2.3 Teknisiä sovelluksia ja luonnonilmiöitä
Fluoresenssi ja fosforenssi
Luminesenssi on ilmiö, jossa atomin viritystila purkautuu synnyttäen valoa. Atomin virittyminen saadaan aikaan eri tavoin: esimerkiksi atomi absorboi fotonin tai lämpö virittää atomin.
Fluoresenssi on ilmiö, jossa viritystila ei purkaudu suoraan perustilaan. Kun viritystila purkautuu vaiheittain, absorboitunut energia vapautuu pienemmissä osissa. Atomi tai molekyyli emittoi viritystilan purkautuessa useamman pienienergisen fotonin yhden suurienergisen sijaan. Pienempi energia vastaa suurempaa aallonpituutta. Näin ollen fluoresoiva aine voi absorboida UV-säteilyä ja emittoida näkyvää valoa. Fluoresoivalle aineelle on tyypillistä, että se hehkuu UV-valossa.
Korkeaenerginen fotoni virittää atomin, jolloin elektroni siirtyy korkeammalle viritystilalle (1). Viritystila purkautuu takaisin perustilalle välitilojen kautta. Tällöin energia vapautuu kahdessa osassa (2) ja vapautuu kaksi matalaenergisempää fotonia.
Video: Fluoresenssi (Royal Society Of Chemistry)
Video: Koralliriuttojen fluoresenssi (BBC Earth)
Viritystilojen purkautuminen tapahtuu usein hyvin nopeasti nanosekunneissa virittymisen jälkeen. Fosforenssi on ilmiö, jossa viritystilan purkautuminen kestää kauemmin kuin fluoresenssissa. Aineet voivat lähettää näkyvää valoa jopa tunteja. Pimeässä loistavat esineet, tarrat tai lelut ovat esimerkkejä fosforenssista.
Joillakin elävillä organismeilla on kyky tuottaa valoa itse. Ilmiö tunnetaan bioluminesenssina. Valo syntyy kemiallisissa reaktioissa. Bioluminesenssia esiintyy esimerkiksi kiiltomadoilla, planktoneliöillä, syvänmeren kaloilla tai sienillä. Bioluminesenssista on hyötyä lajitoverien välisessä viestinnässä, parittelukumppanin etsinnässä, saalistuksessa tai puolustuksessa. Myös bioluminesenssi perustuu viritystilojen purkautumiseen.
Kaasupurkausputki
Kaasupurkausputki on valaistuslaite, jonka sisällä oleva kaasu emittoi näkyvää valoa. Purkausputkia alettiin käyttää kaupunkien mainosvaloissa 1920-luvulta alkaen. Tyypillinen käytetty kaasu oli neon, joten valoja kutsuttiin usein neonvaloiksi, vaikka putkissa käytetiin muitakin kaasuja. Muut kaasut tai yhdisteet tuottavat erilaisia värejä. Esimerkiksi argon tuottaa sinistä valoa.
Huoneenlämpötilassa neon on väritöntä kaasua. Kun neonputken päiden välille kytketään suuri jännite, putkeen syntyy voimakas sähkökenttä. Se kohdistaa elektroneihin voiman, joka irrottaa niitä atomiytimistä. Jännitteen on oltava tuhansia voltteja, koska elektronit ovat sitoutuneet jalokaasuihin voimakkaasti. Kun irronneet elektronit alkavat siirtyä kohti putken plusnapaa, sähkökenttä keskellä putkea heikkenee ja osa irronneista elektroneista liittyy takaisin neonioneihin. Syntyy viritystilassa olevia neonatomeja, ja viritystilan purkautuessa vapautuu energiaa punaisena valona. Sopivalla jännitteellä muodostuu tasapainotila, jossa neonatomeja ionisoituu yhtä nopeasti kuin elektroneja liittyy takaisin neonioneihin, ja lamppu tuottaa valoa tasaisesti. Kaikki energia ei vapaudu näkyvänä valona, vaan neonvaloissa syntyy runsaasti lämpöä.
Katodisädeputki on putki, jossa tuotetaan elektronisuihku. Katodisädeputken toiminta on neonvalon kaltainen, mutta putki on tyhjä. Elektronit irrotetaan katodilta eli jännitteen negatiiviselta navalta. Irrottaminen tapahtuu kuumentamalla katodimateriaalia. Irronneet elektronit kulkeutuvat kohti anodia eli jännitteen positiivista napaa. Elektronien saama liike-energia ja nopeus riippuvat jännitteestä.
[[$ \quad E_k=QU $]]
Syntynyttä elektronisuihkua voidaan ohjata sähkö- ja magneettikenttien avulla. Katodisäde on tyhjiössä näkymätön, mutta osuessaan aineeseen se voi synnyttää näkyvää valoa. Kuvan katodisädeputkessa on levy, jonka pinta on fluoresoiva. Elektronisuihku tuottaa siihen näkyvän jäljen. Etualalla oleva magneetti aiheuttaa elektronien radan kaareutumisen.
Katodisäteiden tutkiminen johti elektronin löytämiseen 1897, kun J.J. Thomson tutki katodisäteen rataa sähkökentässä. Thomson löysi hiukkasen, jonka massa oli yksi kahdestuhannesosa vedyn massasta. Katodisädeputkea voidaan käyttää tarkoituksiin, johon tarvitaan suurienergisiä elektroneja. Eräs käyttökohde on elektronimikroskooppi.
Loisteputki ja energiansäästölamppu
Loisteputki ja energiansäästölamppu toimivat samalla periaatteella. Loistelampuissa on elohopeaa, jota höyrystetään sähkövirran avulla. Samalla elohopea virittyy. Viritystilan purkautuessa UV-alueella syntyy fotoneja. UV-alueen fotonit virittävät lampun sisäpinnalla olevan aineen. Fluoresenssi-ilmiön kautta viritystilat purkautuvat tuottaen näkyvää valoa. Sisäpinnan aineen valinnalla voidaan vaikuttaa siihen, millaista valoa loistelampussa syntyy.
Sisältämänsä elohopean johdosta loistelamput on kierrätettävä asianmukaisesti. Käytöstä poistetut lamput viedään kierrätyskeskukseen. Palautuspisteitä voi löytyä myös suurimpien lamppuja myyvien kauppojen yhteydestä. Alla olevassa kuvaajassa on esitetty tavanomaisen loisteputken spektri.
Laser
Laserin valo on sähkömagneettista säteilyä, jolla on yksi tietty aallonpituus ja jonka säteilyn muodostavat fotonit ovat samassa vaiheessa. Laservalo etenee sädemäisesti yhteen suuntaan. Laserin nimi tulee sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Kuva: Lasersädettä käytetään apuna, kun tutkitaan ilmakehän väreilyä. Näin saadaan kaukoputken peilien muotoa muutettua olosuhteisiin sopivaksi, jolloin kuva terävöityy.
Laservalon tuottaminen aloitetaan virittämällä aineen atomeja pitkäkestoiseen viritystilaan. Virittäminen tapahtuu syöttämällä aineeseen energiaa valon tai sähkövirran muodossa. Laservaloa syntyy, kun atomien viritys purkautuu perustilaan. Pitkäkestoinen viritystila purkautuu sopivaenergisen fotonin kulkiessa virittyneen atomin läheltä. Fotonin energian tulee vastata viritystilan ja perustilan välistä energiaeroa. Fotoni purkaa viritystilan, jolloin syntyy toinen fotoni, joilla on sama energia kuin ohi kulkeneella fotonilla. Muodostunut valo on monokromaattista (sama aallonpituus) ja koherenttia (sama vaihe – aaltoina tarkasteltuna fotonit siis vahvistavat toisiaan). Ilmiötä kutsutaan stimuloiduksi emissioksi erotuksena spontaanista emissiosta, jossa viritystila purkautuu itsestään (kuten aikaisemmissa ilmiöissä on tapahtunut).
Laserissa viritettävä aine sijaitsee putkessa, jonka päissä on peilit. Toinen peileistä on osittain läpäisevä ja päästää ulos noin 1–2 % fotoneista. Ulos päässeet fotonit muodostavat havaittavan lasersäteen. Fotonit kulkevat putkessa edestakaisin purkaen viritystiloja ja vapauttaen uusia samanlaisia fotoneja, kunnes jollain kerralla pääsevät osin läpäisevästä peilistä ulos. Laserin ollessa päällä syntyy tasapainotila, jossa ulos pääsee fotoneja tietyssä ajassa yhtä paljon kuin käytetty sähkövirta synnyttää uusia viritystiloja purettavaksi.
Useimmissa jokapäiväisissä sovelluksissa laservalo tuotetaan laserdiodilla. Laserdiodissa viritystilan muutokset tapahtuvat puolijohdemateriaalissa. Kiteen ulkopinnat toimivat peileinä.
Lasersäteessä pieneen alueeseen osuu paljon energiaa pienitehoisessakin lasereissa. Kaikkia lasereita on käytettävä huolellisesti. Silmä on herkkä elin, ja heikkotehoisenkin lasersäteen osuminen silmään voi aiheuttaa vamman.
Video: Laserin toimintaperiaate (La Physique Autrement)
Laseria käytetään monissa sovelluksissa. Sitä voidaan hyödyntää suunnan ja etäisyyden määrittämisessä, ilmanvirtausten kartoittamisessa, tietojen lukemisessa (esimerkiksi viivakoodien lukija) ja tiedonsiirrossa (optiset kuidut), lääketieteessä eri yhteyksissä tai leikkurina teollisuudessa.
Puolijohteet
Kvantti-ilmiöiden ymmärtäminen on ollut edellytys puolijohdekomponenttien kehittämiselle ja valmistamiselle. Kun jaksollinen järjestelmä ja elektronien tapa täyttää energiatasoja oli selvitetty, voitiin ymmärtää, mitkä aineet ovat johteita, eristeitä tai niiden välimaastossa olevia puolijohteita. Puolijohteiden seostaminen oikeanlaisilla alkuaineilla sähkönjohtavuuden parantamiseksi johti diodien ja transistorien kehittämiseen.
Transistori valmistetaan seostetuista n- ja p-tyypin puolijohteista diodin tapaan. Transistoria voidaan käyttää ohjaamaan sähkövirran suuntaa (transistori toimii kytkimenä) tai vahvistamaan sähkövirtaa (transistori toimii vahvistimena). Oikealla on suurikokoinen transistori, jota voidaan käyttää komponenttina piirilevyllä. Nykytransistori on pieni, nanometrinen kokoinen. Sen toimintaan tarvittava pieni sähkövirta on mahdollistanut elektroniikkalaitteiden yleistymisen yhteiskunnassa. Mikroprosessorit sisältävät sitä enemmän transistoreja, mitä tehokkaampia ne ovat, ja samalla prosessorien tulee olla pieniä. Nykyisten tietokoneiden ja älypuhelimien valmistaminen ei ole mahdollista ilman nanometristen transistoreiden valmistamisen taitoa.
Resonanssi 6 -oppikirjassa käsiteltiin diodien toimintaperiaate. Ledit ovat valoa tuottavia diodeja. Ledeissä elektronit täyttävät aukkoja n- ja p-tyypin puolijohteen rajapinnassa. Kun elektroni täyttää aukon, se siirtyy alempaan energiatilaan. Samalla vapautuu sähkömagneettista säteilyä, esim. näkyvän valon aallonpituudella. Sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus riippuu elektronin energian muutoksesta, joka puolestaan riippuu puolijohteiden materiaalista. Tällä tavoin syntyy säteilyä tietyllä aallonpituudella, ja nähdään esimerkiksi punainen valo. Ledit ovat yleistyneet valaistuskäyttöön, kun valkoista valoa tuottava riittävän tehokas ledi on saatu kehitettyä. Valkoista valoa saadaan yhdistämällä eriväristen ledien valoa, tai sinisen ledin valosta fluoresenssi-ilmiön kautta.
Aurinkokenno
Aurinkokenno rakennetaan puolijohteista. Aurinkokennoilla muutetaan auringon säteilyn energiaa sähköksi. Kennoja käytetään pienelektroniikan, kotitalouksien tai satelliittien energianlähteenä ja voimalaitoksina.
ROSA (The Roll-Out Solar Array) on uudentyyppinen aurinkokenno, joka voidaan aukaista ja rullata takaisin pienempään tilaan.
Aurinkokennot koostuvat toisiinsa liitetyistä n- ja p-tyypin puolijohteista. Liitoskohdassa aukot ja elektronit yhdistyvät, ja liitoskohtaan syntyy jännite ja sähkökenttä. Auringon säteilyn fotonit voivat irrottaa elektroneja osuessaan kennoon. Irronneet elektronit ja samalla syntyneet aukot kulkeutuvat sähkökentän ohjaamina vastakkaisiin suuntiin. Syntynyt sähkövaraus ohjataan edelleen sähkövirraksi.
Video: Aurinkokennon toimintaperiaate (TED-Ed)
Aurinkopaneeleissa syntyvä jännite riippuu kennojen lukumäärästä ja maksimivirta riippuu kennon koosta. Noin 10 cm x 10 cm:n kennosta saadaan käyttökelpoinen 0,5 V:n jännite. Syntyvä jännite on tasajännite. Kaikki aurinkokennoon tulevat fotonit eivät irrota elektroneja. Fotonin energian on oltava yhden elektronivoltin luokkaa. Jos fotonin energia on tätä pienempi, absorboituu sen energia lämmöksi, hukkaenergiaksi. Hukkaenergiaa voi syntyä myös irronneiden elektronien vuorovaikutuksissa muiden kennon atomien kanssa. Aurinkokennojen hyötysuhde on tavallisesti 20 % tai sitä pienempi, mutta hyötysuhde on parantunut vuosien saatossa. Nykyään on pystytty valmistamaan aurinkokennoja, joiden hyötysuhde on 40 %.
Aurinkokennojen hyötysuhde-ennätys (Tekniikka&Talous)
Aurinkokennojen ja aurinkoenergian hyödyntäminen on maailmanlaajuisesti ollut voimakkaassa kasvussa, kun hyötysuhteen nousu lisää aurinkokennojen käytön kannattavuutta. Suomessa tehdään merkittävää tutkimusta myös aurinkoenergiasta.