Ánh sáng và năng lượng

Ánh sáng và Năng lượng
Loài ng i luôn luôn l thu c vào n ng l ng t ánh sáng M t Tr i c tr c ti p dùng ườ ệ ộ ă ượ ừ ặ ờ ả ự ế
cho s i m, hong khô qu n áo, n u n ng, và gián ti p mang l i th c ph m, n c và ưở ấ ầ ấ ướ ế ạ ự ẩ ướ
c không khí. Ki n th c c a chúng ta v giá tr c a các tia sáng M t Tr i suy i ngh l i ả ế ứ ủ ề ị ủ ặ ờ đ ĩ ạ
qu n quanh theo ki u mà chúng ta thu l i t ngu n n ng l ng ó, nh ng có nh ng ẩ ể ợ ừ ồ ă ượ đ ư ữ
liên h còn c b n h n nhi u xu t phát t m i liên quan gi a ánh sáng và n ng l ng. ệ ơ ả ơ ề ấ ừ ố ữ ă ượ
Dù cho loài ng i có ngh ra c nh ng c ch tài tình khai thác n ng l ng M t ườ ĩ đượ ữ ơ ế để ă ượ ặ
Tr i hay không thì hành tinh c a chúng ta và môi tr ng luôn luôn bi n i ch a trong ờ ủ ườ ế đổ ứ
nó v n b chi ph i b i n ng l ng c a ánh sáng M t Tr i.ố ị ố ở ă ượ ủ ặ ờ
Chúng ta u bi t r ng n u nh M t Tr i không m c, thì th i ti t c a chúng ta s đề ế ằ ế ư ặ ờ ọ ờ ế ủ ẽ
chuy n sang mùa ông l nh l o mãi mãi, ao h và sông su i s óng b ng kh p n i, ể đ ạ ẽ ồ ố ẽ đ ă ắ ơ
và th c v t và ng v t s nhanh chóng b di t vong. Các ng c s không ho t ng ự ậ độ ậ ẽ ị ệ độ ơ ẽ ạ độ
c, và chúng ta không có cách nào chuyên ch th c ph m ho c nhiên li u, ho c đượ để ở ự ẩ ặ ệ ặ
phát ra i n. V i ch t t h n ch t o ra l a, loài ng i s s m không còn ngu nđể đệ ớ ấ đố ạ ế để ạ ử ườ ẽ ớ ồ
th p sáng ho c ngu n c p nhi t. Tuy nhiên, v i s hi u bi t hi n nay c a chúng ta v ắ ặ ồ ấ ệ ớ ự ể ế ệ ủ ề
h M t Tr i, chúng ta có th khá ch c ch n r ng M t Tr i s m c lên vào ngày mai, ệ ặ ờ ể ắ ắ ằ ặ ờ ẽ ọ
nh tr c nay nó v n m c k t khi Trái t l n u tiên cô c l i t m t ám mây khíư ướ ẫ ọ ể ừ Đấ ầ đầ đặ ạ ừ ộ đ
c a các m nh v n v tr . Trong quá kh ch a lâu l m, loài ng i không ch c ch n l mủ ả ụ ũ ụ ứ ư ắ ườ ắ ắ ắ
v i u này. H không th gi i thích c t i sao M t Tr i l i chuy n ng ngang qua ề đề ọ ể ả đư ợ ạ ặ ờ ạ ể độ
b u tr i, h c ng không bi t cách th c nó t o ra ánh sáng khác bi t gi a ngày và êm. ầ ờ ọ ũ ế ứ ạ ệ ữ đ
Nhi u n n v n minh ã ghi nh n t m quan tr ng c a M t Tr i, tôn th ngôi sao g n ề ề ă đ ậ ầ ọ ủ ặ ờ ờ ầ
chúng ta nh t này làm th n thánh (xem hình 1) v i ni m hi v ng là nó s không bi n ấ ầ ớ ề ọ ẽ ế
m t.ấ
L ng n ng l ng r i lên b m t Trái t n t M t Tr i kho ng ch ng 5,6 t t ượ ă ượ ơ ề ặ Đấ đế ừ ặ ờ ả ừ ỉ ỉ
megajun m i n m. Tính trung bình cho toàn b b m t Trái t, i u này có ngh a là ỗ ă ộ ề ặ Đấ đề ĩ
m i mét vuông nh n c ch ng 5 kWh m i ngày. N ng l ng n t M t Tr i trong ố ậ đượ ừ ỗ ă ượ đế ừ ặ ờ
m t ngày có th cung c p nhu c u cho toàn b dân c c a Trái t trong ba th p k . Rõộ ể ấ ầ ộ ư ủ Đấ ậ ỉ
ràng là không có ph ng ti n nào có kh n ng (và c ng không c n thi t) khai thác toànươ ệ ả ă ũ ầ ế
b ngu n n ng l ng có s n này, c ng hi n nhiên là vi c n m b t c m t ph n nh c aộ ồ ă ượ ẵ ũ ể ệ ắ ắ ả ộ ầ ỏ ủ
ngu n n ng l ng có s n này d ng có th s d ng c s có giá tr r t l n.ồ ă ượ ẵ ở ạ ể ử ụ đượ ẽ ị ấ ớ
M c dù toàn b n ng l ng ch m n b u khí quy n Trái t xu t phát t M t Tr i là ặ ộ ă ượ ạ đế ầ ể Đấ ấ ừ ặ ờ

th t áng kinh ng c, nh ng nó không có m c t p trung r t cao so v i các d ng n ngậ đ ạ ư ứ độ ậ ấ ớ ạ ă
l ng khác mà chúng ta s d ng, ví d nh l a, các lo i èn nóng sáng và các lò s i ượ ử ụ ụ ư ử ạ đ ưở
i n. Vì v y, b t c ph ng ti n nào b t l y n ng l ng M t Tr i c ng ph i chi m m t đệ ậ ấ ứ ươ ệ ắ ấ ă ượ ặ ờ ũ ả ế ộ
di n tích t ng i l n làm t p trung có hi u qu ph n n ng l ng c n thi t. Ch ệ ươ đố ớ để ậ ệ ả ầ ă ượ ầ ế ỉ
trong vài th p niên g n ây, loài ng i m i b t u tìm ki m nghiêm túc c ch khai ậ ầ đ ườ ớ ắ đầ ế ơ ế
thác ti m n ng kh ng l c a n ng l ng M t Tr i. M i quan tâm l n này có nguyên do ề ă ổ ồ ủ ă ượ ặ ờ ố ớ
t s c tiêu th n ng l ng liên t c t ng lên, làm phát sinh các v n môi tr ng và ừ ứ ụ ă ượ ụ ă ấ đề ườ
m i lo ng i v s c n ki t không th tránh kh i c a các ngu n nhiên li u hóa th ch mà ố ạ ề ự ạ ệ ể ỏ ủ ồ ệ ạ
chúng ta ngày càng ph thu c nhi u vào chúng.ụ ộ ề
Cung c p n ng l ng cho s s ngấ ă ượ ự ố
N ng l ng M t Tr i có liên quan m t thi t t i s t n t i c a m i sinh v t s ng có m t ă ượ ặ ờ ậ ế ớ ự ồ ạ ủ ọ ậ ố ặ
trên hành tinh này và cách th c mà các d ng s ng bu i u phát tri n trên Trái t ứ ạ ố ổ đầ ể Đấ
nguyên th y, sau cùng ti n hóa thành nh ng d ng hi n t i c a chúng. Hi n nay, các ủ ế ữ ạ ệ ạ ủ ệ
nhà khoa h c nh n th y cây c i h p th n c và carbon dioxide t môi tr ng, và s ọ ậ ấ ố ấ ụ ướ ừ ườ ử
d ng n ng l ng t M t Tr i (xem hình 2) chuy n hóa các ch t n gi n này thành ụ ă ượ ừ ặ ờ ể ấ đơ ả
glucose và oxygen. V i glucose là viên g ch c u trúc c b n, cây c i t ng h p nên m tớ ạ ấ ơ ả ố ổ ợ ộ
s ch t hóa sinh ph c t p ch a carbon sinh tr ng và duy trì s s ng. Quá trình ố ấ ứ ạ ứ để ưở ự ố
này g i là s quang h p và là c s c a s s ng trên Trái t.ọ ự ợ ơ ở ủ ự ố Đấ
Các nhà khoa h c v n ch a làm sáng t c c ch ph c t p mà qua ó s quang ọ ẫ ư ỏ đượ ơ ế ứ ạ đ ự
h p x y ra, nh ng quá trình này ã t n t i hàng tri u n m nay r i và s thích nghi r t ợ ả ư đ ồ ạ ệ ă ồ ự ấ
s m trong l ch s ti n hóa c a s s ng. Nh ng sinh v t s ng u tiên là các sinh v t ớ ị ử ế ủ ự ố ữ ậ ố đầ ậ
h ng hóa ch t, l n lên b ng cách thu n ng l ng t nh ng ph n ng hóa h c n ướ ấ ớ ằ ă ượ ừ ữ ả ứ ọ đơ
gi n. T nh ng t ch c nguyên th y này, t bào ra i có th thu n ng l ng c n thi t ả ừ ữ ổ ứ ủ ế đờ ể ă ượ ầ ế
t s quang h p, t o ra s n ph m là oxygen. n gi n nh t trong nhóm các c th ừ ự ợ ạ ả ẩ Đơ ả ấ ơ ể
s ng này là cyanobacteria. Sinh v t m t t nào ch a có nhân th t thu c lo i này là sinhố ậ ộ ế ư ậ ộ ạ
v t s ng l n tu i nh t trên hành tinh chúng ta, và ng i ta tin r ng chúng là d ng s ng ậ ố ớ ổ ấ ườ ằ ạ ố
th ng tr trên Trái t h n 2 t n m. Các nhà a ch t ã tìm th y nh ng kh i ố ị Đấ ơ ỉ ă đị ấ đ ấ ữ ố
cyanobacteria hóa th ch l n, g i là stromatolite, trên ba t n m tu i (m t s m u v t ạ ớ ọ ỉ ă ổ ộ ố ẫ ậ
khác có th tìm th y vùng bi n nông duyên h i Australia).ể ấ ở ể ả
Tr c khi các sinh v t quang h p phát tri n, có r t ít oxygen trong b u khí quy n Trái ướ ậ ợ ể ấ ầ ể

t, nh ng m t khi quá trình t o oxygen b t u, khi ó t n t i kh n ng có các sinh Đấ ư ộ ạ ắ đầ đ ồ ạ ả ă
v t ti n hóa c n oxygen. Do l ng n ng l ng r t l n có s n t M t Tr i, nên kh n ngậ ế ầ ượ ă ượ ấ ớ ẵ ừ ặ ờ ả ă
nh n c các thành ph n c n thi t cho s s ng là ngu n cung c p M t Tr i có th ậ đượ ầ ầ ế ự ố ồ ấ ặ ờ ể
th c hi n d dàng v i nh ng d ng th c s ng ph c t p h n nhi u tr c khi quá trình ự ệ ễ ớ ữ ạ ứ ố ứ ạ ơ ề ướ
quang h p ti n tri n.ợ ế ể
a s cây c i l n lên trên t, và n u b nh lên, chúng s ch t. Trong nhi u th k , loài Đ ố ố ớ đấ ế ị ổ ẽ ế ề ế ỉ
ng i tin r ng cây c i sinh sôi là nh n t. Nh ng phép o t m s t ng tr ng c a ườ ằ ố ờ ă đấ ữ đ ỉ ỉ ự ă ưở ủ
cây xanh ã c th c hi n b i nhà khoa h c ng i B , Jan Baptista van Helmont, vào đ đượ ự ệ ở ọ ườ ỉ
u th k 17. Van Helmont ã ch ng minh c m t cái cây ang l n t ng tr ng nhi u đầ ế ỉ đ ứ đượ ộ đ ớ ă ọ ề
h n l ng t b m t, và k t lu n r ng cây xanh c nuôi d ng b ng m t th gì ó, ơ ượ đấ ị ấ ế ậ ằ đượ ưỡ ằ ộ ứ đ
ngoài t ra. Cu i cùng, ông k t lu n cây l n lên, m t ph n. là nh n c. H n n a th đấ ố ế ậ ớ ộ ầ ờ ướ ơ ử ế
k sau, nhà sinh lí h c ng i Anh Stephen Hales phát hi n th y cây xanh c ng c n có ỉ ọ ườ ệ ấ ũ ầ
không khí tr ng thành, và, th t ng c nhiên, ông nh n th y cây c i h p th khí để ưở ậ ạ ậ ấ ố ấ ụ
carbon dioxide t không khí.ừ
Nhà hóa h c ng i Anh Joseph Priestley là nhà nghiên c u u tiên nh n th y cây ọ ườ ứ đầ ậ ấ
xanh gi i phóng oxygen khi chúng kh e m nh và t ng tr ng. Thí nghi m c a ông ả ỏ ạ ă ưở ệ ủ
ch ng minh cho quá trình quang h p, và cho th y hô h p và quang h p là nh ng quá ứ ợ ấ ấ ợ ữ
trình có liên quan, nh ng ho t ng theo chi u ng c nhau. Thí nghi m n i ti ng nh t ư ạ độ ề ượ ệ ổ ế ấ
c a Priestley (kho ng n m 1772) ch ng minh r ng m t cây n n s nhanh chóng t t n uủ ả ă ứ ằ ộ ế ẽ ắ ế
t nó trong m t cái bình hình chuông, nh ng nó s cháy tr l i trong cùng không khí đặ ộ ư ẽ ở ạ
ó n u nh t m t cây xanh trong ó vài ngày. Ông k t lu n cây xanh có th “hoàn đ ế ư đặ ộ đ ế ậ ể
tr ” ph n không khí b “t n h i” b i ng n n n cháy. Trong nh ng thí nghi m khác, ả ầ ị ổ ạ ở ọ ế ữ ệ
Priestley ch ng minh c r ng m t con chu t t trong bình s “làm t n h i” không ứ đượ ằ ộ ộ đặ ẽ ổ ạ
khí theo ki u gi ng nh cây n n, nh ng có th th trong không khí sau khi “hoàn tr ”, ể ố ư ế ư ể ở ả
d n n quan i m cho r ng hô h p và quang h p là hai quá trình ng c nhau. Theo ẫ đế để ằ ấ ợ ượ
l i Priestley thì “ph n không khí ó s ho c là làm t t ng n n n, ho c là hoàn toàn b t ờ ầ đ ẽ ặ ắ ọ ế ặ ấ
ti n cho con chu t mà tôi t vào ó”. Priestley ã phát hi n ra m t ch t sau này c ệ ộ đặ đ đ ệ ộ ấ đượ
t tên là oxygen, b i nhà hóa h c ng i Pháp Antoine Laurent Lavoisier, ng i nghiênđặ ở ọ ườ ườ
c u m i quan h gi a s cháy và không khí.ứ ố ệ ữ ự
M t y u t then ch t hi u c s quang h p v n còn thi u, mãi cho n khi nhà ộ ế ố ố để ể đượ ự ợ ẫ ế đế

sinh lí h c ng i Hà Lan Jan Ingenhousz xác nh c, vào n m 1778, r ng cây xanh ọ ườ đị đượ ă ằ
ch h p th carbon dioxide và gi i phóng oxygen khi nào chúng ph i ra tr c ánh sáng. ỉ ấ ụ ả ơ ướ
Cu i cùng, nhà v t lí ng i c, Julius Robert Mayer ã chính th c hóa ý t ng cho ố ậ ườ Đứ đ ứ ưở
r ng n ng l ng c chuy n hóa t ánh sáng t o ra m t hóa ch t m i trong cây ằ ă ượ đượ ể ừ để ạ ộ ấ ớ
xanh ang sinh tr ng. Mayer tin r ng m t quá trình hóa h c thích h p (ngày nay g i làđ ưở ằ ộ ọ ợ ọ
oxy hóa) là ngu n n ng l ng c b n i v i m t c th s ng.ồ ă ượ ơ ả đố ớ ộ ơ ể ố
Quang h p, có ngh a là “k t h p v i nhau b ng ánh sáng”, là quá trình mà qua ó h u ợ ĩ ế ợ ớ ằ đ ầ
nh t t c m i cây xanh, m t s vi khu n, và m t vài sinh v t nguyên th y khai thác ư ấ ả ọ ộ ố ẩ ộ ậ ủ
n ng l ng t ánh sáng M t Tr i t o ra ng (và oxygen là s n ph m). S chuy nă ượ ừ ặ ờ để ạ đườ ả ẩ ự ể
hóa n ng l ng ánh sáng thành n ng l ng hóa h c ph thu c vào m t ch t g i là ă ượ ă ượ ọ ụ ộ ộ ấ ọ
chlorophyll, s c t màu xanh lá cây ã mang l i màu xanh cho chi c lá. Không ph i t t ắ ố đ ạ ế ả ấ
c cây c i u có lá, nh ng chúng th t s r t có hi u qu trong vi c chuy n hóa quang ả ố đề ư ậ ự ấ ệ ả ệ ể
n ng thành hóa n ng. Th ng thì nh ng chi c lá hay c xem là nh ng máy thu M t ă ă ườ ữ ế đượ ữ ặ
Tr i sinh h c, c trang b hàng lo t t bào nh xíu th c hi n quang h p c p vi ờ ọ đượ ị ạ ế ỏ ự ệ ợ ở ấ độ
mô.
S c t c nh ngh a là ch t h p th và ph n x ánh sáng kh ki n. a ph n s c t ắ ố đượ đị ĩ ấ ấ ụ ả ạ ả ế Đ ầ ắ ố
là nh ng ch t có màu, bi u hi n màu nh t nh ph thu c vào s phân b b c sóng ữ ấ ể ệ ấ đị ụ ộ ự ố ướ
ánh sáng ph n x và h p th . M i s c t có ph h p th c tr ng riêng c a nó, xác ả ạ ấ ụ ỗ ắ ố ổ ấ ụ đặ ư ủ
nh ph n ph trên ó s c t thu nh n có hi u qu n ng l ng t ánh sáng. đị ầ ổ đ ắ ố ậ ệ ả ă ượ ừ
Chlorophyll, ch t hóa sinh ph bi n v i m i c th quang h p, ph n x b c sóng màuấ ổ ế ớ ọ ơ ể ợ ả ạ ướ
xanh lá cây (trung bình) và h p th các b c sóng xanh-tím và -cam hai u d i ấ ụ ướ đỏ ở đầ ả
ph ánh sáng kh ki n.ổ ả ế
Chlorophyll là m t phân t ph c h p t n t i vài bi n th ho c ng phân trong cây ộ ử ứ ợ ồ ạ ở ế ể ặ đồ
xanh và các c th quang h p khác. T t c sinh v t th c hi n quang h p u ch a lo iơ ể ợ ấ ả ậ ự ệ ợ đề ứ ạ
ch t g i là chlorophyll a. Nhi u sinh v t khác c ng ch a các s c t ph , g m nh ng ấ ọ ề ậ ũ ứ ắ ố ụ ồ ữ
chlorophyll khác, carotenoid và xanthophyll, h p th nh ng b c sóng khác trong ph ấ ụ ữ ướ ổ
kh ki n. Nh v y, cây xanh có th thích ng v i nh ng nhân t môi tr ng nh t nh ả ế ư ậ ể ứ ớ ữ ố ườ ấ đị
tác ng b n ch t c a ánh sáng có s n lên chúng theo ki u thích h p. Các nhân t nhđộ ả ấ ủ ẵ ể ợ ố ư
chi u sâu và ch t l ng n c nh h ng m nh n b c sóng ánh sáng có s n trong ề ấ ượ ướ ả ưở ạ đế ướ ẵ
môi tr ng sông n c và môi tr ng bi n khác nhau, và óng vai trò to l n trong ườ ướ ườ ể đ ớ

nhi m v quang h p c a phytoplankon và nh ng loài sinh v t nguyên th y khác.ệ ụ ợ ủ ữ ậ ủ
Khi m t s c t h p th n ng l ng ánh sáng, n ng l ng ho c có th tiêu tan d i ộ ắ ố ấ ụ ă ượ ă ượ ặ ể ướ
d ng nhi t, phát ra b c sóng dài h n d i d ng hu nh quang, ho c nó có th gây ạ ệ ở ướ ơ ướ ạ ỳ ặ ể
ra m t ph n ng hóa h c. Các màng và c u trúc nh t nh trong sinh v t quang h p ộ ả ứ ọ ấ ấ đị ậ ợ
óng vai trò n v c u trúc c a s quang h p vì chlorophyll s ch tham gia và nh ng đ đơ ị ấ ủ ự ợ ẽ ỉ ữ
ph n ng hóa h c khi phân t ó t ng thích v i protein g n trên màng (ví d nh l c ả ứ ọ ử đ ươ ớ ắ ụ ư ụ
l p, hình 3). Quang h p là m t quá trình hai giai o n, và trong c th có l c l p, hai ạ ợ ộ đ ạ ơ ể ụ ạ
khu v c c u trúc khác nhau này n m trong nh ng quá trình riêng. M t quá trình ph ự ấ ằ ữ ộ ụ
thu c ánh sáng (th ng g i là ph n ng sáng) x y ra trong h t x p c c, trong khi m t ộ ườ ọ ả ứ ả ạ ế ọ ộ
quá trình ph thu c ánh sáng th hai (ph n ng t i) x y ra ng th i trong ch t n n ụ ộ ứ ả ứ ố ả đồ ờ ấ ề
c a l c l p (hình 3). Ng i ta cho r ng ph n ng t i có th x y ra trong s thi u sáng ủ ụ ạ ườ ằ ả ứ ố ể ả ự ế
ch ng nào mà các h t mang n ng l ng phát tri n trong ph n ng sáng có m t.ừ ạ ă ượ ể ả ứ ặ
Giai o n th nh t c a s quang h p x y ra khi n ng l ng t ánh sáng c s d ngđ ạ ứ ấ ủ ự ợ ả ă ượ ừ đượ ử ụ
tr c ti p t o ra các phân t mang n ng l ng, nh adonesine triphosphate (ATP). ự ế để ạ ử ă ượ ư
Trong giai o n này, n c b tách các thành ph n c a nó, và oxygen c gi i phóng đ ạ ướ ị ầ ủ đượ ả
d i d ng s n ph m. Các tác nhân v n chuy n n ng l ng hóa sau ó c dùng ướ ạ ả ẩ ậ ể ă ượ đ đượ
trong quá trình th hai và là quá trình c b n nh t c a quá trình quang h p: t o ra các ứ ơ ả ấ ủ ợ ạ
liên k t carbon-carbon. Giai o n th hai không yêu c u r i sáng (quá trình t i) và ch u ế đ ạ ứ ầ ọ ố ị
trách nhi m cung c p ch t dinh d ng c b n cho t bào cây xanh, c ng nh t ng h pệ ấ ấ ưỡ ơ ả ế ũ ư ổ ợ
ch t li u cho thành t bào và các thành ph n khác. Trong quá trình này, carbon dioxide ấ ệ ế ầ
g n v i hydrogen t o thành carbonhydrate, m t h ch t hóa sinh ch a cùng s nguyên ắ ớ ạ ộ ọ ấ ứ ố
t carbon và phân t n c. Nói chung, quá trình quang h p không cho phép c th ử ử ướ ợ ơ ể
s ng s d ng tr c ti p n ng l ng ánh sáng, mà yêu c u b t n ng l ng trong giai ố ử ụ ự ế ă ượ ầ ắ ă ượ
o n th nh t, ti p theo sau là giai o n th hai c a các ph n ng hóa sinh ph c t p đ ạ ứ ấ ế đ ạ ứ ủ ả ứ ứ ạ
chuy n hóa n ng l ng thành liên k t hóa h c.ể ă ượ ế ọ
Hi n t ng quang i nệ ượ đệ
M t câu h i c b n phát sinh trong s các nhà khoa h c, vào u nh ng n m 1700, là ộ ỏ ơ ả ố ọ đầ ữ ă
kh n ng tác ng c a ánh sáng lên v t ch t, và b n ch t và hàm ý c a nh ng t ng ả ă độ ủ ậ ấ ả ấ ủ ữ ươ
tác này. Vào th k 19, các nhà nghiên c u ã xác nh c ánh sáng có th t o ra h tế ỉ ứ đ đị đượ ể ạ ạ
mang i n khi chi u vào b m t nh ng kim lo i nh t nh. Nh ng nghiên c u sau ó đệ ế ề ặ ữ ạ ấ đị ữ ứ đ

a t i khám phá th y r ng hi n t ng này, ngày nay g i là hi u ng quang i n, làm đư ớ ấ ằ ệ ượ ọ ệ ứ đệ
t do ho c gi i phóng các electron liên k t v i các nguyên t trong kim lo i (hình 4). ự ặ ả ế ớ ử ạ
N m 1900, nhà v t lí ng i c, Phillip Lenard, xác nh n c ngu n phát sinh i n ă ậ ườ Đứ ậ đượ ồ đệ
tích là s phát x electron, và tìm th y m i quan h b t ng gi a b c sóng ánh sáng ự ạ ấ ố ệ ấ ờ ữ ướ
và n ng l ng và s electron c gi i phóng. B ng cách s d ng ánh sáng có b c ă ượ ố đượ ả ằ ử ụ ướ
sóng nh t nh (l c b ng m t l ng kính), Lenard ch ng minh c r ng n ng l ng t ấ đị ọ ằ ộ ă ứ đượ ằ ă ượ ừ
electron gi i phóng ch ph thu c vào b c sóng ánh sáng ch không ph thu c vào ả ỉ ụ ộ ướ ứ ụ ộ
c ng sáng. Ánh sáng c ng th p t o ra ít electron h n, nh ng m i electron ườ độ ườ độ ấ ạ ơ ư ỗ
u có n ng l ng nh nhau, b t ch p c ng sáng. H n n a, Lenard còn nh n đề ă ượ ư ấ ấ ườ độ ơ ữ ậ
th y ánh sáng có b c sóng ng n gi i phóng electron có n ng l ng l n h n n ng ấ ướ ắ ả ă ượ ớ ơ ă
l ng electron t do c gi i phóng b ng ánh sáng có b c sóng dài h n.ượ ự đượ ả ằ ướ ơ
Lenard k t lu n r ng c ng ánh sáng xác nh s electron c gi i phóng b i hi nế ậ ằ ườ độ đị ố đượ ả ở ệ
t ng quang i n, và b c sóng ánh sáng xác nh l ng n ng l ng n i t i ch a ượ đệ ướ đị ượ ă ượ ộ ạ ứ
trong m i electron c gi i phóng. Vào lúc y, s t ng tác b t th ng này gi a ánh ỗ đượ ả ấ ự ươ ấ ườ ữ
sáng và v t ch t ã a ra m t nan mà n n v t lí c i n không th nào gi i thích ậ ấ đ đư ộ đề ề ậ ổ để ể ả
n i. Hi u ng quang i n là m t trong s vài v n lí thuy t mà các nhà v t lí v ng ổ ệ ứ đệ ộ ố ấ đề ế ậ ướ
ph i vào nh ng n m 1900 do ni m tin r ng rãi vào thuy t sóng ánh sáng. Mãi cho n ả ữ ă ề ộ ế đế
khi m t nhà v t lí c khác, Max Planck, ra m t lí thuy t thay th . Planck cho r ng ộ ậ Đứ đề ộ ế ế ằ
ánh sáng, và các d ng khác c a b c x i n t , không ph i liên t c, mà g m nh ng góiạ ủ ứ ạ đệ ừ ả ụ ồ ữ
n ng l ng (l ng t ) r i r c. Thuy t l ng t c a ông, mà v i nó ông ã nh n gi i ă ượ ượ ử ờ ạ ế ượ ử ủ ớ đ ậ ả
th ng Nobel v t lí n m 1918, gi i thích cách ánh sáng có th , trong m t s tr ng ưở ậ ă ả ể ộ ố ườ
h p, c xem là h t t ng ng v i l ng t n ng l ng, là lí thuy t k th a t ợ đượ ạ ươ đươ ớ ượ ử ă ượ ế ế ừ ư
t ng c a Isaac Newton, ng i c ng tin ánh sáng là h t vào hai tr m n m tr c ó.ưở ủ ườ ũ ạ ă ă ướ đ
Albert Einstein ã d a trên các nguyên lí l ng t c a Planck gi i thích hi u ng quangđ ự ượ ử ủ ả ệ ứ
i n trong m t lí thuy t c s s dung hòa b n ch t sóng liên t c c a ánh sáng v i đệ ộ ế ơ ở ẽ ả ấ ụ ủ ớ
hành tr ng h t c a nó. L p lu n cho l i gi i thích c a Einstein là ánh sáng có b c ạ ạ ủ ậ ậ ố ả ủ ướ
sóng nh t nh x s nh th nó g m các h t r i r c, ngày nay g i là photon, t t c có ấ đị ử ự ư ể ồ ạ ờ ạ ọ ấ ả
chung n ng l ng. Hi u ng quang i n x y ra do m i electron b b t ra là k t qu c a ă ượ ệ ứ đệ ả ỗ ị ậ ế ả ủ
m t va ch m gi a m t photon t ánh sáng và m t electron trong kim lo i. Ánh sáng có ộ ạ ữ ộ ừ ộ ạ
c ng l n h n ch gây ra nhi u photon h n va ch m lên kim lo i trong m t n v ườ độ ớ ơ ỉ ề ơ ạ ạ ộ đơ ị

th i gian, t ng ng làm b t ra nhi u electron h n. N ng l ng c a m i electron phát ờ ươ ứ ậ ề ơ ă ượ ủ ỗ
ra ph thu c vào b c sóng (t n s ) c a ánh sáng gây ra s phát x , v i ánh sáng t n ụ ộ ướ ầ ố ủ ự ạ ớ ầ
s cao h n s t o ra electron có n ng l ng cao h n. S t l gi a n ng l ng photon ố ơ ẽ ạ ă ượ ơ ự ỉ ệ ữ ă ượ
và t n s ánh sáng c mô t b ng nh c b n Planck c a thuy t l ng t , lí ầ ố đượ ả ằ đị đề ơ ả ủ ế ượ ử
thuy t liên k t thuy t h t và thuy t sóng, sau này c phát tri n thành c s c a c ế ế ế ạ ế đượ ể ơ ở ủ ơ
h c l ng t .ọ ượ ử
Planck ban u a ra m t m i quan h c s gi a n ng l ng và t n s là m t ph n đầ đư ộ ố ệ ơ ở ữ ă ượ ầ ố ộ ầ
lí thuy t c a ông v c ch mà các ch t r n phát ra b c x khi b nung nóng (b c x ế ủ ề ơ ế ấ ắ ứ ạ ị ứ ạ
v t en). nh n i ti ng phát bi u r ng n ng l ng (E) c a photon t i b ng v i t n ậ đ Đị đề ổ ế ể ằ ă ượ ủ ớ ằ ớ ầ
s (f) c a ánh sáng nhân v i m t h ng s (h), ngày nay g i là h ng s Planck. M i ố ủ ớ ộ ằ ố ọ ằ ố ố
quan h n gi n ó c bi u di n nh sau:ệ đơ ả đ đượ ể ễ ư
E = hf
Hi u ng quang i n bi u hi n ba d ng: quang i n ngoài, quang d n, và quang i nệ ứ đệ ể ệ ở ạ đệ ẫ đệ
trong, d ng th ba là áng k nh t i v i s chuy n hóa n ng l ng sáng thành n ng ạ ứ đ ể ấ đố ớ ự ể ă ượ ă
l ng i n. Hi u ng quang i n ngoài x y ra khi ánh sáng va ch m lên m t b m t ượ đệ ệ ứ đệ ả ạ ộ ề ặ
kim lo i chu n b tr c, ví d cesium, và chuy n hóa n ng l ng làm b t electron ạ ẩ ị ướ ụ ể đủ ă ượ ậ
vào không gian t do g n k b m t ó. Trong t bào quang i n, electron b t ra b hút ự ầ ề ề ặ đ ế đệ ậ ị
b i c c d ng, và khi áp vào m t hi u i n th thì m t dòng i n phát sinh sau ó t l ở ự ươ ộ ệ đệ ế ộ đệ đ ỉ ệ
tuy n tính v i c ng ánh sáng t i lên t bào. Hi u ng quang i n ngoài c mô ế ớ ườ độ ớ ế ệ ứ đệ đượ
t k l ng i v i các vùng n ng l ng cao, ví d nh vùng ph tia X và tia gamma, ả ĩ ưỡ đố ớ ă ượ ụ ư ổ
và các t bào thu c lo i này th ng c s d ng phát hi n và nghiên c u các hi nế ộ ạ ườ đượ ử ụ để ệ ứ ệ
t ng x y ra nh ng m c n ng l ng này.ượ ả ở ữ ứ ă ượ
Nhi u ch t bi u hi n s thay i áng k d n i n khi b r i sáng, và tính ch t quangề ấ ể ệ ự đổ đ ể độ ẫ đệ ị ọ ấ
d n c a chúng có th c khai thác óng m các d ng c i n, c ng nh nh ng ẫ ủ ể đượ đểđ ở ụ ụ đệ ũ ư ữ
ng d ng khác. Trong các ch t có d n i n cao, nh kim lo i, s thay i d n ứ ụ ấ độ ẫ đệ ư ạ ự đổ độ ẫ
i n có th không áng k . Tuy nhiên, trong ch t bán d n, s thay i này có th khá đệ ể đ ể ấ ẫ ự đổ ể
l n. Vì s t ng d n i n t l v i c ng ánh sáng ch m t i ch t li u, nên dòng ớ ự ă độ ẫ đệ ỉ ệ ớ ườ độ ạ ớ ấ ệ
i n là m t dòng ngoài s t ng theo c ng ánh sáng. Lo i t bào này th ng c đệ ộ ẽ ă ườ độ ạ ế ườ đượ
dùng trong nh ng b c m bi n ánh sáng th c hi n nh ng công vi c nh b t và t t ữ ộ ả ế để ự ệ ữ ệ ư ậ ắ
èn ng và èn chi u sáng trong nhà.đ đườ đ ế

Hi u ng quang i n trong và pin M t Tr iệ ứ đệ ặ ờ
T bào M t Tr i chuy n hóa n ng l ng ánh sáng thành n ng l ng i n, ho c gián ế ặ ờ ể ă ượ ă ượ đệ ặ
ti p b ng cách tr c tiên chuy n nó thành n ng l ng nhi t, ho c qua m t quá trình ế ằ ướ ể ă ượ ệ ặ ộ
tr c ti p g i là hi u ng quang i n trong. Các lo i t bào M t Tr i ph bi n nh t d a ự ế ọ ệ ứ đệ ạ ế ặ ờ ổ ế ấ ự
trên hi u ng quang i n trong, x y ra khi ánh sáng r i vào m t ch t bán d n hai l p ệ ứ đệ ả ơ ộ ấ ẫ ớ
t o ra m t s chênh l ch i n th , hay hi u i n th , gi a hai l p. Hi u i n th t o ra ạ ộ ự ệ đệ ế ệ đệ ế ữ ớ ệ đệ ế ạ
trong t bào có th i u khi n dòng i n qua m t m ch i n ngoài có th dùng làm ế ể đề ể đệ ộ ạ đệ ể
d ng c c p i n.ụ ụ ấ đệ
N m 1839, nhà v t lí Pháp Edmund Becquerel phát hi n th y ánh sáng chi u vào hai ă ậ ệ ấ ế
i n c c gi ng h t nhau t ng p trong m t dung d ch d n i n y u s t o ra m t hi u đệ ự ố ệ đặ ậ ộ ị ẫ đệ ế ẽ ạ ộ ệ
i n th . Hi u ng này không hi u qu l m t o ra dòng i n, và vì không có ng đệ ế ệ ứ ệ ả ắ để ạ đệ ứ
d ng th c t nào vào lúc ó, nên nó v n ch là m t s hi u kì trong nhi u n m. Vài th pụ ự ế đ ẫ ỉ ộ ự ế ề ă ậ
k sau, s quang d n c a selenium c khám phá b i Willoughby Smith trong lúc ông ỉ ự ẫ ủ đượ ở
ang ki m tra các ch t phát tri n cáp vi n thông d i n c. M t mô t c a t bào đ ể ấ để ể ễ ướ ướ ộ ả ủ ế
quang i n selenium u tiên c công b vào n m 1877, và s c h p d n r t l n thu đệ đầ đượ ố ă ứ ấ ẫ ấ ớ
c t vi c hi u ng quang i n trong c quan sát th y trong ch t r n. Nhà phát đượ ừ ệ ệ ứ đệ đượ ấ ấ ắ
minh ng i M Charles Fritts ã ch t o c t bào M t Tr i u tiên c u t o t bánh ườ ĩ đ ế ạ đượ ế ặ ờ đầ ấ ạ ừ
x p selenium vào n m 1883, m c dù t bào c a ông có hi u chuy n hóa ch kho ng 1-ố ă ặ ế ủ ệ ể ỉ ả
2%. Các ng d ng th ng m i th c d ng và công nghi p không d dàng có m t ngay, ứ ụ ươ ạ ự ụ ệ ễ ặ
và vào u th k 20 (sau phát minh ra bóng èn i n), vi c phát i n b ng tuabin m i đầ ế ỉ đ đệ ệ đệ ằ ớ
tr nên ph bi n. S h ng thú v i hi u ng quang i n trong nhanh chóng b lu m , và ở ổ ế ự ứ ớ ệ ứ đệ ị ờ
a s các nghiên c u trong l nh v c này t p trung vào vi c i u khi n và ng d ng đ ố ứ ĩ ự ậ ệ đề ể ứ ụ
dòng i n.đệ
S hi u bi t toàn di n v hi n t ng bao hàm hi u ng quang i n trong không có ự ể ế ệ ề ệ ượ ệ ứ đệ
c, mãi cho t i khi thuy t l ng t c phát tri n. Các ng d ng quang i n trong đượ ớ ế ượ ử đượ ể ứ ụ đệ
ban u ch y u là c m bi n ho c o ánh sáng, ch không ph i t o ra n ng l ng đầ ủ ế ả ế ặ đ ứ ả ạ ă ượ
i n. Tác nhân c n thi t cho nghiên c u trong l nh v c này n t mô t c a Einstein đệ ầ ế ứ ĩ ự đế ừ ả ủ
v hi u ng quang i n và nh ng thí nghi m bu i u s d ng t bào quang i n thô ề ệ ứ đệ ữ ệ ổ đầ ử ụ ế đệ
s . T bào M t Tr i th c d ng u tiên phát sinh t khám phá ra tính ch t quang i n ơ ế ặ ờ ự ụ đầ ừ ấ đệ
trong ch t bán d n silicon pha t p ch t. Các mô un M t Tr i ch t o b i Phòng thí ấ ẫ ạ ấ đ ặ ờ ế ạ ở

nghi m Bell trong n m 1954 c ch t o t các d n xu t t ng t silicon, và ho t ệ ă đượ ế ạ ừ ẫ ấ ươ ự ạ
ng hi u su t g n 6%. Vào n m 1960, t bào quang i n trong c c i ti n t t i độ ở ệ ấ ầ ă ế đệ đượ ả ế đạ ớ
hi u su t 14%, m t giá tr ghi nh n t o ra các d ng c h u d ng.ệ ấ ộ ị đủ ậ để ạ ụ ụ ữ ụ
Ngày nay, nh ng t bào quang i n trong thông d ng nh t u s d ng vài l p silicon ữ ế đệ ụ ấ đề ử ụ ớ
pha t p, cùng lo i ch t bán d n c s d ng s n xu t chip máy tính. Ch c n ng ạ ạ ấ ẫ đượ ử ụ để ả ấ ứ ă
c a chúng ph thu c vào chuy n ng c a các th c th mang i n gi a các l p silion ủ ụ ộ ể độ ủ ự ể đệ ữ ớ
xen k . Trong silicon tinh khi t, khi n ng l ng nh n vào (ví d , b ng cách làm ẽ ế đủ ă ượ ậ ụ ằ
nóng), m t s electron trong các nguyên t silicon có th thoát ra t do kh i liên k t c aộ ố ử ể ự ỏ ế ủ
chúng trong tinh th , l i phía sau m t l tr ng trong c u trúc i n t c a nguyên t . ể để ạ ộ ỗ ố ấ đệ ử ủ ử
Các electron t do này chuy n ng ng u nhiên qua ch t r n tìm l tr ng khác k t ự ể độ ẫ ấ ắ ỗ ố để ế
h p và gi i phóng n ng l ng th a c a chúng. Gi vai trò các h t mang i n t do, ợ ả ă ượ ừ ủ ữ ạ đệ ự
các electron có kh n ng t o ra dòng i n, m c dù trong silicon tinh khi t có quá ít ả ă ạ đệ ặ ế
chúng nên m c dòng i n là không áng k . Tuy nhiên, silicon có th c c i thi n ứ đệ đ ể ể đượ ả ệ
b ng cách thêm vào nh ng t p ch t nh t nh s làm t ng ho c là s l ng electron t ằ ữ ạ ấ ấ đị ẽ ă ặ ố ượ ự
do (silicon lo i n), ho c là s l ng l tr ng (ch thi u electron, còn g i là silicon lo i p).ạ ặ ố ượ ỗ ố ỗ ế ọ ạ
Vì c l tr ng và electrond u l u ng bên trong m ng tinh th silicon c nh nên ả ỗ ố đề ư độ ạ ể ố đị
chúng có th k t h p trung hòa l n nhau d i s tác ng c a m t hi u i n th . ể ế ợ để ẫ ướ ự độ ủ ộ ệ đệ ế
Silicon pha t p theo ki u này có tính nh y sáng s d ng trong các ng d ng ạ ể đủ ạ để ử ụ ứ ụ
quang i n trong.đệ
Trong m t t bào quang i n trong i n hình, hai l p bán d n silicon pha t p liên k t sít ộ ế đệ để ớ ẫ ạ ế
sao v i nhau (xem hình 5). M t l p c c i bi n có quá s electron t do (g i là ớ ộ ớ đượ ả ế để ố ự ọ
l p n), còn l p kia c i u ch nh có quá s l tr ng (l p p). Khi hai l p bán d n ớ ớ đượ đề ỉ để ố ỗ ố ớ ớ ẫ
khác nhau c ghép l i t i m t ranh gi i chung (g i là ti p giáp p-n), electron t do đượ ạ ạ ộ ớ ọ ế ự
trong l p n i vào l p p nh m l p y các l tr ng. S k t h p c a electron và l tr ng ớ đ ớ ằ ắ đầ ỗ ố ự ế ợ ủ ỗ ố
t i ti p giáp p-n t o ra m t rào c n ng n s electron v t qua t ng thêm. Khi s thi u ạ ế ạ ộ ả ă ố ượ ă ự ế
cân b ng i n t t i i u ki n cân b ng, m t i n tr ng n nh c thi t l p qua ằ đệ đạ ớ đề ệ ằ ộ đệ ườ ổ đị đượ ế ậ
ranh gi i phân tách hai l p.ớ ớ
Khi ánh sáng có b c sóng (và n ng l ng) thích h p ch m t i t bào tách l p và b ướ ă ượ ợ ạ ớ ế ớ ị
h p th , electron c t do chuy n ng v m i phía. Nh ng electron g n ranh gi i ấ ụ đượ ự ể độ ề ọ ữ ầ ớ
(ti p giáp p-n) có th b ng qua ti p giáp b i i n tr ng c nh. Vì electron có th d ế ể ă ế ở đệ ườ ố đị ể ễ

dàng b ng qua ranh gi i, nh ng không th quay tr l i theo h ng khác (ch ng l i ă ớ ư ể ở ạ ướ ố ạ
gradient i n tr ng) nên s thu c s b t cân b ng i n tích gi a hai vùng ch t đệ ườ ẽ đượ ự ấ ằ đệ ữ ấ
bán d n. Nh ng electron i vào l p n b i hi u ng khu bi t hóa c a tr ng n nh có ẫ ữ đ ớ ở ệ ứ ệ ủ ườ ổ đị
xu h ng t nhiên r i kh i l p ó i u ch nh s b t cân b ng i n tích. Ti n v phíaướ ự ờ ỏ ớ đ đểđề ỉ ự ấ ằ đệ ế ề
này, các electron s i theo ng i khác n u nh có ng i ó. B ng cách t m tẽ đ đườ đ ế ư đườ đ đ ằ đặ ộ
dòng i n ngoài mà qua ó các electron có th quay tr l i l p kia, thì dòng i n s đệ đ ể ở ạ ớ đệ ẽ
c t o ra liên t c ch ng nào mà ánh sáng còn ch m t i t bào M t Tr i. Trong c u đượ ạ ụ ừ ạ ớ ế ặ ờ ấ
trúc c a t bào quang i n trong, các l p ti p xúc kim lo i c t vào m t ngoài c a ủ ế đệ ớ ế ạ đượ đặ ặ ủ
hai l p bán d n, và cung c p m t ng d n t i m ch i n ngoài n i hai l p l i. K t ớ ẫ ấ ộ đườ ẫ ớ ạ đệ ố ớ ạ ế
qu cu i cùng là vi c t o ra công su t i n thu c tr c ti p t n ng l ng ánh sáng.ả ố ệ ạ ấ đệ đượ ự ế ừ ă ượ
Hi u i n th t o ra b i t bào M t Tr i bi n thiên theo b c sóng c a ánh sáng t i, ệ đệ ế ạ ở ế ặ ờ ế ướ ủ ớ
nh ng nh ng chi c t bào tiêu bi u c ch t o s d ng ph b c sóng r ng c a ư ữ ế ế ể đượ ế ạ để ử ụ ổ ướ ộ ủ
ánh sáng ban ngày do M t Tr i cung c p. L ng n ng l ng t o ra b i t bào ph ặ ờ ấ ượ ă ượ ạ ở ế ụ
thu c vào b c sóng, v i nh ng b c sóng dài phát ra ít i n h n nh ng b c sóng ộ ướ ớ ữ ướ đệ ơ ữ ướ
ng n. Vì nh ng t bào hi n có th ng th ng t o ra hi u i n th ch kho ng b ng v i ắ ữ ế ệ ườ ườ ạ ệ đệ ế ỉ ả ằ ớ
t bào èn flash, nên c n ph i ghép hàng tr m, ho c th m chí hàng ngàn t bào l i ế đ ầ ả ă ặ ậ ế ạ để
t o ra i n cho nh ng ng d ng c n thi t. M t s xe ô tô ch y b ng n ng l ng M tạ đủđệ ữ ứ ụ ầ ế ộ ố ạ ằ ă ượ ặ
Tr i ã c ch t o và ã ho t ng thành công t c cao qua vi c s d ng m t ờ đ đượ ế ạ đ ạ độ ở ố độ ệ ử ụ ộ
s l ng l n các t bào M t Tr i. N m 1981, khí c u Solar Challenger c b c ố ượ ớ ế ặ ờ ă ầ đượ ọ
16.000 t bào M t Tr i, t o ra công su t h n 3000 watt, ã bay qua eo bi n Anh ch ế ặ ờ ạ ấ ơ đ ể ỉ
i u khi n b ng ánh sáng M t Tr i. Nh ng kì công gây h ng thú nh th này ã làm đề ể ằ ặ ờ ữ ứ ư ế đ
t ng thêm vi c s d ng ngu n n ng l ng M t Tr i. Tuy nhiên, vi c s d ng các t ă ệ ử ụ ồ ă ượ ặ ờ ệ ử ụ ế
bào M t Tr i v n còn trong th i kì ch a chín, và ngu n n ng l ng này v n ch ặ ờ ẫ ờ ư đủđộ ồ ă ượ ẫ ỉ
m i gi i h n trong nh ng d ng c yêu c u công su t th p.ớ ớ ạ ữ ụ ụ ầ ấ ấ
Các t bào quang i n trong hi n nay s d ng nh ng ti n b m i nh t trong l nh v c ế đệ ệ ử ụ ữ ế ộ ớ ấ ĩ ự
ch t bán d n silicon pha t p chuy n hóa trung bình 18% ( t giá tr l n nh t vào ấ ẫ ạ ể đạ ị ớ ấ
kho ng 25%) n ng l ng ánh sáng t i thành dòng i n, so v i 6% i v i nh ng t ả ă ượ ớ đệ ớ đố ớ ữ ế
bào s n xu t trong th p niên 1950. Ngoài nh ng c i ti n v hi u su t, ng i ta c ng ả ấ ậ ữ ả ế ề ệ ấ ườ ũ
ngh ra nh ng ph ng pháp m i s n xu t nh ng t bào ít t n kém h n so v i ĩ ữ ươ ớ để ả ấ ữ ế ố ơ ớ
nh ng t bào ch t o t silicon n tinh th . Nh ng c i ti n nh th bao g m các màngữ ế ế ạ ừ đơ ể ữ ả ế ư ế ồ

m ng silicon t ng tr ng trên nh ng bánh x p silicon a tinh th ít t h n nhi u. ỏ ă ưở ữ ố đ ể đắ ơ ề
Silicon không k t tinh c ng c th v i m t s thành công, khi cho b c h i các màng ế ũ đượ ử ớ ộ ố ố ơ
silicon m ng lên ch t n n th y tinh. Nh ng ch t khác ngoài silicon, nh gallium ỏ ấ ề ủ ữ ấ ư
arsenide, cadmium telluride, và ng indium diselenide, ang c nghiên c u vì đồ đ đượ ứ
nh ng ti m n ng c a chúng cho các ng d ng t bào M t Tr i. G n ây, các màng ữ ề ă ủ ứ ụ ế ặ ờ ầ đ
m ng titanium dioxide ã c phát tri n cho vi c ch t o t bào quang i n trong ti mỏ đ đượ ể ệ ế ạ ế đệ ề
n ng. Nh ng màng trong su t này c bi t h p d n vì chúng c ng có th th c thi ă ữ ố đặ ệ ấ ẫ ũ ể ự
nhi m v kép nh nh ng cánh c a s .ệ ụ ư ữ ử ổ
N ng l ng M t Tr i th ng và n ng l ng M t Tr i ch ngă ượ ặ ờ ụ độ ă ượ ặ ờ ủ độ
M c dù các t bào M t Tr i chuy n hóa tr c ti p ánh sáng thành n ng l ng i n, ặ ế ặ ờ ể ự ế ă ượ đệ
nh ng nh ng ph ng ti n gián ti p c ng có th s d ng ánh sáng t o ra n ng ư ữ ươ ệ ế ũ ể ử ụ để ạ ă
l ng d i d ng nhi t. Nh ng c c u này có th chia thành hai lo i: các h n ng ượ ướ ạ ệ ữ ơ ấ ể ạ ệ ă
l ng M t Tr i th ng và ch ng. Các h th ng ph thu c vào s h p th nhi t ượ ặ ờ ụ độ ủ độ ệ ụ độ ụ ộ ự ấ ụ ệ
mà không liên quan t i chuy n ng c h c. L y ví d , lò M t Tr i không gì h n là m t ớ ể độ ơ ọ ấ ụ ặ ờ ơ ộ
cái h p cách nhi t v i th y tinh bao ngoài và bên trong màu en, có th t t i nhi t ộ ệ ớ ủ đ ể đạ ớ ệ độ
quá 100 C d i ánh sáng M t Tr i m nh, tr c ti p. Nhi t này có th dùng unđộ ướ ặ ờ ạ ự ế ệ độ ể đểđ
n u th c n, và nh ng n c ang phát tri n ho c nh ng khu v c có ngu n nhiên ấ ứ ă ở ữ ướ đ ể ặ ữ ự ồ
li u h n ch , ây là m t công c n gi n có th mang l i s c i thi n áng k cho ch tệ ạ ế đ ộ ụ đơ ả ể ạ ự ả ệ đ ể ấ
l ng cu c s ng.ượ ộ ố
Các h n ng l ng M t Tr i ch ng th ng d a trên vi c s d ng ánh sáng M t Tr iệ ă ượ ặ ờ ủ độ ườ ự ệ ử ụ ặ ờ
un nóng m t ch t l ng, sau ó d n dòng ch t l ng nóng t i m t khu v c khác c n để đ ộ ấ ỏ đ ẫ ấ ỏ ớ ộ ự ầ
n nó. Nh ng h n c nóng quy mô nh áp ng c nhu c u n c t m và gi t gi đế ữ ệ ướ ỏ đ ứ đượ ầ ướ ắ ặ ũ
m t n i trên th gi i. Nh ng d ng c n gi n c u t o g m ng d n n c màu en ở ộ ơ ế ớ ữ ụ ụ đơ ả ấ ạ ồ ố ẫ ướ đ
k p gi a các a th y tinh, và c cách nhi t gom góp càng nhi u nhi t càng t t. ẹ ữ đĩ ủ đượ ệ để ề ệ ố
Các h ch ng quy mô l n s d ng các tia g ng h i t ánh sáng vào m t máy ệ ủ độ ớ ử ụ ươ để ộ ụ ộ
thu trung tâm, có th là m t n i un t o ra h i n c làm quay tuabin. Nh ng tr m phát ể ộ ồ đ ạ ơ ướ ữ ạ
i n M t Tr i s d ng vài tr m, ho c vài ngàn chi c g ng parabol có th t o ra h iđệ ặ ờ ử ụ ă ặ ế ươ ể ạ đủ ơ
n c t dòng n c b m qua máy thu phát ra hàng ch c megawatt i n trong hàng ướ ừ ướ ơ để ụ đệ
gi li n vào ban ngày có n ng.ờ ề ắ
S chuy n hóa n ng l ng M t Tr i thành nhiên li u cháy – Hydrogenự ể ă ượ ặ ờ ệ

M c dù n ng l ng M t Tr i t n t i thu c d ng ngu n vô t n, có s n, không ph i mua ặ ă ượ ặ ờ ồ ạ ộ ạ ồ ậ ẵ ả
bán (và không c), nh ng s chuy n hóa n ng l ng ánh sáng t M t Tr i có liên độ ư ự ể ă ượ ừ ặ ờ
quan t i hàng lo t v n gi i h n kh t khe nh ng ng d ng có hi u qu . Tr ng h p ớ ạ ấ đề ớ ạ ắ ữ ứ ụ ệ ả ườ ợ
áng thèm mu n nh t s là vi c ngh ra m t c ch chuy n hóa n ng l ng M t Tr i đ ố ấ ẽ ệ ĩ ộ ơ ế ể ă ượ ặ ờ
thành d ng ch c ch n và di ng có th d dàng truy n t i i t i nh ng n i xa. Nhi u ạ ắ ắ độ ể ễ ề ả đ ớ ữ ơ ề
n l c nghiên c u ang nh m t i vi c s d ng n ng l ng M t Tr i t p trung thu ỗ ự ứ đ ắ ớ ệ ử ụ ă ượ ặ ờ ậ để
c nhi t cao c n thi t i u khi n các ph n ng hóa h c khác nhau, th ng s đượ ệ độ ầ ế đề ể ả ứ ọ ườ ử
d ng ch t xúc tác hóa h c t o ra nh ng k t h p khác nhau c a nhiên li u khí có th ụ ấ ọ để ạ ữ ế ợ ủ ệ ể
d dàng tích tr và chuyên ch . M t s kh n ng hi n ang h a h n, nh ng a s các ễ ữ ờ ộ ố ả ă ệ đ ứ ẹ ư đ ố
nhà chuyên môn trong l nh v c chuy n hóa n ng l ng u ng ý r ng nhiên li u cu iĩ ự ể ă ượ đề đồ ằ ệ ố
cùng l y t s chuy n hóa n ng l ng M t Tr i chính là hydrogen.ấ ừ ự ể ă ượ ặ ờ
Nhu c u s d ng hydrogen làm nhiên li u hi n ang tràn ng p. Hydrogen phân t c u ầ ử ụ ệ ệ đ ậ ử ấ
t o t nguyên t nh nh t trong v tr , và có th d dàng tích tr và v n chuy n. H n ạ ừ ố ẹ ấ ũ ụ ể ễ ữ ậ ể ơ
n a, hydrogen có th l y t n c v i oxygen là s n ph m duy nh t. Khi hydrogen cháy,ữ ể ấ ừ ướ ớ ả ẩ ấ
nó k t h p v i oxygen trong không khí t o ra n c tr l i, do ó có th tái t o ngu n ế ợ ớ ạ ướ ở ạ đ ể ạ ồ
v t li u. i u quan tr ng nh t là trong su t chu trình gi i phóng n ng l ng d ng có ậ ệ Đề ọ ấ ố ả ă ượ ở ạ
th s d ng c, không có b c trung gian nào sinh ra nh ng ch t c áng k . ể ử ụ đượ ướ ữ ấ độ đ ể
C ng nh M t Tr i ti p t c t o ra n ng l ng ánh sáng c a nó, ngu n hydrogen là vô ũ ư ặ ờ ế ụ ạ ă ượ ủ ồ
t n. Hi n nay, hydrogen c s d ng ch y u là nhiên li u tên l a (d i d ng các t ậ ệ đượ ử ụ ủ ế ệ ử ướ ạ ế
bào nhiên li u xúc tác nh minh h a trong hình 6) và là thành ph n c a m t s quá ệ ư ọ ầ ủ ộ ố
trình công ngh hóa h c. Tuy nhiên, v i nh ng c i ti n thu c g n ây, nguyên t ệ ọ ớ ữ ả ế đượ ầ đ ố
nh nh t này có th s áp ng m i nhu c u v i n và v n chuy n c a loài ng i.ỏ ấ ể ẽ đ ứ ọ ầ ề đệ ậ ể ủ ườ
M c dù hydrogen có th s n xu t tr c ti p t n c, nh ng yêu c u ph i c p m t s ặ ể ả ấ ự ế ừ ướ ư ầ ả ấ ộ ố
n ng l ng vào th c hi n vi c tách nó kh i oxygen. M t ph ng pháp i u khi n ă ượ để ự ệ ệ ỏ ộ ươ đề ể
ph n ng ó là s d ng dòng i n trong m t quá trình g i là i n phân, và ánh sáng ả ứ đ ử ụ đệ ộ ọ đệ
M t Tr i có th c s d ng phát ra dòng i n cho s chuy n hóa ó. S i n ặ ờ ể đượ ử ụ để đệ ự ể đ ự đệ
phân bao hàm m t ph n ng oxy hóa kh , trong ó dòng i n truy n qua m t c p i n ộ ả ứ ử đ đệ ề ộ ặ đệ
c c trong n c, sinh ra ch t khí hydrogen và oxygen hai i n c c. M t h ng kh d ự ướ ấ ở đệ ự ộ ướ ả ĩ
khác cho vi c s n xu t hydrogen là t p trung ánh sáng M t Tr i nhi t cao ệ ả ấ ậ ặ ờ ở ệ độđủ để
gây ra s phân li nhi t c a n c thành các thành ph n oxygen và hydrogen c a nó, ự ệ ủ ướ ầ ủ

sau ó có th tách chúng ra.đ ể
Cu i cùng, m t ph ng pháp tách n c tinh vi h n n a làm phát sinh phân t ố ộ ươ ướ ơ ữ ử
hydrogen th t áng thèm khát. M t k thu t mà t ó s phân tích thu c là khai thácậ đ ộ ĩ ậ ừ đ ự đượ
n ng l ng M t Tr i qua các ph n ng hóa h c theo ki u t ng t nh quá trình ă ượ ặ ờ ả ứ ọ ể ươ ự ư
quang h p s d ng b i cây xanh và vi khu n. Khi chúng ph i ra tr c ánh sáng M t ợ ử ụ ở ẩ ơ ướ ặ
Tr i, th c v t ch a chlorophyll màu xanh liên t c tách các phân t n c, gi i phóng ờ ự ậ ứ ụ ử ướ ả
oxygen và k t h p hydrogen v i carbon dioxide t o ra ng. N u ph n u c a quá ế ợ ớ ạ đườ ế ầ đầ ủ
trình này, ho c m t quá trình t ng t , có th mô ph ng l i, thì s thu c ngu n ặ ộ ươ ự ể ỏ ạ ẽ đượ ồ
cung c p hydrogen vô t n, i u khi n b ng ngu n n ng l ng M t Tr i.ấ ậ đề ể ằ ồ ă ượ ặ ờ
M t c g ng quan tr ng n a là t p trung phát tri n s quang h p nhân t o, m c ộ ố ắ ọ ữ ậ ể ự ợ ạ ở ứ độ
c b n, có th mô t là s phân tích i n tích kh quang t i m t phân cách gi i h n ơ ả ể ả ự đệ ử ạ ặ ớ ạ
phân t . M t trong nh ng m c tiêu nhi u tham v ng nh t c a nghiên c u này là phát ử ộ ữ ụ ề ọ ấ ủ ứ
tri n các enzym i u khi n b ng ánh sáng, và c i n t h c quy mô phân t , bao ể đề ể ằ ả đệ ử ọ ở ử
g m s chuy n t i các h t mang i n áp ng l i ánh sáng và ho t ng hóa h c. M t ồ ự ể ả ạ đệ đ ứ ạ ạ độ ọ ộ
i t ng khác c a nghiên c u này là vi c s n xu t các ch t theo công ngh sinh h c, đố ượ ủ ứ ệ ả ấ ấ ệ ọ
nh các enzym và s c t . Trong nh ng n m g n ây, vi khu n và các sinh v t t ng tư ắ ố ữ ă ầ đ ẩ ậ ươ ự
làm thoái hóa d u ã c s d ng kh c ph c các v tràn d u. Hi n nay, các nhà ầ đ đượ ử ụ để ắ ụ ụ ầ ệ
khoa h c ang c g ng hoàn thi n ph ng pháp s d ng sinh v t s ng và sinh tr ng ọ đ ố ắ ệ ươ ử ụ ậ ố ưở
nh n ng l ng M t Tr i cho nh ng m c ích a d ng thu c công ngh sinh h c, ví dờ ă ượ ặ ờ ữ ụ đ đ ạ ộ ệ ọ ụ
nh t y s ch các ngu n c p n c b ô nhi m.ư ẩ ạ ồ ấ ướ ị ễ
D i nh ng i u ki n nh t nh, t o có th b kh m t chu i quang h p bình th ng ướ ữ đề ệ ấ đị ả ể ị ử ấ ỗ ợ ườ
c a chúng m t giai o n nh t nh và s n sinh m t l ng l n hydrogen. B ng cách ủ ở ộ đ ạ ấ đị ả ộ ượ ớ ằ
ng n c n các t bào kh i nhiên li u tr cho s cháy lúc thông th ng, t o có th b ă ả ế ỏ ệ ữ ự ườ ả ể ị
bu c ph i kích ho t m t l trình trao i ch t khác mang n k t qu là vi c s n sinh ra ộ ả ạ ộ ộ đổ ấ đế ế ả ệ ả
l ng áng k hydrogen. Khám phá này làm t ng thêm hi v ng r ng m t ngày nào ó ượ đ ể ă ọ ằ ộ đ
nhiên li u hydrogen có th s n xu t t ánh sáng M t Tr i và n c thông qua quá trình ệ ể ả ấ ừ ặ ờ ướ
quang h p b ng các ph c h p quang hóa quy mô l n. Nh ng nghiên c u g n ây cho ợ ằ ứ ợ ớ ữ ứ ầ đ
th y vi khu n i d ng ch a s c t h p th ánh sáng proteorhodopsin, cho phép ấ ẩ đạ ươ ứ ắ ố ấ ụ
chúng chuy n hóa ánh sáng M t Tr i thành n ng l ng t bào mà không ph thu c ể ặ ờ ă ượ ế ụ ộ
chlorophyll. Khám phá này làm t ng thêm kh n ng s d ng các vi khu n d thao tác, ă ả ă ử ụ ẩ ễ

nh E.coli, trong máy phát n ng l ng i u khi n b ng ánh sáng có hàng lo t ng ư ă ượ đề ể ằ ạ ứ
d ng trong c v t lí h c và khoa h c v s s ng.ụ ả ậ ọ ọ ề ự ố
ng d ng ch p nh quang i n t :Ứ ụ ụ ả đệ ử
S chuy n hóa ánh sáng thành tín hi u i nự ể ệ đệ
M t trong nh ng ng d ng thông d ng nh t c a hi u ng quang i n là trong các d ngộ ữ ứ ụ ụ ấ ủ ệ ứ đệ ụ
c dùng phát hi n photon mang thông tin v hình nh trong camera, kính hi n vi, ụ để ệ ề ả ể
kính thiên v n và nh ng d ng c ghi nh khác. V i s phát tri n c a công ngh ghi nhă ữ ụ ụ ả ớ ự ể ủ ệ ả
k thu t s , s ti n b nhanh chóng ã xu t hi n trong công ngh dùng chuy n hóa ĩ ậ ố ự ế ộ đ ấ ệ ệ để ể
ánh sáng thành tín hi u i n có ý ngh a. M t vài lo i detector ánh sáng ang c s ệ đệ ĩ ộ ạ đ đượ ử
d ng ph bi n. M t s thu nh n các tín hi u có thông tin hình nh mà không phân bi t ụ ổ ế ộ ố ậ ệ ả ệ
không gian, còn m t s khác là nh ng detector c c b b t l y hình nh tr c ti p h n ộ ố ữ ụ ộ ắ ấ ả ự ế ơ
v i thông tin không gian và c ng k t h p. Các detector ánh sáng d a trên hi u ớ ườ độ ế ợ ự ệ
ng quang i n g m các ng nhân quang, các diode quang thác, d ng c tích i n kép,ứ đệ ồ ố ụ ụ đệ
b ph n khu ch i hình nh, và các b c m bi n quang bán d n oxide kim lo i b ộ ậ ế đạ ả ộ ả ế ẫ ạ ổ
chính (CMOS). Trong s này, d ng c tích i n kép c dùng r ng rãi nh t cho công ố ụ ụ đệ đượ ộ ấ
vi c ghi nh và phát hi n, và do ó c s d ng ph bi n nh t. Nguyên t c ho t ngệ ả ệ đ đượ ử ụ ổ ế ấ ắ ạ độ
c a nó c ng là c s cho nhi m v c a các lo i detector khác.ủ ũ ơ ở ệ ụ ủ ạ
D ng c tích i n kép (CCD) là m ch tích h p trên n n silicon g m m t ma tr n, hay ụ ụ đệ ạ ợ ề ồ ộ ậ
m t dãy, dày c các diode quang ho t ng b ng cách chuy n hóa n ng l ng ánh ộ đặ ạ độ ằ ể ă ượ
sáng d i d ng photon thành i n tích. M i diode quang trong dãy ho t ng theo ướ ạ đệ ỗ ạ độ
nguyên t c t ng t nh t bào quang i n trong, nh ng trong CCD, các electron phát ắ ươ ự ư ế đệ ư
ra b i t ng tác c a photon v i nguyên t silicon c l u tr trong m t gi ng th và ở ươ ủ ớ ử đượ ư ữ ộ ế ế
sau ó có th truy n qua chip, qua thanh ghi, r i i ra ngoài t i b ph n khu ch i. đ ể ề ồ đ ớ ộ ậ ế đạ
Hình 7 minh h a c u trúc c a m t CCD i n hình.ọ ấ ủ ộ để
CCD c phát minh vào cu i th p niên 1960 b i nhà khoa h c nghiên c u t i Phòng đượ ố ậ ở ọ ứ ạ
thí nghi m Bell, ng i lúc u mang ý t ng v m t lo i m ch i n nh m i dùng cho ệ ườ đầ ưở ề ộ ạ ạ đệ ớ ớ
máy tính. Nh ng nghiên c u sau ó cho th y r ng d ng c ó, vì kh n ng truy n i n ữ ứ đ ấ ằ ụ ụ đ ả ă ề đệ
tích c a nó và ph n ng i n c a nó v i ánh sáng, c ng s có ích cho nh ng ng d ngủ ả ứ đệ ủ ớ ũ ẽ ữ ứ ụ
khác nh x lí tín hi u và ghi nh. Ni m hi v ng ban u v m t d ng c nh m i hoànư ử ệ ả ề ọ đầ ề ộ ụ ụ ớ ớ
toàn tan bi n, nh ng CCD n i lên là m t trong nh ng ng c viên hàng u cho các ế ư ổ ộ ữ ứ ử đầ

detector ghi nh i n t dùng cho m i m c ích, có kh n ng thay th phim trong l nh ả đệ ử ọ ụ đ ả ă ế ĩ
v c ghi nh k thu t s , c cho m c ích ph d ng l n trong các l nh v c chuyên môn ự ả ĩ ậ ố ả ụ đ ổ ụ ẫ ĩ ự
nh k thu t ch p nh hi n vi k thu t s .ư ĩ ậ ụ ả ể ĩ ậ ố
Ch t o trên ch t n n silicon gi ng h t nh các m ch tích h p khác, CCD c x lí ế ạ ấ ề ố ệ ư ạ ợ đượ ử
trong m t chu i in nh litô ph c t p g m kh c acid, c y ion, l ng màng m ng, kim lo i ộ ỗ ả ứ ạ ồ ắ ấ ắ ỏ ạ
hóa và th ng hóa v ch rõ các nhi m v khác nhau bên trong d ng c . Ch t n n ụ độ để ạ ệ ụ ụ ụ ấ ề
silicon c pha t p i n hình thành silicon lo i p, m t ch t trong ó h t mang i n chđượ ạ đệ ạ ộ ấ đ ạ đệ ủ
y u là các l tr ng tích i n d ng. Khi m t photon t ngo i, kh ki n, ho c h ng ngo iế ỗ ố đệ ươ ộ ử ạ ả ế ặ ồ ạ
va ch m v i m t nguyên t silicon n m trong ho c g n diode quang CCD, nó s luôn ạ ớ ộ ử ằ ặ ầ ẽ
t o ra m t electron t do và m t “l tr ng” gây ra b i s v ng m t t m th i c a electronạ ộ ự ộ ỗ ố ở ự ắ ặ ạ ờ ủ
trong m ng tinh th silicon. Electron t do sau ó c gom vào m t gi ng th (n m ạ ể ự đ đượ ộ ế ế ằ
sâu bên trong silicon, trong m t khu v c g i là l p suy vong), còn l tr ng bu c ph i r i ộ ự ọ ớ ỗ ố ộ ả ờ
kh i gi ng và cu i cùng b chi m ch trong ch t n n silicon. T ng diode quang cách ỏ ế ố ị ế ỗ ấ ề ừ
i n v i các láng gi ng c a chúng b ng m t rãnh d ng, hình thành b ng cách cho đệ ớ ề ủ ằ ộ ừ ằ
khu ch tán các ion boron qua m t m t l c vào ch t n n silicon lo i p.ế ộ ặ ọ ấ ề ạ
c i m ki n trúc ch y u c a CCD là m t dãy l n chu i thanh ghi l ch ch t o có l pĐặ để ế ủ ế ủ ộ ớ ỗ ệ ế ạ ớ
polysilicon pha t p d n i n x p theo chi u th ng ng phân tách v i ch t n n bán d nạ ẫ đệ ế ề ẳ đứ ớ ấ ề ẫ
silicon b ng m t màng m ng cách i n silicon dioxide. Sau khi electron c thu gom ằ ộ ỏ đệ đượ
vào m i diode quang c a dãy, m t i n th c áp vào l p i n c c polysilicon (g i là ỗ ủ ộ đệ ế đượ ớ đệ ự ọ
các c ng) làm thay i th t nh i n c a silion n m bên d i. Ch t n n silicon n m ổ đổ ế ĩ đệ ủ ằ ướ ấ ề ằ
ngay d i i n c c c ng khi ó tr thành m t gi ng th có kh n ng thu gom các ướ đệ ự ổ đ ở ộ ế ế ả ă
electron phát ra c c b do ánh sáng t i gây ra. Các c ng lân c n giúp giam gi electronụ ộ ớ ổ ậ ữ
trong gi ng th b ng cách hình thành vùng th cao, g i là hàng rào th , bao quanh ế ế ằ ế ọ ế
gi ng. B ng cách i u ch nh hi u i n th t vào c ng polysilicon, chúng có th có xu ế ằ đề ỉ ệ đệ ế đặ ổ ể
h ng ho c là hình thành m t gi ng th , ho c là hàng rào th i n tích tích h p ướ ặ ộ ế ế ặ ế đểđệ ợ
c thu th p b i diode quang.đượ ậ ở
Sau khi c r i sáng b ng photon t i trong th i kì g i là s tích h p, gi ng th trong đượ ọ ằ ớ ờ ọ ự ợ ế ế
dãy diode quang CCD tr nên y electron t o ra trong l p suy vong c a ch t n n ở đầ ạ ớ ủ ấ ề
silicon. i n tích tr trong m i gi ng ph i c c l i theo m t ph ng pháp có h Đệ ữ ỗ ế ả đượ đọ ạ ộ ươ ệ
th ng. Nh ng phép o i n tích l u tr này c hoàn thành b ng s k t h p di ố ữ đ đệ ư ữ đượ ằ ự ế ợ

chuy n chu i và song song c a i n tích tích góp n m t nút ra t i rìa chíp, n i nó k t ể ỗ ủ đệ đế ộ ạ ơ ế
n i v i b khu ch i ngoài. T c truy n i n tích song song th ng hoàn ố ớ ộ ế đạ ố độ ề đệ ườ đủđể
thành trong th i gian tích h p i n tích cho hình nh ti p theo.ờ ợ đệ ả ế
Sau khi thu gom vào gi ng th , electron d i ch song song, m i l n m t hàng, b ng ế ế ờ ỗ ỗ ầ ộ ằ
m t tín hi u phát ra t ng h thanh ghi d ch ng. ng h thanh ghi d ch ng ho t ộ ệ ừ đồ ồ ị đứ Đồ ồ ị đứ ạ
ng theo chu kì, làm thay i i n th trên các i n c c xen k c a c ng th ng ng độ đổ đệ ế đệ ự ẽ ủ ổ ẳ đứ
làm di chuy n i n tích tích góp qua CCD. Sau khi i qua dãy c ng thanh ghi d ch để ể đệ đ ổ ị
song song, cu i cùng i n tích ch m t i m t hàng c ng c bi t g i là chu i thanh ghi ố đệ ạ ớ ộ ổ đặ ệ ọ ỗ
l ch. T i ây, các gói electron bi u di n m i pixel b d ch ngang trong chu i, d i s ệ ạ đ ể ễ ỗ ị ị ỗ ướ ự
i u khi n c a ng h thanh ghi d ch ngang, v phía b khu ch i ngoài và ra kh i đề ể ủ đồ ồ ị ề ộ ế đạ ỏ
chip. M t CCD tiêu bi u ch có m t b khu ch i c l i n m góc c a toàn b dãy ộ ể ỉ ộ ộ ế đạ đọ ạ ằ ở ủ ộ
diode quang. Trong b khu ch i ra, các gói electron ghi nh n l ng i n tích t o ra ộ ế đạ ậ ượ đệ ạ
b i các diode quang liên ti p t trái sang ph i trong m t hàng b t u v i hàng th ở ế ừ ả ộ ắ đầ ớ ứ
nh t và ti p t c cho t i h t. i u này t o ra m t s quét mành t ng t c a i n tích ấ ế ụ ớ ế Đề ạ ộ ự ươ ự ủ đệ
quang phát t toàn b dãy hai chi u c a các nguyên t c m bi n diode quang.ừ ộ ề ủ ố ả ế
S chuy n hóa n ng l ng thành ánh sángự ể ă ượ
Vì l n và tính r ng kh p c a ánh sáng và n ng l ng M t Tr i ch m t i Trái t, độ ớ ộ ắ ủ ă ượ ặ ờ ạ ớ Đấ
nên s chuy n hóa ng c l i t các d ng n ng l ng khác thành ánh sáng d ng nhự ể ượ ạ ừ ạ ă ượ ườ ư
là không quan tr ng. Tuy nhiên, nh ng b c hình ch p m i ây t phi thuy n và v tinh ọ ữ ứ ụ ớ đ ừ ề ệ
c a Trái t vào ban êm cho th y nh ng khu v c dân c ông úc, loài ng i ã ủ Đấ đ ấ ở ữ ự ư đ đ ườ đ
thành công trong vi c t o ra m t l ng áng k ánh sáng b ng cách chuy n hóa ngu nệ ạ ộ ượ đ ể ằ ể ồ
n ng l ng i n (hình 8). Nh ng quá trình t nhiên khác c ng x y ra làm phát sinh ánhă ượ đệ ữ ự ũ ả
sáng, th ng i cùng v i nhi t. Dù cho x y ra t nhiên hay là có s h tr khéo léo c aườ đ ớ ệ ả ự ự ỗ ợ ủ
con ng i, ánh sáng có th phát ra t các c ch chuy n hóa n ng l ng c h c, hóa ườ ể ừ ơ ế ể ă ượ ơ ọ
h c, và i n h c. Hình 8 là m t nh ghép t hàng tr m t m nh ch p Trái t t v ọ đệ ọ ộ ả ừ ă ấ ả ụ Đấ ừ ệ
tinh. Ánh sáng t các ngu n nhân t o mô t rõ ràng các trung tâm dân c chính B c ừ ồ ạ ả ư ở ắ
M và Tây Âu, nh minh h a trong hình.ĩ ư ọ
T i m t s th i i m trong quá kh xa xôi, loài ng i ã h c c cách s d ng l a ạ ộ ố ờ để ứ ườ đ ọ đượ ử ụ ử
theo ki u có l i. Nh ng ng n l a phát sáng có kh n ng mang l i ngu n sáng nhân t oể ợ ữ ọ ử ả ă ạ ồ ạ
u tiên, và nh ng ng n l a t nhiên này v n c duy trì làm tài s n quý trong th i đầ ữ ọ ử ự ẫ đượ ả ờ

gian dài. N u m t ng n l a t t, thì m t ngu n l a m i ph i c tìm th y b ng cách ế ộ ọ ử ắ ộ ồ ử ớ ả đượ ấ ằ
s n tìm và thu th p. Thành công s m nh t trong vi c c ý t o ra l a là k t qu c a vi c ă ậ ớ ấ ệ ố ạ ử ế ả ủ ệ
s n sinh nhi t và than h ng t ma sát khi c các que c i vào nhau, ho c “lóe” tia l a ả ệ ồ ừ ọ ủ ặ ử
i n b ng cách c nh ng hòn á ho c khoáng v t nh t nh v i nhau, chúng làm b c đệ ằ ọ ữ đ ặ ậ ấ đị ớ ố
cháy m t s ch t li u d b t l a t g n ó. Ng i La Mã ã bi t cách s d ng u c ộ ố ấ ệ ễ ắ ử đặ ầ đ ườ đ ế ử ụ đ ố
t m nh a làm ngu n sáng di ng t h n 2000 n m tr c. L a không ph i ch có ích, ẩ ự ồ độ ừ ơ ă ướ ử ả ỉ
mà còn có ý ngh a bi u tr ng to l n trong nhi u n n v n hóa s khai và trong th n ĩ ể ư ớ ề ề ă ơ ầ
tho i c a h . B t u t truy n th ng Hy L p c i, các kì th v n h i Olympic ngày ạ ủ ọ ắ đầ ừ ề ố ạ ổ đạ ế ậ ộ
nay v n gi tinh th n “mang l a” t Hy L p t i a i m t ch c s ki n.ẫ ữ ầ ử ừ ạ ớ đị để ổ ứ ự ệ
Loài ng i ã s d ng s cháy c a m t s d ng nhiên li u k t h p v i oxygen trong ườ đ ử ụ ự ủ ộ ố ạ ệ ế ợ ớ
không khí cung c p l a (c ng nh nhi t) trong hàng nghìn n m tr i, và m t h ng ti n ấ ử ũ ư ệ ă ờ ộ ướ ế
b không th tránh c sau ó là vi c tìm ki m nh ng c i ti n c v ch c n ng và ộ ể đượ đ ệ ế ữ ả ế ả ề ứ ă độ
an toàn. Sau khi ng i ta bi t r ng m ng v t và d u th c v t cháy v i ng n l a màuườ ế ằ ỡ độ ậ ầ ự ậ ớ ọ ử
vàng chói, ã có nhu c u l n v nh ng lo i d u này, và ph n nhi u trong s ó c đ ầ ớ ề ữ ạ ầ ầ ề ố đ đượ
l y t ng v t bi n, ví d nh cá voi và h i c u. Vi c t cháy d u khó ki m soát, và ấ ừ độ ậ ể ụ ư ả ẩ ệ đố ầ ể
ph i thêm b c vào èn i u khi n t c cháy và ng n c n nguy hi m vì ng n l a ả ấ đ đểđề ể ố độ ă ả ể ọ ử
cháy bùng lên. èn d u c bi t là ã s d ng h n 10.000 n m. N n là m t mô Đ ầ đượ ế đ ử ụ ơ ă ế ộ
ph ng c a èn d u, cung c p nhiên li u d ng r n, ti n l i h n. Nh ng cây n n s m ỏ ủ đ ầ ấ ệ ở ạ ắ ệ ợ ơ ữ ế ớ
nh t s d ng m ng v t ho c sáp ong, còn nh ng cây n n hi n i ch y u c u t o ấ ử ụ ỡ độ ậ ặ ữ ế ệ đạ ủ ế ấ ạ
t parafin chi t t d u m . S phát tri n h n n a trong vi c s d ng l a mang l i ánh ừ ế ừ ầ ỏ ự ể ơ ữ ệ ử ụ ử ạ
sáng x y ra trong th k 19, khi nh ng ng n èn khí tr nên c s d ng r ng rãi ả ế ỉ ữ ọ đ ở đượ ử ụ ộ ở
các thành ph và ô th .ố đ ị
Diêm c s d ng t cháy các ch t d b t l a khác s d ng ph n ng hóa h c đượ ử ụ đểđố ấ ễ ắ ử ử ụ ả ứ ọ
t o ra l a. Que diêm th ng ph h p ch t phosphore b t l a trong s có m t c a để ạ ử ườ ủ ợ ấ ắ ử ự ặ ủ
oxygen khi chúng c làm nóng b ng ma sát qua vi c c xát lên m t m t mài mòn. đượ ằ ệ ọ ộ ặ
Cái g i là diêm an toàn ph i th p sáng b ng cách c xát lên m t b m t c bi t, và s ọ ả ắ ằ ọ ộ ề ặ đặ ệ ẽ
không b t l a khi vô tình c xát v i các b m t khác. H p ch t hóa h c trong u diêm ắ ử ọ ớ ề ặ ợ ấ ọ đầ
và b m t c xát k t h p t o ra tia l a i n lúc u kh i ng m t ph n ng hóa h c ề ặ ọ ế ợ ạ ử đệ đầ ở độ ộ ả ứ ọ
d n t i s cháy c a que diêm.ẫ ớ ự ủ
S chuy n hóa n ng l ng i n thành ánh sáng b t u tr thành th c t trong nh ng ự ể ă ượ đệ ắ đầ ở ự ế ữ

n m 1800 v i s phát tri n èn h quang. Nh ng èn này ho t ng b ng cách t o ra ă ớ ự ể đ ồ ữ đ ạ độ ằ ạ
m t dòng i n phóng qua m t khe gi a hai que than, t o ra m t cung sáng chói duy trì ộ đệ ộ ữ ạ ộ
liên t c. M c dù chúng có kh n ng phát ra nhi u ánh sáng h n nh ng ng n n n c k ụ ặ ả ă ề ơ ữ ọ ế ủ ĩ
ho c ph ng pháp èn khí, nh ng èn h quang yêu c u duy trì liên t c và là ng n l aặ ươ đ ư đ ồ ầ ụ ọ ử
nhi u r i ro. N m 1879, c Joseph Swan Anh, và Thomas Edison M , u ch ng ề ủ ă ả ở ở ĩ đề ứ
minh c èn i n s d ng dây tóc carbon nung nóng b ng dòng i n hàn kín trong đượ đ đệ ử ụ ằ đệ
bóng th y tinh hút chân không m t ph n. Ví “bóng” th y tinh c a nh ng ng n èn này ủ ộ ầ ủ ủ ữ ọ đ
c b m t i tr ng thái chân không m t ph n, và ch a r t ít oxygen, nên dây tóc s đượ ơ ớ ạ ộ ầ ứ ấ ẽ
không b t l a, nh ng s r t nóng và sáng r c r .ắ ử ư ẽ ấ ự ỡ
èn i n hi n i s d ng ba quá trình khác nhau t o ra ánh sáng t n ng l ng Đ đệ ệ đạ ử ụ để ạ ừ ă ượ
i n cung c p cho chúng. èn nóng sáng chu n, l y tr c ti p t các m u ban u c a đệ ấ Đ ẩ ấ ự ế ừ ẫ đầ ủ
nh ng n m 1800, ngày nay ch y u s d ng dây tóc volfram trong m t ch t khí tr , và ữ ă ủ ế ử ụ ộ ấ ơ
phát ra ánh sáng b ng hi u ng i n tr làm cho dây tóc nóng lên khi có dòng i n ằ ệ ứ đệ ở đệ
ch y qua. èn hu nh quang là lo i n ng l ng hi u qu h n phát ra ánh sáng t s r iạ Đ ỳ ạ ă ượ ệ ả ơ ừ ự ọ
sáng hu nh quang c a phosphor ph b m t bên trong c a ng th y tinh. L p ph ỳ ủ ủ ở ề ặ ủ ố ủ ớ ủ
phosphor b kích thích phát hu nh quang b ng b c x c c tím phát ra khi dòng i n ị ỳ ằ ứ ạ ự đệ
truy n qua ch t khí trong ng. Lo i èn th ba c dùng ph bi n là èn h i, chúng ề ấ ố ạ đ ứ đượ ổ ế đ ơ
h p nh t các ch t khí nh th y ngân ho c natri phát ra ánh sáng kh ki n khi dòng ợ ấ ấ ư ủ ặ để ả ế
i n ch y qua th tích khí. Nh ng èn này có th có áp su t cao ho c th p a d ng, vàđệ ạ ể ữ đ ể ấ ặ ấ đ ạ
phát ra ánh sáng có c tr ng ph ph thu c vào ch t khí và nh ng ch t khác h p đặ ư ổ ụ ộ ấ ữ ấ ợ
nh t trong èn.ấ đ
Có l quá trình c b n nh t chuy n hóa n ng l ng thành ánh sáng t ng t nh ẽ ơ ả ấ ể ă ượ ươ ự ư
ngu n nhi t và ánh sáng c a M t Tr i, ó là quá trình nhi t h ch h t nhân. Các nhà ồ ệ ủ ặ ờ đ ệ ạ ạ
khoa h c có th t o ra ph n ng nhi t h ch ch trong kho ng ch ng n a th k nay, ọ ể ạ ả ứ ệ ạ ỉ ả ừ ử ế ỉ
nh ng nh ng ph n ng nh th ã và ang x y ra liên t c trong v tr hàng t n m nay.ư ữ ả ứ ư ế đ đ ả ụ ũ ụ ỉ ă
Nhi t h ch là quá trình trong ó hai h t nhân nguyên t nh va ch m nhau hình thành ệ ạ đ ạ ử ẹ ạ
nên m t h t nhân n ng h n (xem hình 9). H t nhân thu c có kh i l ng nh h n ộ ạ ặ ơ ạ đượ ố ượ ỏ ơ
t ng kh i l ng c a hai h t nhân h p nhân, và kh i l ng b m t chuy n hóa thành ổ ố ượ ủ ạ ợ ố ượ ị ấ ể
n ng l ng, phù h p v i ph ng trình t ng ng kh i l ng/n ng l ng c a ă ượ ợ ớ ươ ươ đươ ố ượ ă ượ ủ
Einstein. Ph n ng nhi t h ch là ngu n phát n ng l ng c a a s các sao, k c M t ả ứ ệ ạ ồ ă ượ ủ đ ố ể ả ặ

Tr i c a chúng ta. Nh v y, s m áp c a M t Tr i và ánh sáng c a nó là s n ph m ờ ủ ư ậ ự ấ ủ ặ ờ ủ ả ẩ
c a s nhi t h ch h t nhân, hình thành nên c s cho t t c s s ng trên Trái t.ủ ự ệ ạ ạ ơ ở ấ ả ự ố Đấ
Khi m i hình thành, m t ngôi sao ch a hydrogen và helium có th c t o ra trong v ớ ộ ứ ể đượ ạ ũ
tr nguyên th y. H t nhân hydrogen ti p t c va ch m, t o nên h t nhân helium, r i ụ ủ ạ ế ụ ạ ạ ạ ồ
chúng l i va ch m t o nên nh ng h t nhân n ng h n, và c th , trong chu i ph n ng ạ ạ ạ ữ ạ ặ ơ ứ ế ỗ ả ứ
t ng h p h t nhân. S h p nhân c a các ng v hydrogen khác nhau thành ng v ổ ợ ạ ự ợ ủ đồ ị đồ ị
helium t o ra n ng l ng g p hàng tri u l n m t ph n ng hóa h c thông th ng. ạ ă ượ ấ ệ ầ ộ ả ứ ọ ườ
Ph n ng c b n này khi n M t Tr i s ti p t c soi sáng mãi cho n khi ngu n ả ứ ơ ả ế ặ ờ ẽ ế ụ đế ồ
hydrogen g n nh c n ki t và M t Tr i ti n hóa thành m t sao k nh , t ng kích ầ ư ạ ệ ặ ờ ế ộ ề đỏ ă
th c nh n chìm Trái t và các hành tinh nhóm trong.ướ ấ Đấ
Nh ng thí nghi m u tiên c a con ng i v i s nhi t h ch h t nhân a t i s phát ữ ệ đầ ủ ườ ớ ự ệ ạ ạ đư ớ ự
tri n bom khinh khí. Nghiên c u ang c ti n hành hi n nay có th mang l i nh ng ể ứ đ đượ ế ệ ể ạ ữ
ng d ng có ích h n cho vi c s d ng ph n ng nhi t h ch ki m soát c làm ngu nứ ụ ơ ệ ử ụ ả ứ ệ ạ ể đượ ồ
phát i n s ch, không t ti n. Nh ng tính toán v t c mà M t Tr i s d ng ngu n đệ ạ đắ ề ữ ề ố độ ặ ờ ử ụ ồ
hydrogen ban u c a nó cho th y chúng ta có th ch còn có kho ng 5 t n m n a đầ ủ ấ ể ỉ ả ỉ ă ữ để
th a h ng ngu n n ng l ng này và nghiên c u s nhi t h ch. Hi v ng r ng kho ng ừ ưở ồ ă ượ ứ ự ệ ạ ọ ằ ả
th i gian này là dài.ờ đủ