Přírodovědecká fakulta

Transkript

1 M A S A R Y K O V A U N I V E R Z I T A Přírodovědecká fakulta Ústav fyzikální elektroniky Experimenty s infračerveným a ultrafialovým zářením Diplomová práce Brno 2009 Jiří Strumienský

2 Na tomto místě bych rád poděkoval panu docentovi Zdeňkovi Bochníčkovi za jeho odbornou pomoc, poskytnutí cenných rad a podnětů k mé práci.

3 Prohlašuji, že jsem celou diplomovou práci vypracoval samostatně. Veškerou literaturu a ostatní prameny, z nichž jsem při zpracování diplomové práce čerpal, řádně cituji a uvádím v seznamu použité literatury. V Brně dne 7. ledna podpis

4 Obsah 4 Obsah Úvod 6 1 Infračervené záření Stručná historie objevu infračerveného záření Pojem infračerveného záření Zdroje infračerveného záření Teplotní zdroje infračerveného záření Neteplotní zdroje infračerveného záření Detekce infračerveného záření Citlivý teploměr Teplocitlivé fólie Kamera a digitální fotoaparát Filtry Profesionální filtr Křemíková deska Černá polyethylenová fólie Filtry pro infračervenou fotografii Exponovaný vyvolaný barevný film Filtr z lihového fixu Experimenty s infračerveným zářením Existence infračerveného záření Funkce bezpečnostních kamer Žhavá tělesa jako zdroj infračerveného záření Stínový obraz v infračerveném záření Zobrazení v infračerveném oboru

5 Obsah Vlákno žárovky v infračerveném oboru Pohled na světelné zdroje v infračerveném oboru Ultrafialové záření Stručná historie objevu ultrafialového záření Pojem ultrafialového záření Zdroje ultrafialového záření Rtuťová výbojka Xenonová výbojka Deuteriová výbojka Ostatní zdroje Detekce ultrafialového záření Luminiscence Optika pro ultrafialové záření Křemenná optika Možné náhrady křemenné optiky Experimenty s ultrafialovým zářením Existence ultrafialového záření Luminiscence na různých materiálech Změna barvy světla odrazem Praktické použití ultrafialového záření Příloha 51 Závěr 59 Seznam použité literatury 60

6 Úvod 6 Úvod Ultrafialové (UV) a infračervené (IR) záření jsou v elektromagnetickém spektru nejbližšími sousedy viditelného světla. Oba dva druhy záření jsou však mimo rozsah lidského smyslového vnímání a to je zejména u mladších žáků a studentů pro pedagoga velkou nevýhodou. Jak ultrafialové, tak i infračervené záření je možné zviditelnit a tím dát žákům nepochybný a přesvědčivý důkaz jejich existence. Z ultrafialové do viditelné oblasti lze záření převést pomocí luminiscence, pro zviditelnění infračerveného záření výborně poslouží například běžná amatérská videokamera vybavená IR nočním viděním. V této diplomové práci jsou blíže popsány některé experimenty s infračerveným a ultrafialovým zářením, zdroje tohoto záření, problémy, které se mohou vyskytnout a možná řešení. Pozornost je věnovaná též použití náhradních materiálů místo obtížně dostupných profesionálních pomůcek, se kterými přesto lze mnohé experimenty úspěšně realizovat.

7 Kapitola 1. Infračervené záření 7 Kapitola 1 Infračervené záření 1.1 Stručná historie objevu infračerveného záření Ve vědě je časté, že k objevu nových zajímavých jevů dojde buď zcela, nebo aspoň částečně náhodou. Podobně tomu bylo i s objevem infračerveného záření. V roce 1800 zkoumal William Herschel tepelné účinky slunečního světla v jednotlivých částech spektra. K rozkladu použil skleněný hranol, do jednotlivých částí spektra vkládal teploměr a porovnával změnu teploty. Zjistil, že směrem od fialového konce k červenému teplota stoupala, zajímavé však bylo, že se růst nezastavil na hranici viditelného červeného konce spektra a maxima dosáhla dokonce v neviditelné oblasti. Prostřednictvím svých tepelných účinků tak bylo objeveno nové, dosud neznámé záření. Pro své tepelné účinky dostalo název tepelné záření, který se dnes už neužívá. Po objevu tohoto nového záření zkoumal Herschel jeho podstatu. Zjistil, ze pro něj platí obdobné zákony jako pro známé viditelné světlo, zejména zákon odrazu a lomu, jen se lišil index lomu oproti viditelnému světlu. Poměrně velké rozdíly objevil mezi propustností, odrazivostí a absorbcí různých materiálů vůči infračervenému a viditelnému záření. Logicky se objevily snahy nově objevené záření nějak zviditelnit. Protože byl znám jeho tepelný účinek, směřovaly snahy právě tudy. V roce 1840 navrhl John Frederick William Herschel, syn objevitele Williama Herschela, metodu, která se ukázala jako úspěšná. Spočívala v použití sazemi obarveného listu papíru navlhčeného v lihu. Když na takový papír promítl sluneční spektrum, líh se vypařoval nejvíce tam, kde se saze nejvíce ohřívaly. Různě vlhká místa na papíru byla již rozlišitelná přímo okem. Další možností, jak infračervené záření zviditelnit, bylo použití fotografických emulzí citlivých na příslušné vlnové délky. S postupujícím zdoko-

8 Kapitola 1. Infračervené záření 8 nalováním techniky a novými objevy se stávala detekce infračerveného záření stále jednodušší a dokonalejší, dnes již pro potřeby praxe tuto úlohu převzala elektronika a pomocí složitých zařízení je možné zviditelnit i záření ze vzdálené infračervené oblasti. 1.2 Pojem infračerveného záření Celé spektrum elektromagnetického záření můžeme podle vlnové délky rozdělit na několik oblastí. Jednou z nich je viditelné světlo, které zaujímá nepatrnou oblast vlnových délek zhruba 390 nm 760 nm. Jako infračervené záření se označuje to elektromagnetické záření, které má vlnovou délku větší, než je horní hranice viditelného světla, tedy přibližně od 760 nm do 0,3 mm. Pro ilustraci je na obrázku 1 naznačeno dělení elektromagnetického spektra podle vlnových délek. Obr. 1: Rozdělení elektromagnetického spektra podle vlnových délek Protože rozpětí vlnových délek infračerveného záření je značně velké, můžeme je ještě dále rozdělit. Jedno z běžných dělení uvádí následující tabulka:

9 Kapitola 1. Infračervené záření 9 infračervený obor rozsah vlnových délek blízký 0,76 µm 2,5 µm střední 2,5 µm 25 µm vzdálený 25 µm 300 µm Stejně jako ostatní druhy elektromagnetického záření se i infračervené šíří ve vakuu rychlostí c = ms 1. Rovněž pro něj platí ostatní zákonitosti platné pro elektromagnetické záření. Zákon odrazu a lomu platí pro infračervené záření stejně jako pro viditelné světlo, pouze indexy lomu prostředí je třeba uvažovat pro patřičnou vlnovou délku infračerveného záření. 1.3 Zdroje infračerveného záření Pro potřeby experimentů s infračerveným zářením musíme nejdříve nějak toto záření získat. V této práci se zaměříme na takové zdroje, které je možno jednoduše využít k experimentům a které jsou dobře dostupné. Už v historickém úvodu bylo zmíněno, že infračervené záření se vyskytuje ve slunečním spektru. To je ale pro experimentální využití poněkud problematické. Obecně ale jakékoliv zahřáté těleso obsahuje ve svém spektru infračervené záření. Jednou z možností tedy je použití takzvaných teplotních zdrojů infračerveného záření. Kromě těchto teplotních zdrojů jsou i zdroje neteplotní, kde záření nevzniká jako vyzařování žhavého tělesa. Nejvýznamnější neteplotní zdroje jsou LED diody a výbojky Teplotní zdroje infračerveného záření Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní nula, je teoreticky zdrojem infračerveného záření. Spektrální hustota vyzařování absolutně černého tělesa je určena Planckovým vyzařovacím zákonem: H = 2πhc2 λ 5 1 e hc kλt 1 V tomto zápise Planckova zákona mají jednotlivé symboly význam: (1) H spektrální hustota intenzity vyzařování h Planckova konstanta, h = 6, J s c rychlost světla ve vakuu, c = m s 1

10 Kapitola 1. Infračervené záření 10 λ vlnová délka k Boltzmanova konstanta, k = 1, J K 1 T termodynamická teplota Maximum spektrální hustoty intenzity vyzařování se s rostoucí teplotou posouvá ke kratším vlnovým délkám. To popisuje Wienův posunovací zákon, který se obvykle vyjadřuje ve tvaru: λ max = b T (2) Zde je význam označení následující: λ max vlnová délka s největší intenzitou b posunovací konstanta, b = 2, m K T termodynamická teplota Tyto dva zákony ilustruje obrázek 2, na kterém je znázorněna spektrální hustota vyzařování pro různé teploty. Obrázek je převzat z internetu ze stránek V důsledku posunování maxima je u vysokých teplot toto maximum ve viditelné oblasti. Obr. 2: Spektrální hustota vyzařování absolutně černého tělesa pro různé teploty Pokud se bude teplota tělesa pohybovat zhruba do 700 K, bude těleso vyzařovat pouze infračervené záření a nevzniká tak problém s viditelnou složkou. Takovým vhodným a dobře

11 Kapitola 1. Infračervené záření 11 použitelným zdrojem je například elektrický vařič, jehož plotýnka po rozžhavení intenzivně vyzařuje v infračervené části spektra. Dalším teplotním zdrojem je obyčejná, nebo lépe halogenová, žárovka. Pokud její vlákno podžhavíme tak, že je těsně před rozsvícením, máme dobrý zdroj infračerveného záření, které se dá detekovat. Když žárovku připojíme na její jmenovité napětí, stává se zdrojem spojitého spektra ve viditelném oboru a značná část energie odchází ve formě infračerveného záření. Pro pokusy je pak sice třeba viditelnou složku odfiltrovat, ale zase se dá ukázat souvislost mezi viditelným a infračerveným zářením.v závislosti na teplotě vlákna lze ze žárovky získat infračervené záření s maximem vyzářeného výkonu v oblasti vlnových délek zhruba 0,8 1 µm. Sklo, ze kterého je vyrobena baňka žárovky, samozřejmě část záření pohltí. U optického skla se udává, že pohlcuje infračervené záření přibližně od vlnové délky 2,5 µm, takže krátkovlnné záření emitované vláknem baňkou projde. Pro ilustraci uvádím tabulku převzatou z [1], ve které je vidět u několika druhů žárovek, jak se rozdělí jejich záření mezi různé vlnové délky. Zároveň je z tabulky vidět, jak nehospodárným zdrojem viditelného světla pro každodenní svícení žárovka je, protože většina jejího výkonu odchází ve formě nepoužitelného infračerveného záření. Teplota Celkový Výkon vyzářený Žárovka vlákna vyzářený do oblasti vln. délek T / K výkon v % (λ/µm) v % 0,38 0,76 0,76 1,4 > 1,4 obyčejná 100 W , obyčejná 500 W , obyčejná 1000 W , obyčejná 1500 W , promítací 90 W , Na obrázku 3 je spektrum halogenové žárovky. Jedná se však o nekalibrovanou křivku, která nezohledňuje různou citlivost detektoru pro různé vlnové délky. Protože ale hlavním výstupem měření spekter v této práci je stanovení křivek spektrální propustnosti pro různé materiály, není rozdílná citlivost snímače k různým vlnovým délkám příliš na závadu. Propustnost se totiž určuje podílem prošlé intenzity s filtrem a referenční intenzity bez filtru pro každou

12 Kapitola 1. Infračervené záření 12 vlnovou délku samostatně, takže je vliv nestejné citlivosti snímače velmi omezen. Rovněž oko, které je detektorem viditelného záření, není stejně citlivé ve všech částech spektra. Že je jeho citlivost největší pro vlnové délky 500 nm 600 nm je známým faktem. To je také důvodem, proč se nám jeví světlo žárovky jako žluté, i když vlnové délky odpovídající červenému světlu jsou v něm obsaženy s větší intenzitou. Obr. 3: Nekalibrované spektrum halogenové žárovky Ještě se zmíníme o jednom teplotním zdroji infračerveného záření, na kterém jsme životně závislí o Slunci. Teplota slunečního povrchu se odhaduje na 6000 K. Maximum intenzity jeho vyzařování připadá na žlutozelenou část viditelného spektra, tedy někam k vlnovým délkám 500 nm 600 nm. Velkou část Sluncem vyzářené energie však představuje infračervené záření. V experimentech popsaných v této práci je použítí Slunce jako zdroje IR záření omezeno na fotografování v infračerveném oboru Neteplotní zdroje infračerveného záření Dobře dostupným a pro experimenty použitelným zdrojem infračerveného záření, který není založen na teplotním principu, jsou svítivé diody (LED). Ty běžně prodávané sice nejsou

13 Kapitola 1. Infračervené záření 13 příliš intenzivní, ale pro mnohé experimenty to vůbec není překážkou. A pokud by bylo potřeba získat zdroj silnější, dá se koupit infračervený reflektor o větším výkonu. Navíc se vyrábějí LED s maximem vyzářené intenzity na různých vlnových délkách, což je někdy výhodně využitelné. Infračervené LED, stejně jako ty, které vyzařují ve viditelném oboru, nejsou zcela monochromatickým zdrojem záření. I když výrobce uvádí jejich vlnovou délku, je to vlnová délka maxima. Spektra různobarevných LED včetně infračervených jsou v příloze. Z naměřených spekter je také vidět, že často údaj výrobce neodpovídá naměřené křivce a maximum je oproti udané hodnotě posunuté. Infračervené záření je možné získat i z některých výbojek, ale tuto možnost v popsaných experimentech nevyužívám, nepovažuji tedy za nutné ji dále podrobněji rozebírat. Zájemci najdou případné bližší informace a údaje v literatuře, například [2]. 1.4 Detekce infračerveného záření Dalším problémem, který je třeba při experimentech s infračerveným zářením vyřešit, je detekce tohoto záření. Okem ho vidět nemůžeme, takže bude třeba najít jiné metody. Situace je navíc komplikovaná v tom, že foton infračerveného záření má menší energii než foton viditelného světla, takže z principu nemůže existovat jednoduchá metoda, jak převést přímo toto záření na viditelné světlo. Protože infračervené záření přenáší energii, je schopné ohřát povrch, na který dopadne. Proto jednou z možností je využít k jeho detekci změnu teploty potřebujeme vlastně citlivý teploměr. Tou nejprimitivnější metodou, ke které nejsou třeba žádné pomůcky, je použití vlastní ruky. Protože naše kůže je citlivá na ohřev, můžeme ji použít jako nejjednodušší detektor. Samozřejmě to naráží na nedokonalosti takového řešení jsme schopni zaregistrovat jen velkou intenzitu, máme velice malou rozlišovací schopnost, celá detekce je značně subjektivní a nedá se nijak kvantifikovat a při pokusu se nedá předvést nikomu dalšímu. Přesto pro jednoduchost a možnost například žáky přesvědčit, že infračervené záření lze ucítit, má při experimentech s tímto zářením své místo. Přesnější možnosti detekce jsou zmíněny dále. V této práci se omezím na popis těch metod, které využiji při popsaných experimentech.

14 Kapitola 1. Infračervené záření Citlivý teploměr Někdy stačí k detekci infračerveného záření klasický kapalinový teploměr, pokud je dostatečně citlivý, aby zaregistroval i malou změnu teploty. Nevýhodou takové detekce zůstává nízké až žádné rozlišení, můžeme změřit změnu teploty v jediném místě, tam, kde je teploměr umístěn. Někdy se však právě tato vlastnost dá s úspěchem využít, zvláště pokud použijeme nějakou optickou soustavu, která má ohnisko a do tohoto ohniska umístíme teploměr. V praxi navíc nejsme nutně vázáni na použití kapalinového teploměru, s úspěchem se dá použít třeba termočlánek Teplocitlivé fólie Veliký potenciál pro experimenty mají teplocitlivé fólie z tekutých krystalů. Z běžného života je známe například z lékařských či akvarijních teploměrů. Jde o černou fólii, která v rozsahu několika stupňů Celsia změní při zahřívání barvu přes červenou, oranžovou, zelenou a modrou zpátky k černé. Je-li tedy fólie chladnější než je její pracovní rozsah, je černá, v pracovním rozsahu je barevná v závislosti na teplotě v daném místě fólie, a pokud je její teplota vyšší, než pracovní rozsah teplot, opět zčerná. Fólie, které byly v průběhu psaní této práce k dispozici, pocházejí od firmy Omega a vyrábějí se v šesti teplotních rozsazích (nejchladnější C, nejteplejší C), takže se dá vybrat vyhovující fólie pro většinu podmínek, ve kterých experimenty provádíme. Je ale možné sehnat i fólie dalších výrobců, s jinými teplotními rozsahy. Použití teplocitlivé fólie k detekci infračerveného záření má několik výrazných výhod poměrně vysokou rychlost reakce, dostatečnou citlivost a rozlišení. Fólie se vyrábějí v rozměrech 12 krát 12 palců, nebo 12 krát 6 palců a je možné je objednat prostřednictním firmy Omega, jejíž nabídku lze najít na stránkách nebo jejich českou verzi na adrese Podle potřeby je možné fólie stříhat nebo řezat, případně využít jejich samolepicí vrstvu na rubové straně. Značnou nevýhodou těchto teplocitlivých fólií je však jejich cena. Ta podle ceníku na webových stránkách firmy Omega činí 600 Kč za jednu fólii rozměru 12 krát 12 palců, nebo 2000 Kč za sadu šesti fólií 12 krát 6 palců. K tomu je ještě třeba připočítat cenu za dopravu a DPH.

15 Kapitola 1. Infračervené záření Kamera a digitální fotoaparát Kamera a digitální fotoaparát je dnes již tak běžné zařízení, že nic nebrání jeho použití pro experimenty. Zvláště když mají pro detekci infračerveného záření tak výhodné vlastnosti, jak bude dále zmíněno. Základem kamery a digitálního fotoaparátu je CCD čip integrovaný obvod vytvořený na monokrystalickém křemíku. K pochopení jeho vlastností je klíčový graf absorbce záření v křemíku, viz obrázek 4 (převzato z [3]). Barevným pruhem je přibližně vyznačena viditelná oblast vlnových délek. Obr. 4: Koeficient absorpce v křemíku Je vidět, že koeficient absorpce v křemíku se mění v obrovském rozsahu přibližně mezi hodnotami 10 2 mm mm 1. Aby jakékoliv zařízení mohlo vidět, musí se v něm záření absorbovat. Tak jako v oku způsobí absorbce fotonu rozpad chemických látek na sítnici a mozek tuto informaci zpracuje jako zrakový vjem, tak CCD čip převádí absorbované fotony na elektrické impulzy, ze kterých se skládá výsledný obraz. A jak je z grafu vidět, je křemíkový čip citlivý i v infračervené oblasti, kterou už pouhým okem nemůžeme vidět. Kamera tedy vidí jinak, než naše oko. Když se nad tím zamyslíme, není však žádný důvod, aby kousek křemíku měl stejné vlastnosti jako oko, spíše by šlo o velikou náhodu. Aby se jeho vlastnosti

16 Kapitola 1. Infračervené záření 16 přiblížily oku, zvláště v podání barev, které by se jinak hodně zkreslily citlivostí v infračerveném oboru, je před čipem předsunutý filtr, který infračervené záření odfiltruje. Vlastnosti takové soustavy filtr a CCD čip se už oku celkem přibližují. Pro některé experimenty je ale výhodné, pokud to kamera umožňuje, filtr odsunout a vystavit tak čip přímo dopadajícímu záření. Jeho citlivost v infračerveném oboru se tak mnohonásobně zvýší. Pokud to nejde, dá se kamera či fotoaparát přesto použít, protože filtr neabsorbuje zcela a část infračerveného záření projde a je možné jej detekovat. Filtr se dá odsunout u některých kamer v nočním režimu. Je ale třeba upozornit, že jde o režim NightShot, který umožňuje černobíle snímat zcela ve tmě. K tomu si kamera svítí infračervenými LED, jejichž světlo okem nevidíme. Tyto diody se často zapínají automaticky se zapnutím nočního režimu a pro experimenty je třeba je přelepit páskou neprůhlednou v IR oboru, protože svit diod by rušil obraz při experimentech. Moderní kamery s barevným nočním viděním (Digital NightScope) nepoužívají odklopení filtru, jen zvýší citlivost ve viditelné oblasti a proto nejsou tak vhodné. Výhoda použití kamery jako detektoru infračerveného záření je zřejmá: je možné obraz promítat například přes dataprojektor širokému publiku. A navíc každý si může některé experimenty vyzkoušet i sám, stačí fotoaparát v mobilním telefonu. Celkově se dá říct, že čím levnější a obyčejnější zařízení, tím vhodnější pro experimenty. U drahých kamer jsou totiž kvalitnější filtry, které brání dopadu infračervené složky na povrch CCD čipu. Velmi vhodné jsou též černobílé kamery, používané například k bezpečnostním účelům pro ostrahu objektů. Ty kromě nižší ceny mají pro naše experimenty výhodu v tom, že jim chybí filtr a na povrch čipu tak dopadá veškeré záření. U černobílé kamery totiž není třeba řešit problém s věrným podáním barev a naopak se využívá zvýšená citlivost kamery na infračervené záření. 1.5 Filtry Pokud používáme takový zdroj, který emituje nejen požadované infračervené záření, ale i záření viditelné, musíme mít nějaký filtr, který nežádoucí viditelnou oblast pohltí a infračervenou propustí. Jak takový filtr získat je popsáno dále, přičemž jedním z cílů práce bylo nalezení možností, kde získat takový filtr bez vysokých finančních nákladů.

17 Kapitola 1. Infračervené záření Profesionální filtr Jednou z možností, jak si pořídit filtr s potřebnými vlastnostmi je sáhnout po profesionálním filtru. Bohatý výběr filtrů i dalšího, nejen optického, materiálu a příslušenství nabízí například firma Edmund Optics. Na firemních stránkách je možné najít filtr s vhodnou propustností. Nevýhodou takového řešení je poměrně vysoká cena, ještě zvýšená nemalými náklady na dopravu. A hlavně pro naše experimenty v podstatě vůbec nevyužijeme přednosti takového profesionálního filtru optickou kvalitu a zaručenou křivku propustnosti. Naměřená křivka spektrální propustnosti jednoho filtru z nabídky firmy Edmund Optics, který by byl použitelný pro naše experimenty, je na obrázku 5. Obr. 5: Spektrální propustnost profesionálního filtru Edmund Optics Křemíková deska Jak je vidět z grafu koeficientu absorbce v křemíku na obrázku 4, dá se i křemíková deska použít jako účinný filtr. Ve viditelné oblasti je hodnota koeficientu absorbce tak vysoká, že pro modré světlo již na několika meziatomových vzdálenostech klesne intenzita na polovinu,

18 Kapitola 1. Infračervené záření 18 pro infračervené záření jsou to desítky až stovky milimetrů. Absorpce (nejen) v křemíkové desce se dá popsat vztahem I = I 0 e µx, který udává jaká intenzita I záření bude v hloubce x, pokud dopadá na desku (a neodráží se) záření o intenzitě I 0 a koeficient absorpce je µ. Pro polotloušťku d, na které se pohltí právě polovina dopadající intenzity, dostaneme dosazením I = I 0 2 vztah d = ln 2 µ. Dalo by se tedy říci, že ve viditelné oblasti je křemík dokonale neprůhledný, zatímco v infračervené oblasti je v podstatě průhledný. Navíc je možné z něj vyrobit desku dostatečně velikou a hladkou, takže ji můžeme použít skutečně jako filtr s téměř ideálními vlastnostmi. Bohužel má velkou a zásadní nevýhodu obtížnou dostupnost. Křemíková deska, která byla použita při experimentech v této práci, pochází z firmy On Semiconductor v Rožnově pod Radhoštěm, která se zabývá výrobou monokrystalického křemíku a desek pro polovodičové součástky. Oproti běžným deskám je navíc oboustranně leštěná, jinak by neleštěný povrch fungoval jako matnice a zobrazení by zdaleka nebylo tak kvalitní. Získat však takovouto desku například na střední školu je velmi problematické a to její praktickou použitelnost pro pokusy dost snižuje. Proto bylo značné úsilí věnováno nalezení materiálů, které mohou při experimentech nahradit nedostupnou křemíkovou desku a přitom budou mít podobné vlastnosti. Křemíková deska však stále zůstane jako nedostižný ideál, kterému se náhradními řešeními budeme snažit přiblížit Černá polyethylenová fólie Černě probarvený polyethylen, ze kterého se vyrábějí například pytle na odpadky nebo nejrůznější zahrádkářské fólie, se ukázal jako materiál, který je ve viditelné oblasti málo propustný a dostatečně propustný v oblasti infračervené. Byly proměřeny dva vzorky různých černých polyethylenových fólií (zahrádkářská fólie a černý pytel na odpadky) a jejich křivky propustnosti jsou zobrazeny v grafech na obrázcích 6 a 7. Výhody řešení filtru pomocí takové fólie jsou dány především velice dobrou dostupností a nízkou cenou, bohužel polyethylenový filtr má i značné nevýhody. K těm nejvážnějším patří nehomogenita fólie a její matný povrch, který rozptyluje záření a kvalita zobrazení přes takový filtr se sníží. Rovněž pohlcení viditelného světla není dokonalé a propustnost v infračerveném oboru nedosahuje kvality jiných možných filtrů. A v neposlední řadě je nevýhodou nízká tepelná odolnost, takže když se fólie přiblíží například k žárovce, lehce se přehřeje, protaví a je dále nepoužitelná. Celková bilance výhod a nevýhod nevyznívá pro polyethylenovou fólii příliš dobře. Je sice pro některé experimenty

19 Kapitola 1. Infračervené záření 19 Obr. 6: Spektrální propustnost černé polyethylenové fólie zahrádkářská fólie Obr. 7: Spektrální propustnost černé polyethylenové fólie pytel na odpadky

20 Kapitola 1. Infračervené záření 20 použitelná, podařilo se ale najít materiály s výhodnějšími vlastnostmi, které při pokusech zřejmě najdou větší uplatnění Filtry pro infračervenou fotografii Někteří fotografové se zabývají infračervenou fotografií tedy fotografií pořízenou v infračerveném oboru. Metoda je zřejmá, před objektiv se předsadí filtr, který propouští jen infračervenou oblast a takto vytvořený snímek se zobrazí na film nebo CCD čip (který je na toto záření citlivý, jak bylo uvedeno dříve). Vznikne tak fotografie v nepravých barvách, nebo černobílá, záleží na konkrétním fotoparátu a jeho nastavení. Příklad takovéto infračervené fotografie je na obrázku 8. Obr. 8: Příklad fotografie v infračerveném oboru Při podrobnějším prozkoumání najdeme celou řadu rozdílů oproti obyčejné černobílé fotografii například temná barva oblohy a minimální kontrast mezi trávou a polní cestou. Tato fotografie je se souhlasem autora převzatá z internetu ze stránek jejím auto-

21 Kapitola 1. Infračervené záření 21 rem je Ivan Anderle. Na uvedené stránce se nachází galerie mnoha zajímavých infračervených fotografií. Vážnější zájemci o infračervenou fotografii naleznou na internetu veliké množství informací, doporučuji například článek kde je podrobněji popsáno, s jakým nastavením fotoaparátu se dosahuje nejlepších výsledků a jak překonat různé technické obtíže při fotografování v infračerveném oboru. Někteří výrobci fotografických filtrů (například B+W, Cokin a další) mají v nabídce i zmíněné filtry pro infračervenou fotografii. Praktické získání filtru je sice poněkud problematické, protože je třeba jej objednat, běžně se v obchodech vyskytují jen minimálně. Konkrétní výrobci a parametry filtrů se dají snadno získat na internetu, například na stránce je možné si prohlédnout aktuální nabídku a případně filtr přímo objednat. Z důvodu množství vyráběných variant, vlastností a obměny sortimentu nepovažuji za nutné do práce uvádět podrobný přehled dostupných filtrů. Zvlášť, když některé z nich jsou propustné jak v infračervené, tak i v ultrafialové oblasti. Cena takových filtrů se ale pohybuje od tisíce korun nahoru. Pro běžné experimenty na střední škole to může znamenat přece jen příliš vysokou investici a nutnost poohlédnout se po levnějším řešení Exponovaný vyvolaný barevný film Dalším z použitelných materiálů je exponovaný a vyvolaný barevný negativní film. V jedné vrstvě je ještě částečně průhledný pro viditelné světlo, ale když se použije více vrstev na sobě, dostaneme docela kvalitní a použitelný filtr. Jeho nevýhodou je rozměr, běžné políčko kinofilmu má pro naše účely přece jen příliš malou plochu. Situace se dá zlepšit použitím svitkového filmu s rozměrem 6 krát 6 centimetrů. Ten osvítíme, stačí jej na běžném světle vytáhnout z kazety, necháme vyvolat běžným procesem a máme filtr dostatečného rozměru. Bohužel i zde je ale problém s nedostatečnou tepelnou odolností a při větším zahřátí se film protaví. Křivka spektrální propustnosti takového filtru z negativního filmu je zanesena do grafu na obrázku 9, v grafu na obrázku 10 je spektrální propustnost dvou vrstev takového filmu.

22 Kapitola 1. Infračervené záření 22 Obr. 9: Spektrální propustnost exponovaného vyvolaného barevného filmu Obr. 10: Spektrální propustnost dvou vrstev exponovaného vyvolaného barevného filmu

23 Kapitola 1. Infračervené záření Filtr z lihového fixu Existuje velice efektivní a jednoduché řešení, jak získat poměrně kvalitní filtr pro experimenty. Tímto řešením je použití barviva z černého lihového fixu Centropen. Stačí sehnat skleněnou destičku, což nepředstavuje žádný problém a koupit obyčejný černý lihový fix značky Centropen. Barvivo, které tato firma používá jako náplň pro své lihové permanentní fixy, je ve viditelné oblasti téměř neprůhledné, zatímco v infračerveném oboru absorbuje velmi málo. Křivka spektrální propustnosti takového filtru je na obrázku 11. Takovýto filtr má velmi výhodné vlastnosti téměř ideální spektrální propustnost, která je patrná z grafu. Ve viditelném oboru je filtr černý a v podstatě neprůhledný, pouze při pohledu do intenzivního zdroje světla lehce červeně prosvítá, což se dá vyřešit použitím více vrstev (z grafu je patrné, že propustnost roste už na červeném konci viditelného oboru). Dalšími výhodami filtru jsou odolnost proti teplu, možnost vyrobit jej v podstatě v libovolném rozměru a především jeho nízká cena a dobrá dostupnost. Z těchto důvodů předpokládám, že filtr z lihového fixu najde široké uplatnění a proto přikládám návod, jak jej s úspěchem vyrobit. Obr. 11: Spektrální propustnost filtru z lihového fixu

24 Kapitola 1. Infračervené záření 24 Návod na výrobu filtru: Zakoupíme černý lihový fix od výrobce Centropen. V této práci jsem používal fix s označením Centropen 8566, stejný fix s jiným typem hrotu se prodává pod označením Centropen Byly otestovány i dva fixy jiných výrobců (BIC marker a Staedtler), ale s nimi nebylo dosaženo uspokojivých výsledků. V této oblasti nebyl již dále prováděn rozsáhlejší výzkum, je proto možné, že existuje i další použitelný fix od jiného výrobce. Je třeba dát pozor, aby šlo o nestíratelné permanentní barvivo, stíratelné fixy na bílé tabule jsou pro náš účel nepoužitelné. Nepřilnou totiž k podkladu, nezaschnou a ve větší vrstvě vytvoří barvivo na skle ostrůvky a nedá se dosáhnout homogenní vrstvy. Dále je třeba nanést inkoust na sklo. Pokud jej jen začerníme pomocí hrotu, nezískáme dostatečně silnou vrstvu barviva a navíc se nikdy nepodaří nanést barvivo homogenně. Je tedy třeba fix rozebrat. To se dá provést nejlépe jeho rozřezáním pomocí pilky na železo. Uvnitř fixu je plastová trubička vyplněná houbovitou hmotou, v níž je nasáklé samotné barvivo, které musíme z trubičky vymačkat na sklo. Protože se přitom zašpiníme a barva jde špatně umýt, je vhodné použít jednorázové rukavice. Zmáčknutím trubičky se pak dá barvivo bez problému vymačkat. Na skleněnou destičku vymáčkneme zhruba 4 kapky a nakláněním destičky barvu rozlijeme. Případně se dá směr jejího rozlití usměrnit za pomoci hrotu fixy. Takovýmto postupem dostaneme rovnoměrnou, dostatečně silnou vrstvu barviva. Po zaschnutí, které případně můžeme urychlit mírným zahřátím skla, zopakujeme postup na druhé straně destičky. Tím získáme filtr se dvěma aktivními vrstvami, který je již dostatečně účinný pro experimentování. Na obrázku 12 jsou pro lepší srovnání v jednom grafu zaneseny křivky propustností čtyř filtrů, které se dají použít pro experimenty s infračerveným zářením. 1.6 Experimenty s infračerveným zářením Výčet experimentů, který bude následovat, v žádném případě není vyčerpávající. Jistě je možné vymyslet a uskutečnit další zajímavé pokusy, ve kterých hraje roli infračervené záření. V této práci jsem se snažil vybrat ty, které jsou jednoduše proveditelné, v něčem zajímavé, pro studenty přínosné a je možné uvažovat s jejich zařazením do výuky na střední škole.

25 Kapitola 1. Infračervené záření 25 Obr. 12: Srovnání propustností některých filtrů Existence infračerveného záření Než začneme studentům nebo komukoliv jinému ukazovat pokusy s infračerveným zářením, je dobré nejdříve je přesvědčit, že takové záření vůbec existuje. Zároveň tento experiment ukáže, že v oblasti za červeným koncem viditelného spektra se nachází něco, co okem už nevidíme a přesto to má podobné vlastnosti jako světlo a dá se zviditelnit. K provedení je třeba zatemněná místnost. Potřebné pomůcky: žárovka (nejlépe halogenová), štěrbina, spojná čočka, skleněný hranol, stínítko, videokamera, případně černobílá kamera Provedení: Sestavíme aparaturu (hranolový spektroskop) jako při běžném rozkladu světla hranolem, jedna z nejběžnějších možností je na obrázku 13. Obrázek je převzat z [4]. Poté, co na stínítku získáme obraz spektra žárovky (žárovka je zdrojem viditelného i infračerveného záření), umístíme na stínítko bílý papír a černým fixem vyznačíme červený okraj spektra, který je vidět přímo okem. Poté na stínítko namíříme kameru přepnutou na noční režim nebo černobílou kameru. Na obrazu z kamery je vidět, že spektrum dosahuje i do oblasti za vyznačenou čáru, kterou okem už vidíme jako neosvětlenou. Když do této oblasti za

26 Kapitola 1. Infračervené záření 26 Obr. 13: Hranolový spektroskop vyznačenou čarou zkusíme vložit nějaký předmět, kamera ho vnímá jako osvětlený, i když se zdá být ve tmě jako zbytek místnosti. Vysvětlení: Hranol rozloží díky své disperzi dopadající záření podle vlnových délek. Část vnímáme jako viditelnou oblast, za jejími hranicemi už naše oko nic nevidí, protože není na tyto vlnové délky citlivé. Že nic nevidíme ale zdaleka neznamená, že v těchto oblastech žádné záření není. Protože kamera díky svému křemíkovému čipu (viz kapitola pojednávající o kameře jako detektoru infračerveného záření) detekuje kromě viditelného i infračervené záření, zobrazí jako osvětlenou i tu část stínítka, na kterou dopadá pouze toto pro oko neviditelné záření. Tím jsme se přesvědčili jednak o tom, že za červeným koncem viditelného spektra je infračervené záření a také o tom, že kamerou jsme schopni je detekovat. Na závěr můžeme ještě do kamery namířit dálkový ovladač, který obsahuje infračervenou LED a stisknout nějaké tlačítko. Na záběru z kamery uvidíme diodu blikat, ačkoliv okem žádné blikání nepozorujeme. Můžeme vyzkoušet například ještě IR LED ze zdroje v příloze, kterou kamera uvidí narozdíl od našich očí svítit Funkce bezpečnostních kamer Po fyzikální stránce sice tento experiment nepřináši nic nového oproti předchozímu, ale jasně ukazuje studentům, jak se v praxi dá využít infračervené záření například k bezpečnostním účelům. Rovněž pro tento pokus je třeba zatemněné místnosti. Potřebné pomůcky: silný zdroj infračerveného záření IR reflektor sestavený z LED diod, případně přímo prodávaný, kamera s nočním viděním nebo černobílá kamera Provedení: Zapneme kameru v zatemněné místnosti. Ve tmě kamera nic nedetekuje, takže

27 Kapitola 1. Infračervené záření 27 z ní dostáváme jen černý obraz. Pokud ale posvítíme na objekty v záběru IR reflektorem, kamera je zobrazí stejně, jako by byly osvíceny běžným světlem. Samozřejmě je tento obraz černobílý, ale jinak kvalitou srovnatelný s černobílým záběrem za denního světla. My ale přímo očima vidíme pořád stejnou tmu. Vysvětlení: Podstata je zřejmá z vysvětlení předchozího experimentu. Zde je ale vidět praktické použití a studenti si uvědomí jak fungují bezpečnostní kamery v objektech. V místnosti je nainstalovaná kamera a IR reflektor. Když se do takového objektu dostane například zloděj, zdá se mu, že je tam tma, přitom je on i celá místnost nasvícen infračerveným zářením a monitorován Žhavá tělesa jako zdroj infračerveného záření Když máme z předchozích pokusů zatemněnou místnost a nachystanou kameru, můžeme se přesvědčit, že také rozžhavená tělesa jsou zdroji infračerveného záření. Potřebné pomůcky: kamera, žárovka připojená k regulovatelnému zdroji napětí, plotýnkový vařič Provedení: Kamerou sledujeme žárovku a zároveň okem pozorujeme její vlákno. Snižujeme napájecí napětí. Vidíme, že jas vlákna klesá. Až se okem zdá vlákno zcela zhaslé, kamera ho přesto vidí jako svítící. Vařič upevníme do svislé polohy a zapneme na maximální výkon. Přitom sledujeme kamerou obraz vařiče a jeho plotýnky. Po krátké době začne kamera detekovat, že plotýnka začíná svítit. Její svit je čím dál intenzivnější a až její teplota dosáhne zhruba 700 K, uvidíme v zatemněné místnosti i okem, že plotýnka temně červeně svítí. Vysvětlení: V souladu s Planckovým vyzařovacím zákonem jsou zahřátá tělesa zdrojem elektromagnetického záření, jehož vlnová délka závisí na teplotě a s rostoucí teplotou se posouvá ke kratším vlnovým délkám. Proto při zahřívání vařiče nebo vlákna žárovky procházejícím proudem nejdříve začne kamera detekovat infračervené záření o větší vlnové délce, než má viditelné světlo. Pokud se teplota zvyšuje dále, začne se jevit jako červené. Upozornění: Při práci se žhavým vařičem je třeba dávat pozor na možné popálení. Dále je třeba při všech pokusech s kamerou dbát na to, aby při přepnutí do nočního režimu, kdy je povrch CCD čipu obnažený a nechráněný filtrem, nebyla kamera vystavena intenzivnímu světlu. To by mohlo vést k nevratnému a trvalému poškození (tzv. vypálení ) CCD čipu.

28 Kapitola 1. Infračervené záření Stínový obraz v infračerveném záření K předchozím experimentům byla třeba zatemněná místnost, protože jsme jako detektor používali kameru a okolní světlo by jinak experimenty rušilo. Nyní vyzkoušíme několik experimentů, ke kterým není třeba kamery ani zatemněné místnosti. Jako detektor použijeme totiž teplocitlivou fólii. Potřebné pomůcky: plotýnkový vařič, teplocitlivá fólie Provedení: Vařič opět upneme do svislé polohy a zapneme na maximální výkon. Do vzdálenosti zhruba metr od plotýnky vařiče umístíme teplocitlivou fólii, před kterou dáme nějaký předmět, například vlastní ruku. Fólie změní barvu, ale v místech schovaných za předmětem se její barva nezmění. Vysvětlení: Vařič je intenzivním zdrojem infračerveného záření. To dopadne na teplocitlivou fólii, ohřeje ji a fólie změní barvu. Pokud je však před fólií překážka, pohltí se záření v ní a nemůže dopadnout až na fólii. Za překážkou tak vzniká stín, stejně jako vzniká stín za předměty ve viditelném oboru. Tento experiment ukazuje podobnost mezi šířením infračerveného a viditelného záření Zobrazení v infračerveném oboru Abychom přesvědčili studenty, že infračervené záření se chová podobně jako viditelné, zkusme v infračerveném oboru zobrazit nějaký předmět. Potřebné pomůcky: vařič, spojka s větším průměrem, teplocitlivá fólie Provedení: Vařič jako zdroj infračerveného záření zobrazíme pomocí spojky přímo na teplocitlivou fólii. Experiment sestavíme tak, jak je obvyklé v optickém oboru, viz obrázek 14. Obrázek je převzat z [5]. Aby byl výsledný efekt dostatečně přesvědčivý, je nutné splnit několik zásad a překonat několik úskalí: Je třeba použít spojku s co největším průměrem a krátkou ohniskovou vzdáleností. Při provádění experimentu byla použita spojka s průměrem d = 15 cm a ohniskovou vzdáleností f = 25 cm. Takováto čočka má samozřejmě značnou kulovou vadu, ale samotná fólie má nenulovou tepelnou vodivost a obraz na ní se stejně rozmazává, takže pro naše účely není kulová vada podstatná.

29 Kapitola 1. Infračervené záření 29 Obr. 14: Zobrazení vařiče na teplocitlivou fólii Lépe je experiment uspořádat tak, aby obrazová vzdálenost byla menší než předmětová. Obraz pak bude zmenšený a tedy intenzita dopadajícího infračerveného záření bude vyšší a tak bude obraz lépe vidět. Záření z vařiče, které prochází kolem čočky a nepodílí se na zobrazení, bude zahřívat fólii a obraz tak znehodnocovat. Je nutné jej proto odstínit. To je nejlépe provést tak, že kolem čočky umístíme štít z kartonu nebo pěnového polystyrenu. Aby byl experiment přesvědčivý, je třeba, aby měl obraz nějakou vnitřní strukturu. Pokud zobrazíme jen kruhovou plotýnku vařiče, nebude možné například zjistit, zda je obraz převrácený. Proto před vařič vložíme plech, kterým zastíníme čtvrtinu jeho plotýnky. Na obrázku je tento plech zobrazen jako stínící destička. Pak se tento stín zobrazí i na teplocitlivou fólii a bude zřejmé, že obraz je převrácený, jak bychom očekávali ve viditelném oboru. Zde je také vhodné připomenout studentům rozdíl mezi zobrazením a prostou stínovou projekcí z předchozího experimentu. Je třeba najít místo, kam umístit stínítko, abychom dostali očekávaný obraz. Poloha vařiče, čočky a stínítka musí totiž vyhovovat zobrazovací rovnici. I když sklo má poněkud odlišný index lomu pro viditelné a infračervené záření, není tento rozdíl tak veliký, abychom nemohli pro nastavení stínítka použít zobrazení ve viditelném oboru. Jednoduše místo vařiče dáme zdroj světla, na stínítku získáme ostrý obraz a poté vyměníme zdroj světla za vařič.

30 Kapitola 1. Infračervené záření 30 Vysvětlení: Jak už bylo uvedeno výše, chová se infračervené záření při zobrazení podobně jako nám známější viditelné. Tento experiment ukazuje, že spojkou dostáváme převrácený obraz a že zobrazovací rovnice pro IR záření je stejná jako pro viditelné světlo. To bylo vidět při hledání polohy stínítka pomocí zdroje viditelného světla Vlákno žárovky v infračerveném oboru Obdobný pokus jako jsme prováděli s rozžhaveným vařičem můžeme zopakovat se žárovkou. Toto uspořádání má řadu výhod především odpadá nebezpečná manipulace s horkým vařičem a získaný obraz je kontrastnější. Potřebné pomůcky: čirá žárovka (postačí 150 W), patice na její uchycení, spojka, stínítko, filtr, který pohlcuje viditelné světlo a propouští infračervené záření, teplocitlivé fólie Provedení: Sestavíme obvyklou optickou soustavu a zobrazíme pomocí spojky vlákno žárovky na stínítko. Experiment byl proveden se spojkou o ohniskové vzdálenosti f = 10 cm a průměru 5 cm. Nejlepších výsledků se dosahuje při použití oboustranně leštěné křemíkové desky, experiment ale bude úspěšný i s filtrem z lihové fixy nebo jiným filtrem, o kterých byla řeč v předchozích odstavcích. Když nyní vložíme do optické dráhy filtr, obraz vlákna na stínítku zmizí. Po přiložení teplocitlivé fólie se na ní po krátkém čase vykreslí obraz vlákna žárovky. Vysvětlení: Podstata je stejná jako u předchozího experimentu. Vlákno žárovky je intenzivním zdrojem infračerveného záření, které se dá pomocí teplocitlivé fólie zviditelnit. Opět je vidět souvislost mezi viditelným a infračerveným zářením, protože obraz vlákna vznikne na fólii přesně tam, kde se nacházel obraz vlákna na stínítku ve viditelném oboru. Při provádění experimentu je třeba vyzkoušet, v jaké vzdálenosti má být stínítko, aby obraz vlákna žárovky byl dostatečně zřetelný. Při použití křemíkové desky a filtru z lihové fixy fólie bezpečně reaguje i při vzdálenosti kolem 50 cm, když byla použita černá polyethylenová fólie, která záření více pohlcuje, bylo třeba obrazovou vzdálenost zmenšit Pohled na světelné zdroje v infračerveném oboru Kamera s nočním viděním, případně černobílá kamera je citlivá na infračervené záření a je schopná vytvořit obraz v infračerveném oboru. Běžně však do ní dopadá kromě infračerveného také viditelné záření, takže není možné pozorovat samostatně obraz vytvořený infračerveným

31 Kapitola 1. Infračervené záření 31 zářením. Pokud ale před objektiv kamery umístíme filtr, viditelná část spektra se v něm absorbuje a můžeme tak pozorovat okolí a různé světelné zdroje pouze v infračervené oblasti bez přítomnosti viditelné složky světla. V popsaném provedení je velkou výhodou, že není nutné mít zatemněnou místnost. Potřebné pomůcky: kamera s nočním viděním nebo černobílá kamera, případně běžný digitální fotoaparát, oboustranně leštěná křemíková deska nebo jiný filtr, který pohlcuje viditelné světlo a propouští infračervené záření, stojan a držáky na mechanickou stabilizaci kamery a filtru Provedení: Kameru umístíme do stojanu a těsně k jejímu objektivu upevníme filtr. Vynikajících výsledků se dosahuje s oboustranně leštěnou křemíkovou deskou. Tím jsme dostali soustavu, která detekuje pouze infračervené záření. Když nyní umístíme před desku zdroj světla, který ve svém spektru obsahuje dostatek infračerveného záření, kamera ho uvidí. Takovým zdrojem je například žárovka nebo plamen svíčky. Dokonce můžeme těmito zdroji ozářit další předměty a ty se stanou pro kameru viditelné. Obraz vypadá podobně, jako bychom předměty osvěcovali viditelným světlem, ale protože to se v desce pohlcuje, jde o obraz vytvořený pomocí infračerveného záření. Zato světelné zdroje, které jsou na infračervené záření chudé, například svítilnu tvořenou bílými svítivými diodami, kamera nezachytí. I když intenzita viditelného světla plamene svíčky je mnohem menší než LED svítilny, což diváci okem snadno uvidí, na záběru z kamery je vidět pouze obraz plamene. Dalším z efektních pokusů je zobrazit žárovku a úspornou žárovku vlastně výbojovou trubici. Pokud jsou oba zdroje provedeny tak, že na první pohled vypadají velmi podobně, vznikne při zobrazení kamerou překvapivý efekt okem vidíme, že svítí obě světla, kamera ale zobrazí jako svítící jen jedno. Vysvětlení: Podstata všech popsaných experimentů je zřejmá viditelné světlo se pohltí v křemíkové desce a neovlivní tak obraz, který kamera zobrazuje. Proto se zobrazí jen ty zdroje, které ve svém spektru obsahují dostatečné množství infračerveného záření. Protože CCD čip kamery je také tvořen křemíkem, klesá citlivost čipu v oblasti těch vlnových délek, kde roste propustnost křemíkové desky. Přesto existují fotony, které projdou křemíkovou deskou a pohltí se až v CCD čipu právě tyto fotony kamera detekuje.

32 Kapitola 1. Infračervené záření 32 Poznámky: Než křemíkovou desku umístíme před kameru je vhodné divákům ukázat, že okem přes ni nic není vidět. Vypadá spíše jako zrcadlo, ale žádné viditelné záření nepropouští. Pokud jsme křemíkovou desku používali i pro jiný experiment, je možné samozřejmě její nepropustnost pro viditelné záření ukázat i dříve. Nemáme-li k dispozici křemíkovou desku, můžeme ji nahradit například filtrem z lihové fixy. Ten ale nemá tak dokonalé vlastnosti jako křemíková deska a pokud ho použijeme společně s kamerou vybavenou nočním viděním nebo s černobílou kamerou, nebude filtr dostatečně účinně pohlcovat viditelnou složku světla. Kamera je totiž příliš citlivá a viditelné záření prošlé filtrem postačí k tomu, aby se zobrazily i světelné zdroje s malým podílem infračerveného záření ve spektru. V takovém případě je lepší jako detektror použít obyčejný digitální fotoaparát. Na obrázku 15 je snímek pořízený běžným digitálním fotoaparátem a na obrázku 16 je snímek stejných zdrojů (svíčka a svítilna z bílých LED) pořízený stejným fotoaparátem přes filtr z lihové fixy. Obr. 15: Fotografie svíčky a LED svítilny bez filtru Obr. 16: Fotografie svíčky a LED svítilny s filtrem

33 Kapitola 2. Ultrafialové záření 33 Kapitola 2 Ultrafialové záření 2.1 Stručná historie objevu ultrafialového záření Ultrafialové záření bylo objeveno krátce po objevu infračerveného. V roce 1801 jeho existenci ukázal německý vědec Johann Wilhelm Ritter. Tento experimentátor se zabýval především studiem galvanismu, sestrojil několik elektrických článků, elektrolýzou rozkládal vodu na kyslík a vodík, zabýval se elektrolytickým pokovováním a dalšími jevy. Jako zastánce romantismu a přírodních věd byl přesvědčen o polaritě všech jevů a po Herschelově objevu tepelných paprsků hledal podobný jev za modrým koncem spektra. Že i v této oblasti se nachází nějaké, okem neviditelné záření, prokázal sledováním chemické reakce chloridu stříbrného (AgCl), který se působením světla rozkládá na chlor a tmavé stříbro. Když zjišťoval, jak reakce probíhá v různých částech slunečního spektra rozloženého skleněným hranolem, zjistil, že nejrychleji se stříbro vyloučí až za modrým koncem, kde očima není nic viditelné. Nové záření se původně označovalo jako chemické, až později se přešlo na dnes běžně používaný název ultrafialové. Návody, jak vlastními silami a bez složitých pomůcek zopakovat Ritterovy a Herschelovy experimenty, kterými objevili okem neviditelná záření, najdete na internetu na stránce

34 Kapitola 2. Ultrafialové záření Pojem ultrafialového záření Jako ultrafialové záření se označuje elektromagnetické záření, jehož vlnová délka navazuje na dolní konec viditelného spektra. Zhora je tedy omezeno vlnovou délkou 390 nm, dolní hranice vlnových délek ultrafialového záření je podle různých pramenů velmi proměnlivá, pohybuje se v rozmezí od 4 nm do 200 nm. Často se vzhledem k rozdílným účinkům ještě dále rozděluje na několik oblastí. Jedno z obvyklých dělení uvádím dále: UVA dlouhovlnné záření, 320 nm 390 nm. Pro nás je toto záření nejméně nebezpečné, ale i tak je třeba se vyvarovat dlouhodobé expozice. UVB středněvlnné záření, 280 nm 320 nm. Záření z této oblasti způsobuje spálení kůže, poškození očí. UVC krátkovlnné záření, pod 280 nm. Pro život na Zemi je krátkovlnné ultrafialové záření zhoubné, ale naštěstí se toto záření absorbuje v ozónové vrstvě a na zemský povrch nedopadá. Využití ultrafialového záření spočívá zejména v jeho schopnosti vyvolávat luminiscenci, která bude zmíněna dále, a dále ve schopnosti likvidovat živé organismy. Proto se dá použít krátlovlnné UV záření k desinfekci a sterilizaci v úpravnách vody, lékařských ordinacích, potravinářských provozech a jinde. Zároveň je ale třeba mít tuto vlastnost na paměti při experimentech a chránit se před déletrvající expozicí tímto zářením. Zvláštní pozornost je třeba věnovat ochraně očí a nedívat se přímo do zdrojů ultrafialového záření. Vlastnosti ultrafialového záření, rychlost jeho šíření, zákon odrazu a lomu a další, stejně jako u infračerveného vycházejí z obecných vlastností elektromagnetického záření a není proto nutné je zvlášť připomínat. 2.3 Zdroje ultrafialového záření Žárovka, jejíž spektrum je dané Planckovým vyzařovacím zákonem (viz rovnice (1)), je jen velmi slabým zdrojem ultrafialového záření. Množství vyzařovaného záření v ultrafialové oblasti by se sice v souladu s Planckovým zákonem zvětšilo, kdyby se zvýšila teplota vlákna žárovky, to však už technicky nelze provést. Maximální teplota vlákna je totiž omezena bodem

35 Kapitola 2. Ultrafialové záření 35 tání použitého materiálu wolframu a není možné situaci výrazně zlepšit. Pro experimenty je tedy nutné použít jiné zdroje ultrafialového záření výbojky a svítivé diody Rtuťová výbojka Intenzivním zdrojem ultrafialového záření je rtuťová výbojka. Právě rtuťová výbojka byla součástí tzv. horského slunce, které v minulosti tvořilo běžnou výbavu mnoha domácností. S postupnými objevy mnoha škodlivých účinků ultrafialového záření došlo ke stažení horských sluncí z prodeje. Přesto je pravděpodobné, že se podaří získat starší, ale stále funkční kus pro experimenty. Hlavní nevýhodou horského slunce je, že současně se rtuťovou výbojkou se zapínají i infračervené zářiče. To jsou elektrickým proudem žhavené trubice, jejichž vysoká teplota komplikuje manipulaci se zařízením, zvyšuje možnost úrazu popálením a některé experimenty zcela znemožňuje (například nelze předsadit štěrbinu těsně před výbojku, což je nutné při konstrukci spektrometru). Bohužel však nelze tyto trubice jen tak odpojit, protože plní roli předřadného odporu ke rtuťové výbojce a horské slunce bez nich nemůže pracovat. Pokud však umístíme výbojku do samostatného krytu a infračervené trubice nahradíme do série zapojenou tlumivkou (například typ HIA 12/23 od firmy LAYTRON), získáme ze rtuťové výbojky horského slunce intenzivní zdroj ultrafialového záření výborně použitelný pro demonstrační experimenty. Všechny experimenty se rtuťovou výbojkou v této práci byly provedeny právě s výbojkou horského slunce Xenonová výbojka V případě, že se nepodaří obstarat funkční rtuťovou výbojku, existuje její lépe sehnatelná náhrada, i když s chudším spektrem v ultrafialovém oboru. Touto náhradou je xenonová výbojka běžně používaná v hlavních světlech automobilů, jejíž zakoupení je možné v motoristických prodejnách nebo na internetu. Pořizovací cena takové výbojky činí podle typu několik set korun. Některé experimenty byly provedeny i s xenonovou výbojkou a jak bude vidět, je i přes své omezené spektrum v ultrafialové oblasti stále dobře použitelná pro demonstrace. A zvláště ve spojení se skleněnou optikou není chybějící část spektra velkou překážkou, protože ve skle se vzdálenější ultrafialová oblast stejně pohltí.

36 Kapitola 2. Ultrafialové záření Deuteriová výbojka Deuteriová výbojka není běžným zdrojem ultrafialového záření a ani nepředpokládám, že by měla být použita v popisovaných experimentech. Považuji ale za užitečné se o ní alespoň zmínit. Když totiž chceme měřit propustnosti materiálů pro ultrafialové záření, musíme mít samozřejmě zdroj, který ve svém spektru obsahuje vlnové délky z ultrafialové oblasti. To však samo o sobě nestačí, například běžná rtuťová výbojka je jen obtížně použitelná kvůli svému čarovému spektru. Abychom mohli měřit propustnost spojitě, je třeba mít spojitý zdroj ultrafialového záření. Tím je právě deuteriová výbojka, která byla v této práci použita při měřeních v ultrafialovém oboru. Její spektrální hustota vyzařování tak, jak ji naměřil spektrometr je zachycena na grafu na obrázku 17. I zde je však třeba mít na paměti různou citlivost snímače pro různé vlnové délky, jedná se opět o nekalibrovanou křivku podobně jako u halogenové žárovky na obrázku Ostatní zdroje Ještě se zmíníme o dalších zdrojích, které se pro získání ultrafialového záření dají použít. Jsou to především komerčně vyráběné trubice, kterými se dá nahradit obyčejná zářivka a různé výbojky, které se dají osadit do žárovkových patic. Jejich černé světlo nachází použití například na diskotékách, kde budí pozornost luminiscence tímto zářením vyvolaná. Dalším použitím takových zdrojů jsou různé kontrolní přístoje ke zjišťování pravosti bankovek a jiných listin. V těchto přístrojích se v poslední době rozmáhá využití svítivých diod. LED, které vyzařují i v ultrafialové oblasti nejsou na trhu příliš dlouho, ale jejich cena už klesla na zhruba 10 Kč, takže jejich použití v některých jednoduchých experimentech nic nebrání. Jak vypadají spektrální hustoty vyzařování některých takových LED je vidět v příloze na obrázcích 31, 32 a Detekce ultrafialového záření Při detekci ultrafialového záření máme oproti infračervenému úlohu poněkud zjednodušenou tím, že foton ultrafialového záření má větší energii než foton viditelného světla. Proto není třeba používat složitou zobrazovací techniku, ale pomocí luminiscence můžeme jednoduše převést neviditelné ultrafialové záření na viditelné. Luminiscence bude hlavní metodou detekce,

37 Kapitola 2. Ultrafialové záření 37 Obr. 17: Spektrum deuteriové výbojky proto její fyzikální podstatu vysvětlíme podrobněji. Experimenty, které luminiscenci využívají nebo je luminiscence samotná hlavním předmětem experimentu, následují dále v příslušných kapitolách Luminiscence Luminiscence, respektive fotoluminiscence, je emise světla vyvolaná absorpcí elektromagnetického záření. Dopadající foton předá svou energii elektronu, který je tímto excitován z nižší energiové hladiny E 1 na vyšší energiovou hladinu E 2. Na této vyšší hladině však elektron nezůstane a samovolně se vrací zpět na nižší hladinu. Při tomto samovolném návratu zpět je vyzářen foton stejné energie, jakou měl foton dopadající. Tuto situaci zachycuje obrázek 18. Pokud však elektron nejprve část své energie ztratí, například interakcí s tepelnými kmity atomů, dostane se z energiové hladiny E 2 na nižší hladinu E 3 a pak při následném přeskoku z hladiny E 3 na výchozí hladinu E 1 překonává jen menší energiový rozdíl, než překonával při přeskoku z hladiny E 2. Proto má vyzářený foton energii nižší než absorbovaný foton, který způsobil excitaci. Tato situace je zachycena na obrázku 19, který je převzatý z [6]. Tímto

38 Kapitola 2. Ultrafialové záření 38 způsobem lze převést neviditelné ultrafialové záření na viditelné světlo. Obr. 18: Mechanismus vzniku luminiscence, kdy excitovaný elektron neztrácí energii Obr. 19: Mechanismus vzniku luminiscence, kdy excitovaný elektron ztratí část své energie Jako luminiscenční stínítko je dá s úspěchem využít obyčejný bílý kancelářský papír. Jeho bělost je totiž dosažena použitím luminoforu, který při ozáření ultrafialovým zářením vykazuje modrou luminiscenci. Luminiscenci jiných barev vykazují papíry a fólie, které se na běžném světle jeví jako reflexní. Zakoupit takovou výstražnou červenou, oranžovou, zelenou nebo žlutou fólii není problém téměř v kterémkoli papírnictví. 2.5 Optika pro ultrafialové záření Při experimentování s ultrafialovým zářením narazíme na vážný problém. Když totiž použijeme běžné skleněné hranoly a čočky, přijdeme o velkou část záření tím, že se pohltí ve skle. Sklo silně absorbuje vlnové délky odpovídající ultrafialovému záření. Propustnost obyčejné skleněné tabulky pro krátké vlnové délky ukazuje graf na obrázku 20. Z tohoto grafu je rovněž vidět, že malá část ultrafialového záření projde, a tedy v krajním případě je pro některé experimenty použitelná i obyčejná skleněná optika. Abychom ale mohli využít větší rozsah vlnových délek, je nutné najít materiály, které ultrafialové záření nepohlcují nebo pohlcují jen málo. Pro konstrukci spektroskopu potřebujeme dva optické prvky čočku a disperzní člen (hranol nebo mřížku).

39 Kapitola 2. Ultrafialové záření 39 Obr. 20: Spektrální propustnost skleněné tabulky Křemenná optika Běžně se k tomuto účelu v optických přístrojích používá průhledný křemen. Na první pohled křemennou čočku nebo hranol od skleněného ani nerozeznáme, pouze křemen má menší hustotu a tak jsou optické prvky z něj vyrobené lehčí. Zásadní rozdíl je ale v optických vlastnostech, především v propustnosti pro ultrafialové záření. Dále křemen má menší disperzi než sklo, takže hranolové spektrum získané křemenným hranolem je užší, jednotlivé barvy jsou blíže k sobě. Použití křemenných optických prvků je pro experimenty s ultrafialovým zářením ideální, naráží ale na obvyklý problém s jejich dostupností a cenou. Křemenná optika je totiž řádově dražší než skleněná. Jedním z dodavatelů křemenné optiky je opět firma Edmund Optics ( Možné náhrady křemenné optiky Ultrafialové záření je málo absorbováno ve vodě a to umožňuje zkonstruovat vodní čočku nalitím vody do nádoby vhodného tvaru. Samotná nádoba samozřejmě musí být z materiálu,

40 Kapitola 2. Ultrafialové záření 40 který ultrafialové záření nepohlcuje. Materiálem, který je pro tento účel použitelný a přitom není obtížné jej sehnat, je nízkohustotní polyethylen, ze kterého se vyrábějí různé balicí fólie a sáčky. Výrobky z něj jsou označené LDPE (low-density polyethylene), případně číslem 4. Křivka propustnosti sáčku z nízkohustotního polyethylenu je na obrázku 21. Obr. 21: Spektrální propustnost sáčku z nízkohustotního polyethylenu LDPE Nyní potřebujeme vyrobit čočku. Pro naše účely zobrazení svislé štěrbiny při konstrukci spektroskopu postačí čočka válcová, jejíž zhotovení je jednodušší. Nalijeme vodu do sáčku, který sevřením do podlouhlého obdélníkového rámečku snadno vytvarujeme do válcové plochy. Lépe je použít vodu destilovanou, ale postačí i obyčejná, pak ovšem musíme počkat a odstranit bublinky, které se tvoří na vnitřní straně sáčku. Tyto bublinky rozptylují světlo a výrazně zhoršují zobrazení touto čočkou. Ohniskovou vzdálenost můžeme regulovat napnutím sáčku v rámečku více napnutý sáček znamená menší křivost jeho stěn a tedy větší ohniskovou vzdálenost. Správné napnutí je třeba vyzkoušet experimentálně. Vzniklá válcová čočka (viz obrázek 22) dobře vyhovuje pro konstrukci spektrometru s lineární štěrbinou a můžeme s její pomocí získat spektrum uspokojivé kvality, viz obrázek 23, kde je zobrazena část spektra rtuťové výbojky získaného s pomocí zmíněné vodní čočky. Samozřejmě je práce s touto

41 Kapitola 2. Ultrafialové záření 41 náhradou komlikovanější a kvalita zobrazení horší, než s použitím kvalitní křemenné čočky. Při zaostřování musíme například vždy chvíli počkat, než se hladina vody v čočce uklidní. Obr. 22: Vodní čočka z LDPE sáčku Obr. 23: Spektum získané s pomocí vodní čočky Velmi snadno lze z LDPE sáčku vyrobit i hranol, případně prvek který bude současně válcovou čočkou a hranolem. Stačí do sáčku vložit drátěnou trojbokou konstrukci, která zabezpečí potřebný tvar podobající se hranolu. Nalitím vody se navíc stěny samovolně vytvarují do válcových ploch a výsledkem je prvek, který je současně hranolem i čočkou. Když jej opravdu sestrojíme a vyzkoušíme jeho vlastnosti, zjistíme, že se však chová v podstatě stejně jako čočka očekávané spektrum se neobjeví. Zde totiž narážíme na vážný problém. Voda má jen velmi malou disperzi (závislost indexu lomu na vlnové délce) a tudíž vodní hranol nerozloží světlo do spektra s uspokojivým rozlišením. Protože se nepodařilo nalézt vhodnou dostupnou kapalinu, která by byla propustná pro ultrafialové záření a přitom měla dostatečnou disperzi, nebylo možné zkonstruovat disperzní prvek na podobné bázi jako čočku. Existuje ale ještě jiná možnost, jak si nouzově opatřit hranol. V prodejnách s turistickými suvenýry se dají sehnat křišťálové krystaly. Křišťál je průhledná forma křemene a má tak vlastnosti křemenné optiky. Navíc krystalizuje ve formě šestibokých hranolů, na kterých se dají využít dvě stěny k rozložení světla podobně jako u běžného hranolu. Problém může být s optickou kvalitou

42 Kapitola 2. Ultrafialové záření 42 a homogenitou tohoto křišťálu. Pro naše účely jsou samozřejmě potřebné co nejprůhlednější kameny a ty prodávané jsou bohužel mnohdy zabarvené nebo mají uvnitř nepravidelnou strukturu, která bude rušit průchod světla. Přesto je možné použitelný křišťálový krystal sehnat. Nejlepší by bylo nechat ho ještě vybrousit tak, aby z šestibokého vznikl trojboký hranol, ale není to nezbytně nutné. Křivka propustnosti křišťálového krystalu je zachycena na obrázku 24. Zvýšený šum u nejkratších vlnových délek je stejně jako u dalších křivek naměřených s deuteriovou výbojkou způsoben nízkou intenzitou vyzařování výbojky v této oblasti, takže se šum více projeví. Rovněž ze zřejmých důvodů křivka nemůže přesahovat hodnotu propustnosti 1. Že se v oblasti velkých vlnových délek tak stalo, lze přisuzovat buď změně intenzity vyzařování výbojky mezi měřením referenčního spektra a měřením prošlého záření přes křišťál, nebo malé změně intenzity osvětlení laboratoře v průběhu měření. Vynikající výsledky samozřejmě lze získat s difrakční mřížkou na odraz, ale podobně jako křemenný hranol, ani tento disperzní prvek není jednoduše dostupný. Pro experimenty v této práci byl jako disperzní prvek použit hranol. Obr. 24: Spektrální propustnost křišťálového krystalu

43 Kapitola 2. Ultrafialové záření Experimenty s ultrafialovým zářením Pro detekci ultrafialového záření při provádění experimentů budeme využívat luminiscenci. Aby však byla dobře viditelná, vyžaduje to zatemněnou místnost Existence ultrafialového záření Prvním experimentem, který je vhodné provést na úvod, by mohla být demonstrace existence ultrafialového záření, jeho vztahu k viditelnému světlu a též demonstrace luminiscence. Potřebné pomůcky: zdroj ultrafialového záření (nejlépe rtuťová výbojka), štěrbina, spojka (nejlépe skleněná i křemenná), hranol (nejlépe skleněný i křemenný), stínítko, list bílého papíru Provedení: Sestavíme hranolový spektroskop pro rozklad světla, stejný, jako při úvodním experimentu s infračerveným zářením (viz obr. 13). Použijeme nejdříve skleněný hranol a na stínítko promítneme obraz spektra rtuťové výbojky. Vidíme typické čarové spektrum, které končí modrými čarami. Když ale na stínítko s promítnutým spektrem umístíme bílý papír, objeví se další čáry, které původně na stínítku nebyly vidět. Na obrázku 25 je pohled na stínítko. Papír je umístěn tak, že zasahuje jen do horní poloviny spektra, takže obě situace bez papíru i s papírem jsou zachyceny na jedné fotografii. Obr. 25: Spektrum rtuťové výbojky získané přes skleněný hranol na stínítku (dolní polovina) a na bílém kancelářském papíru (horní polovina) Pokud máme k dispozici křemennou čočku a hranol, nahradíme jimi nyní skleněné prvky. Vidíme, že spektrum je užší (protože křemen má menší disperzi než sklo) a posunuté v prostoru (protože má jiný index lomu). Posunem čočky a stínítka dosáhneme opět obrazu spektra na

44 Kapitola 2. Ultrafialové záření 44 stínítku a vložíme papír. Objeví se navíc mnohem více čar, než bylo vidět při použití čočky a hranolu ze skla. Tuto situaci zachycuje obrázek 26. Obr. 26: Spektrum rtuťové výbojky získané přes křemenný hranol na stínítku (dolní polovina) a na bílém kancelářském papíru (horní polovina) Ještě můžeme oba experimenty provést současně. Při zobrazení přes křemennou optiku vložíme před část stínítka skleněnou desku. To ukazuje obrázek 27, kdy je papír přes horní dvě třetiny stínítka a skleněná deska přes spodní dvě třetiny stínítka. Obr. 27: Spektrum rtuťové výbojky získané přes křemenný hranol na bílém papíře (horní třetina), spektrum na papíře přes skleněnou desku (střední třetina) a viditelné spektrum na stínítku (spodní třetina) Vysvětlení: Na stínítko dopadá celé spektrum, resp. ta část, která se nepohltí v čočce a hranolu. Okem ale můžeme na stínítku vidět jen ty čáry, které jsou ve viditelném oboru. Ul-

45 Kapitola 2. Ultrafialové záření 45 trafialovou oblast zviditelníme teprve luminiscencí, v našem případě na bílém papíře. V něm dopadající ultrafialové záření vybudí modrou luminiscenci a tak je možné vidět i čáry, které přímo na stínítku, které není luminiscenční, vidět nebyly. Při použití křemenné optiky místo skleněné je, jak se dalo očekávat, množství čar daleko větší. Sklem prochází totiž jen malá část ultrafialového záření z výbojky a tak se pohltí už v čočce a hranolu a nemůže vyvolat luminiscenci. Pokud nemáme k dispozici křemennou optiku, můžeme se pokusit nahradit ji například vodní čočkou a křišťálem (i když za cenu výrazné ztráty kvality zobrazení) nebo se spokojit s částí spektra, které prochází sklem. I tato malá část je přesvědčivým důkazem, že za modrým koncem spektra se nachází další, okem již neviditelná, ultrafialová oblast. Zároveň jsme experimentem ukázali, že ultrafialové záření částečně prochází i sklem. Poznámka: V případě, že nemáme k dispozici rtuťovou výbojku ani křemennou optiku, lze provést experiment i s xenonovou výbojkou a skleněným hranolem a čočkou. Jak vypadá spektrum v případě použití těchto prvků ukazuje obrázek 28. Také je na něm vidět, že xenonová výbojka má bohatší spektrum než rtuťová. Obr. 28: Spektrum xenonové výbojky získané přes skleněný hranol na stínítku (dolní polovina) a na bílém kancelářském papíru (horní polovina) Luminiscence na různých materiálech Fyzikální podstatu luminiscence jsme zmínili už v kapitole Nyní můžeme ukázat experiment, který pomůže k hlubšímu pochopení jejího mechanismu a přiblíží též kvantovou povahu světla.

46 Kapitola 2. Ultrafialové záření 46 Potřebné pomůcky: hranolový spektroskop z předchozího experimentu, různobarevné luminiscenční fólie Provedení: Na stínítko místo papíru vkládáme různobarevné luminiscenční fólie. Při vložení fólie, která vykazuje červenou luminiscenci, je celé spektrum, všechny čáry, červené. Při vložení oranžové fólie je první čára červená, ostatní pak již jsou všechny oranžové. U zelené je situace podobná, jen spektrum je zelené až od zelené čáry směrem ke kratším vlnovým délkám. Při použití bílého papíru, který, jak jsme viděli už dříve, vykazuje modrou luminiscenci, jsou modré všechny čáry až za modrou spektrální čárou. Všechny případy jsou zachyceny na obrázku 29. Obrázek vznikl digitální montáží čtyř samostatných záběrů spekter na různých fóliích do jednoho snímku. Obr. 29: Luminiscence na různých materiálech zhora červená, oranžová, zelená luminiscenční fólie a bílý papír Vysvětlení: Skutečnost, že intenzivní luminiscenci může vybudit pouze záření kratší vlnové délky je důsledkem velmi fundamentálního přírodního zákona - kvantování energie elektromagnetického záření. Tento experiment lze podobně jako fotoelektrický jev využít při výkladu kvantové povahy světla a obecně záření. Nyní je tedy zřejmé, jak pozorované barvy vznikají. Ty vlnové délky, které mají dostatečnou energii, vybudí luminiscenci a proto jsou všechny čáry od jisté hranice doleva (směrem k menším vlnovým délkám, k modrému konci spektra) stejně barevné. Ale čáry ležící od této hranice doprava (směrem k větším vlnovým délkám, k červenému konci spektra) mají svou původní barvu, protože záření má příliš malou energii na vybuzení luminiscence.

47 Kapitola 2. Ultrafialové záření Změna barvy světla odrazem Spíše pro zajímavost můžeme ukázat experiment, který se na první pohled při šikovném předvedení zdá jako fyzikální paradox změna barvy světla odrazem. Potřebné pomůcky: červený a zelený laser (zcela postačí laserová ukazovátka), červená a zelená lesklá luminiscenční fólie Provedení: Posvítíme zeleným laserem na červenou luminiscenční fólii, dopadová stopa bude zářit všemi směry červeným světlem, zatímco od fólie se odrážející svazek zůstane zelený. Zatajíme-li, že dopadající světlo je zelené, dosáhneme iluze změny barvy světla při odrazu. Tento experiment je vhodné doplnit komplementárním pokusem, kdy svítíme červeným laserem na zelenou luminiscenční fólii. V tomto případě je jak stopa na fólii, tak stopa odraženého paprsku červená. Experiment je zobrazen na obrázku 30, který je převzat z [6]. Obr. 30: Odraz zeleného laseru na červené fólii a červeného laseru na zelené fólii Vysvětlení: Princip je po předchozím experimentu s různobarevnými luminiscenčními fóliemi zřejmý. Zelené světlo vybudí v červené fólii luminiscenci, takže stopa na fólii se zdá červená, ale při odrazu se barva světla nezmění a zůstane zelená. Při použitího červeného laseru a zelené fólie je situace jiná. Červené světlo kvůli své nízké energii nemůže zelenou luminiscenci vybudit, a tak stopa laseru na fólii zůstává červená, stejně tak zůstává červený odražený paprsek.