3.3 Teknisiä sovelluksia ja luonnonilmiöitä
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. Nykytransistorin pieni, nanometrinen koko ja alhainen toimintaan vaadittava sähkövirta ovat mahdollistaneen elektroniikkalaitteiden yleistymisen yhteiskunnassa. Mikroprosessorit sisältävät sitä enemmän transistoreja, mitä tehokkaampia ne ovat, ja samalla niiden tulee olla pieniä. Nykyisten tietokoneiden ja älypuhelimien valmistaminen ei mahdollista ilman nanometristen transistoreiden valmistamisen taitoa.
FY3-kurssilla 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 energialähteenä 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. Auringonsäteily, eli fotonit, voivat irrottaa elektroneja osuessaan kennoon. Irronneet elektronit ja samalla syntyneet aukot kulkeutuvat sähkökentän ohjaamina vastakkaisiin suuntiin. Syntynyt sähkövaraus ohjataan edelleen sähkövirraksi esimerkiksi pitämään yllä laskimen virtaa.
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 irroita 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.
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 purkaantuessa useamman pienienergiaisen fotonin yhden suurienergiaisen sijaan. Pienempi energia vastaa suurempaa aallonpituutta. Näin ollen fluoresoiva aine voi emittoida näkyvää valoa samalla, kun se absorboi UV-säteilyä. Fluoresoivalle ainelle on tyypillistä, että se hehkuu UV-valossa.
Korkeaenergiainen fotoni virittää atomin, jolloin elektroni siirtyy korkeammalle viritystilalle (1). Viritystila purkaantuu 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.
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.
Loisteputki ja energiansäästölamppu
Loisteputki ja energiansäästölamppu toimivat samalla periaatteella. Loistelampuissa on elohopeaa, jota höyrystetään sähkövirran avulla. Samalla elohopea virittyy. Viritystilan purkautuessa syntyy fotoneja UV-alueella. UV-alueen fotonit virittävät lampun sisäpinnalla olevan aineen. Fluoresenssi-ilmiön kautta viritystilat purkautuvat tuottaen näkyvää valoa. Sisäpinnan aineen valinnalla voidaan vaikuttaa, 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.
Neonvalo
Neon on vaaraton jalokaasu, joka reagoi heikosti muiden aineiden kanssa. Sitä esiintyy pieniä määriä (0,0018 %) ilmakehässä. Neon tunnetaan erityisesti neonvaloista, jotka liikkeiden kylteissä luovat urbaania tunnelmaa.
Neonvalon sisällä on neonkaasua. Huoneenlämmössä neon on väritöntä. Kun neonkaasuputken päiden välille kytketään voimakas 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.
Neonin kanssa voidaan käyttää muitakin kaasuja, jolloin saadaan eri väristä valoa. Sama periaate toimii muillakin alkuaineilla tai yhdisteillä. Esimerkiksi argon tuottaa sinistä valoa.
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 magneettikentien avulla. Katodisäde on tyhjiössä näkymätön, mutta osuessaan aineeseen se voi synnyttää näkyvää valoa.
Katodisäde saadaan näkyviin, kun elektronit vuorovaikuttavat aineen kanssa. Kuvassa magneettikenttä ohjaa elektronit ympyräradalle.
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 suurienergiaisia elektroneja. Eräs käyttökohde on elektronimikroskooppi.
Laser
Laservaloksi sanotaan sähkömagneettista säteilyä, jolla on yksi tietty aallonpituus ja jonka säteilyn muodostavat fotonit ovat samassa vaiheessa. Laservalo etenee sädemäisesti yhdessä tietyssä suunnassa. Laserin nimi tulee sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Lasersädettä käytetään apuna, kun tutkitaan ilmakehän väreilyä. Näin saadaan kaukoputken peilien muotoa muutettua olosuhteisiin sopivaksi, jolloin kuva terävöityy.
Laservalon tuottaminen aloitetaan virittämällä aineen elektroneja. Virittäminen tapahtuu syöttämällä aineeseen energiaa valon tai sähkövirran muodossa. Laservaloa syntyy, kun virittyneet atomit purkaantuvat perustilaan. Viritystila purkaantuu sopivaenergiaisen 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 purkaantuu 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.
Lasersäteessä pieneen alueeseen osuu paljon energiaa jo pienitehoisimmissakin 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 (kaukoputket kartoittavat ilmakehän virtauksia), tietojen lukemisessa (esimerkiksi viivakoodien lukija) ja tiedonsiirrossa (optiset kuidut), lääketieteessä eri yhteyksissä tai leikkurina teollisuudessa.