bitkilerin ve diğer fotosentetik organizmaların rolünün son derece büyük olduğu açıktır: Güneş ışığının enerjisini, daha sonra diğer tüm canlılar tarafından kullanılan organik bileşiklerin kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürürler. varlıklar; Dünya atmosferini, organik maddeleri oksitlemeye ve böylece aerobik hücreler tarafından içlerinde depolanan kimyasal enerjiyi çıkarmaya yarayan oksijenle doyururlar; Son olarak, nitrojen sabitleyici bakterilerle simbiyoz halinde olan bazı bitki türleri, atmosferden gaz halindeki nitrojeni amonyak moleküllerine, tuzlarına ve organik nitrojen içeren bileşiklere aktarır.

Yeşil bitkilerin gezegen yaşamındaki rolü abartılamaz. Dünyamızın yeşil örtüsünün korunması ve genişletilmesi, gezegenimizde yaşayan tüm canlılar için büyük önem taşıyor.

Işık enerjisinin biyolojik "akümülatörlerde" depolanması. Güneş ışığının akışı farklı uzunluklarda ışık dalgaları taşır. Işık "antenleri" (bunlar çoğunlukla klorofil molekülleridir) yardımıyla bitkiler, spektrumun kırmızı ve mavi kısımlarının ışık dalgalarını emer. Klorofil, spektrumun yeşil kısmındaki ışık dalgalarını gecikmeden geçirir ve bu nedenle bitkiler yeşil bir renge sahiptir.

Işık enerjisinin yardımıyla klorofil molekülünün bileşimindeki bir elektron daha yüksek bir enerji seviyesine aktarılır. Ayrıca, bu yüksek enerjili elektron, sanki basamaklardaymış gibi, elektron taşıyıcıları zinciri boyunca atlayarak enerji kaybeder. Bu durumda elektronların enerjisi bir tür biyolojik "akümülatörleri" "yüklemek" için harcanır. Yapılarının kimyasal özelliklerine girmeden bunlardan birinin adenozin trifosfat (kısaca ATP) olarak da adlandırılan adenozin trifosforik asit olduğunu söyleyelim. Daha önce § 6'da belirtildiği gibi ATP, adenosine bağlı, birbirine bağlı üç fosforik asit kalıntısı içerir. Şematik olarak ATP şu formülle tanımlanabilir: adenosin-P-P~P, burada P bir fosforik asit kalıntısıdır. İkinci ve üçüncü terminal fosfat arasındaki kimyasal bağda, elektronun bıraktığı enerji depolanır (böyle özel bir kimyasal bağ, dalgalı bir çizgiyle gösterilir). Bunun nedeni, bir elektronun enerjisini adenosin difosfata (adenosin-FF, ADP) aktardığında başka bir fosfatın eklenmesidir: ADP + F + E → ATP, burada E, ATP'de depolanan elektron enerjisidir. ATP, adenosin trifosfataz (ATPase) enzimi tarafından kesildiğinde, terminal fosfat ayrılır ve enerji açığa çıkar:

Bir bitki hücresinde ATP enerjisi, hücre bölünmesi, büyümesi ve hareketi için su ve tuzları taşımak için kullanılır (ayçiçeğinin başının Güneş'ten sonra nasıl döndüğünü hatırlayın).

Bitkilerde glikoz, nişasta, selüloz ve diğer organik bileşiklerin sentezi için ATP enerjisi gereklidir. Ancak bitkilerde organik maddelerin sentezi için ışığın enerjisini depolayan bir biyolojik “akümülatöre” daha ihtiyaç vardır. Bu pilin telaffuz edilemeyen uzun bir adı vardır: nikotin amid adenin dinükleotid fosfat (kısaca NADP, "nad-ef" olarak telaffuz edilir). Bu bileşik indirgenmiş, yüksek enerjili bir formda bulunur: NADP-N ("nad-ef-ash" olarak telaffuz edilir).

Bu bileşiğin enerji kaybeden oksitlenmiş formu NADP+'dır ("nad-ef-plus" olarak telaffuz edilir). Bir hidrojen atomu ve bir elektronu kaybeden NADP-N, NADP +'ya dönüşür ve karbondioksiti (su moleküllerinin katılımıyla) glikoz C6H1206'ya indirger; eksik protonlar (H+) su ortamından alınır. Basitleştirilmiş bir biçimde bu süreç kimyasal bir denklem olarak yazılabilir:

Ancak karbondioksit ve su karıştığında glikoz oluşmaz. Bu, yalnızca NADPH'nin geri yükleme gücünü değil, aynı zamanda ATP'nin enerjisini ve glikoz sentezinin ara aşamalarında kullanılan CO2'yi bağlayan bir bileşiğin yanı sıra bu işlem için bir dizi enzim - biyolojik katalizörler gerektirir.

Suyun fotolizi. Fotosentez sırasında oksijen nasıl üretilir? Gerçek şu ki, ışığın enerjisi aynı zamanda su molekülünün bölünmesine - fotoliz - harcanıyor. Bu durumda protonlar (H+), elektronlar (O ve serbest oksijen) oluşur:

Fotoliz sırasında üretilen elektronlar, klorofilin kaybını telafi eder (dedikleri gibi, klorofilde oluşan "deliği" doldururlar). Protonların katılımıyla elektronların bir kısmı NADP +'yı NADP-H'ye azaltır. Oksijen bu reaksiyonun bir yan ürünüdür (Şekil 19). Glikoz sentezinin özet denkleminden görülebileceği gibi bu süreçte oksijen açığa çıkar.

Bitkiler güneş ışığının enerjisini kullanırken oksijene ihtiyaç duymazlar. Ancak güneş ışığının yokluğunda bitkiler aerob hale gelir. Gecenin karanlığında oksijen tüketerek, gün içinde depolanan glikoz, fruktoz, nişasta ve diğer bileşikleri tıpkı hayvanlar gibi oksitlerler.

Fotosentezin aydınlık ve karanlık aşamaları. Fotosentez sürecinde aydınlık ve karanlık fazlar ayırt edilir. Bitkiler aydınlatıldığında ışığın enerjisi ATP ve NADP-H'nin kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürülür. Bu bileşiklerin enerjisi kolayca salınır ve bitki hücresi içinde başta glikoz ve diğer organik bileşiklerin sentezi olmak üzere çeşitli amaçlarla kullanılır. Bu nedenle fotosentezin bu başlangıç ​​aşamasına ışık aşaması denir. Spektrumda kırmızı ve mavi ışınların bulunduğu güneş ışığı veya yapay ışıkla aydınlatma olmadan bitki hücresinde ATP ve NADP-H sentezi gerçekleşmez. Bununla birlikte, ATP ve NADP-H molekülleri bitki hücresinde zaten biriktiğinde, glikoz sentezi ışığın katılımı olmadan karanlıkta da gerçekleşebilir. Bu biyokimyasal reaksiyonlar için aydınlatmaya gerek yoktur çünkü bunlar zaten biyolojik "akümülatörlerde" depolanan ışık enerjisiyle sağlanır. Fotosentezin bu aşamasına sıcaklık aşaması denir.

Pirinç. 19. Fotosentez şeması

Tüm fotosentez reaksiyonları, bir bitki hücresinin sitoplazmasında bulunan kalınlaşmış oval veya yuvarlak oluşumlar olan kloroplastlarda meydana gelir (kloroplastlar, § 9'da kısaca tartışılmıştır). Her hücre 40-50 kloroplast içerir. Kloroplastlar dışarıdan çift zarla sınırlanmıştır ve içlerinde ince düz keseler vardır - tilakoidler, yine zarlarla sınırlıdır. Tilakoidler klorofil, elektron taşıyıcıları ve fotosentezin ışık fazında yer alan tüm enzimlerin yanı sıra ADP, ATP, NADP+ ve NADP-H'yi içerir. Düzinelerce tilakoid, grana adı verilen yığınlar halinde sıkı bir şekilde paketlenir. Granalar arasındaki iç boşlukta - kloroplastların stromasında - fotosentezin hafif fazı ürünlerinin (ATP ve NADP-H) enerjisi nedeniyle CO2'nin glikoza indirgenmesinde rol oynayan enzimler vardır. Sonuç olarak, fotosentezin karanlık fazının reaksiyonları, tilakoidlerde ortaya çıkan ışık fazıyla yakından ilişkili olan stromada meydana gelir. Fotosentezin aydınlık ve karanlık aşamaları Şekil 19'da şematik olarak gösterilmektedir.

Kloroplastların kendi genetik aparatları vardır - DNA molekülleri ve hücrelerin içinde bağımsız olarak çoğalırlar. 1,5 milyar yıldan daha uzun bir süre önce bunların bitki hücrelerinin simbiyotikleri haline gelen serbest mikroorganizmalar olduklarına inanılıyor.

1. Neden Dünya'daki yaşamın enerjisinin başlangıçta Güneş tarafından sağlandığını söylediğimizi açıklayın.
2. Fotosentezde neden karbondioksit ve su kullanıldığını ve fotosentezin yan ürünü olan oksijenin kaynağının ne olduğunu açıklayın.
3. Dünya nüfusunun fotosentez ve besin tedariki sorunları nasıl ilişkilidir?
4. Fotosentez neden yaprağa düşen güneş ışığının enerjisini yalnızca %1'lik bir verimlilikle organik bileşiklerde depolanan enerjiye dönüştürüyor? Enerjinin geri kalanının kaderi nedir?
5. Tabloyu doldurun.

Fotosentezin aydınlık ve karanlık aşamalarında güneş ışığının enerjisi nasıl glikozun kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürülür? Cevabı açıklayın.

Cevap

Fotosentezin ışık aşamasında, güneş ışığının enerjisi uyarılmış elektronların enerjisine, ardından uyarılmış elektronların enerjisi ATP ve NADP-H2'nin enerjisine dönüştürülür. Fotosentezin karanlık aşamasında ATP ve NADP-H2'nin enerjisi, glikoz kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürülür.

Fotosentezin ışık aşamasında ne olur?

Cevap

Işığın enerjisiyle uyarılan klorofil elektronları elektron taşıma zincirleri boyunca ilerler, enerjileri ATP ve NADP-H2'de depolanır. Suyun fotolizi meydana gelir, oksijen açığa çıkar.

Fotosentezin karanlık aşamasında gerçekleşen ana süreçler nelerdir?

Cevap

Atmosferden elde edilen karbondioksit ve ışık fazında elde edilen hidrojenden, ışık fazında elde edilen ATP'nin enerjisinden dolayı glikoz oluşur.

Bitki hücresindeki klorofilin görevi nedir?

Cevap

Klorofil fotosentez sürecine dahil olur: ışık fazında klorofil ışığı emer, klorofil elektronu ışık enerjisini alır, kırılır ve elektron taşıma zinciri boyunca ilerler.

Klorofil elektronları fotosentezde nasıl bir rol oynar?

Cevap

Güneş ışığıyla uyarılan klorofil elektronları, elektron taşıma zincirlerinden geçerek enerjilerini ATP ve NADP-H2 oluşumuna verirler.

Fotosentezin hangi aşamasında serbest oksijen üretilir?

Cevap

Işık fazında suyun fotolizi sırasında.

ATP sentezi fotosentezin hangi aşamasında gerçekleşir?

Cevap

ışık fazı.

Fotosentez sırasında oksijenin kaynağı nedir?

Cevap

Su (suyun fotolizi sırasında oksijen açığa çıkar).

Fotosentez hızı, aralarında ışık, karbondioksit konsantrasyonu, sıcaklık gibi sınırlayıcı (sınırlayıcı) faktörlere bağlıdır. Bu faktörler neden fotosentez reaksiyonlarını sınırlıyor?

Cevap

Işık, klorofilin uyarılması için gereklidir, fotosentez işlemi için enerji sağlar. Fotosentezin karanlık aşamasında karbondioksite ihtiyaç vardır, ondan glikoz sentezlenir. Sıcaklıktaki bir değişiklik enzimlerin denatürasyonuna yol açar, fotosentez reaksiyonları yavaşlar.

Bitkilerdeki hangi metabolik reaksiyonlarda karbondioksit, karbonhidratların sentezi için başlangıç ​​maddesidir?

Cevap

Fotosentez reaksiyonlarında.

Bitkilerin yapraklarında fotosentez süreci yoğun bir şekilde ilerlemektedir. Olgun ve olgunlaşmamış meyvelerde görülür mü? Cevabı açıklayın.

Cevap

Fotosentez, ışığa maruz kalan bitkilerin yeşil kısımlarında gerçekleşir. Böylece yeşil meyvelerin kabuğunda fotosentez meydana gelir. Meyvenin içinde ve olgun (yeşil olmayan) meyvelerin kabuğunda fotosentez meydana gelmez.

Bu elektrik üretme yönteminin temeli Güneş ışığı ders kitaplarında - Fotonlar olarak adlandırılır. Bizim için bu ilginç çünkü tıpkı hareket eden bir hava akımı gibi, ışık akışının da enerjisi var! Dünyamızın bulunduğu Güneş'ten bir astronomik birim (149.597.870,66 km) uzaklıkta, güneş radyasyonu akı yoğunluğu 1360 W/m 2'dir. Akış, Dünya atmosferinden geçtikten sonra yansıma ve soğurma nedeniyle yoğunluğunu kaybeder ve Dünya yüzeyinde zaten ~ 1000 W/m2'ye eşittir. İşimizin başladığı yer burasıdır: Işık akısının enerjisini kullanmak ve onu günlük yaşamda ihtiyacımız olan enerjiye, elektrik enerjisine dönüştürmek.

Bu dönüşümün gizemi, adı 125 mm olan silikon silindirden (Şekil 2) kesilmiş köşeleri pahlı küçük bir sözde kare üzerinde gerçekleşir. Ne şekilde?

Bu sorunun cevabı Fotoelektrik etki gibi bir olguyu keşfeden fizikçiler tarafından alındı. Fotoelektrik etki, ışığın etkisi altında maddenin atomlarından elektronların çekilmesi olgusudur.

1900lerde Alman fizikçi Max Planck, ışığın ayrı kısımlarda yayıldığını ve emildiğini öne sürdü. kuantum(veya fotonlar). Her fotonun enerjisi aşağıdaki formülle belirlenir: E =H∙ ν (kül çıplak) nerede H- Planck sabiti, 6,626 × 10 -34 J∙s'ye eşit, ν - foton frekansı. Planck hipotezi, 1887'de Alman bilim adamı Heinrich Hertz tarafından keşfedilen ve Rus bilim adamı Alexander Grigoryevich Stoletov tarafından deneysel olarak incelenen fotoelektrik etki olgusunu açıkladı. Stoletov, elde edilen sonuçları özetleyerek aşağıdakileri ortaya koydu: fotoelektrik etkinin üç kanunu:

1. Işığın sabit bir spektral bileşimi ile doyma akımının gücü, katot üzerine gelen ışık akısı ile doğru orantılıdır.
2. Işığın fırlattığı elektronların başlangıç ​​kinetik enerjisi, ışığın frekansıyla doğrusal olarak artar ve yoğunluğuna bağlı değildir.
3. Işığın frekansı, her maddenin kırmızı sınır adı verilen belirli bir değer özelliğinden azsa fotoelektrik etki oluşmaz.

FEP'te hüküm süren gizemi aydınlatan fotoelektrik etki teorisi, 1905 yılında Alman bilim adamı Albert Einstein tarafından geliştirilmiş olup, kanunları açıklamaktadır. Işığın kuantum teorisini kullanarak fotoelektrik etki. Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasına dayanarak Einstein, fotoelektrik etkideki enerji dengesi için bir denklem yazdı:

Nerede: H∙ ν foton enerjisidir, A- iş fonksiyonu - bir maddenin atomundan bir elektronun salınması için yapılması gereken minimum iş. Böylece, bir ışık parçacığının - bir fotonun - bir elektron tarafından emildiği ve bunun ek kinetik enerji kazandığı ortaya çıktı. ½ dk∙v 2 ve atomdan çıkış işini gerçekleştirir, bu da ona özgürce hareket etme fırsatı verir. Ve elektrik yüklerinin yönlendirilmiş hareketi bir elektrik akımıdır veya daha doğrusu, bir maddede - E.D.S.'de bir Elektro İtici Kuvvet ortaya çıkar.

Einstein, fotoelektrik etki denklemi nedeniyle 1921'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Geçmişten günümüze dönersek, güneş pilinin "kalbinin", doğanın inanılmaz bir mucizesinin - valf fotoelektrik etkisinin (VFE) - gerçekleştiği bir güneş pili (yarı iletken fotosel) olduğunu görüyoruz. Işığın etkisi altında p-n ekleminde bir elektromotor kuvvetin oluşmasından oluşur. VFE veya bariyer katmanında fotoelektrik etki, - elektronların gövdeyi terk ederek arayüzden başka bir katı gövdeye (yarı iletken) geçtiği bir olgu.

Yarı iletkenler- bunlar, spesifik iletkenlikleri bakımından iletkenler ve dielektrikler arasında bir ara yer kaplayan ve belirli iletkenliğin safsızlıkların, sıcaklığın ve çeşitli radyasyon türlerinin konsantrasyonuna güçlü bir şekilde bağımlı olması bakımından iletkenlerden farklı olan malzemelerdir. Yarı iletkenler birkaç elektron volt [eV] mertebesinde bant aralığına sahip maddelerdir. Bant aralığı, bir yarı iletken kristaldeki elektronların enerjileri arasında, iletim bandının alt seviyesi ile yarı iletkenin valans bandının üst seviyesi arasındaki farktır.

Yarı iletkenler birçok kimyasal element içerir: germanyum, silikon, selenyum, tellür, arsenik ve diğerleri, çok sayıda alaşım ve kimyasal bileşik (galyum arsenit, vb.).Doğadaki en yaygın yarı iletken silikon, yer kabuğunun yaklaşık %30'unu oluşturur.

Silikonun doğadaki geniş dağılımı, hafifliği, güneş ışığının enerjisini absorbe etmek için 1,12 eV'lik uygun bant aralığı nedeniyle kullanılabilecek bir malzeme olduğu belirlendi. Bugün, karasal uygulamalara yönelik ticari sistemler pazarında kristal silikon (dünya pazarının yaklaşık %90'ı) ve ince film güneş pilleri (pazarın yaklaşık %10'u) en çok dikkat çeken ürünlerdir.

P-n bağlantısı, kristalin silikon fotovoltaik dönüştürücülerin (PVC'ler) tasarımında önemli bir unsurdur. Basitleştirilmiş bir biçimde, bir güneş pili bir "sandviç" olarak temsil edilebilir: bir p-n bağlantısı elde etmek için katkılı silikon katmanlardan oluşur.

P-n bağlantısının ana özelliklerinden biri, akım taşıyıcıları için bir enerji bariyeri olma, yani onları yalnızca bir yönde geçirme yeteneğidir. Güneş pillerinde elektrik akımının üretilmesi de bu etkiye dayanmaktadır. Elemanın yüzeyine düşen radyasyon, yarı iletkenin büyük kısmında farklı işaretlere sahip yük taşıyıcıları üretir - elektronlar (n) ve delikler (p). Özellikleri nedeniyle, p-n bağlantısı onları "ayırır", her türü yalnızca "kendi" yarısına geçirir ve elemanın hacminde rastgele hareket eden yük taşıyıcıları bariyerin karşıt taraflarında bulunur ve ardından aktarılabilirler. Yük üzerinde bir voltaj ve güneş piline bağlı kapalı bir devrede bir elektrik akımı oluşturmak için harici bir devreye.