ФотодиссоциацияМы уже видели, что при поглощении радиации атомами и молекулами вещества в нем возникают разнообразные физические эффекты. Например, при нагревании тел под действием солнечного излучения колебательные и вращательные движения составляющих их молекул становятся более интенсивными. Эти эффекты обусловлены перераспределением внутри тела энергии фотонов падающего излучения. Говоря о фотоэлектричестве, мы интересовались непосредственными результатами поглощения электронами энергии фотонов в веществах с различной структурой энергетических зон. Теперь мы рассмотрим следующий этап воздействия радиации на вещество: разделение, или лизис, молекул и образование новых химических соединений. С точки зрения преобразования энергии процесс фотолиза интересен тем, что он позволяет «запасать» солнечную энергию посредством получения более устойчивых химических соединений. При необходимости эту энергию можно реализовать, например в виде тепла, выделяемого при сжигании таких веществ. Одной из разновидностей фотолиза является разложение воды на водород и кислород. Если бы такой процесс удалось осуществить с помощью солнечной энергии, то мы приобрести практически неограниченные запасы универсального и транспортабельного топлива из самого распространенного и дешевого сырья было бы так же просто, как купить сэндвич панели.Затраченную при этом солнечную энергию (по крайней мере часть ее) в дальнейшем мы могли бы получить либо при сжигании водорода и кислорода в печи или двигателе внутреннего сгорания, либо в топливном элементе, где в результате соединения водорода с кислородом с образованием воды вырабатывается электроэнергия. Отсюда видно, насколько важное значение в жизни людей могло бы иметь осуществление такого рода процессов. Они заслуживают того, чтобы исследовать возможность их реализации. Почему же процесс, описанный уравнением, не возникает естественным образом в природе? (В противном случае в воздухе содержалось бы много водорода и было бы мало воды.) Такой процесс мог бы произойти, если бы энергия отдельного фотона оказалась достаточной для разложения молекулы воды. Если же какая-то молекула уже получила порцию энергии от одного фотона, то поглощение ею второго фотона исключено. Даже при обычных температурах молекулы газа или пара каждую секунду испытывают около 109 столкновений, поэтому любой избыток энергии довольно быстро перераспределяется среди соседних молекул. Сейчас разложение воды на кислород и водород осуществляется в процессе электролиза. Как всем известно еще из школьных опытов, в результате этого процесса под действием электрического напряжения молекулы воды разлагаются на ионы противоположного знака. Совершаемую при этом работу легко измерить. Для диссоциации одной молекулы воды необходима энергия около 3 эВ. Если процесс диссоциации производится под действием солнечной радиации, то длина волны световых фотонов должна быть меньше 0,4 мкм. Однако в спектре солнечного излучения па уровне моря такие фотоны составляют лишь 3%, следовательно, к. п. д. процесса не превышает 2%. Несмотря на это, использование данного процесса могло быть практически целесообразно, если бы для его реализации не требовалось больших материальных затрат. Основная трудность заключается в том, что вода прозрачна для фотонов с длиной волны около 0,4 мкм (иначе говоря, поглощение таких фотонов молекулами воды слишком слабое), поэтому к. п. д. процесса оказывается еще меньше. При этих длинах волн вода только начинает проявлять сколько-нибудь заметную поглощательную способность. Энергия фотонов в этой области достаточна для диссоциации воды, однако в солнечном спектре па уровне моря такие фотоны отсутствуют. |
||
