Experimenty s ultrafialovým zářením Dokumentace přípravy, technického zajištění, scénáře, fyzikálního pozadí a fotodokumentace vystoupení vzniklého v rámci projektu Science Academy na téma ultrafialového záření. Seznam experimentů 1. co všechno si svítí 2. luminiscence zářivky 3. luminiscence roztoků 4. luminiscence přírodních materiálů 5. bělené materiály 6. ochranné prvky 7. jak funguje luminiscence 8. fotoluminiscenční folie Dokumentace experimentů Kompletní soupis experimentálního vybavení prodlužovací kabel 2 230 V
lampa, uv úsporná zářivka pozadí (horizont), ubrus, stativy zvýrazňovače, uv fixy, reflexní pásky, vesty chemoluminiscenční tyčinky, UV lak roztok fluoresceinu, tonic, mountain dew křen selský, dřevo jírovce mad alu úsporná zářivka, zářivková trubice bělený a nebělený papír, prací prášek jízdenky, bankovky R/G duální laser, fialový laser luminiscenční barevné folie fotoluminiscenční folie, magnety, lepicí páska Celkové zapojení a sestavení před vystoupením K elektřině připojíme UV zářivku. Fotoluminiscenční folii můžeme přilepit na zed nebo ji připnout pomocí magnetů k látce postaveného horizontu. Nad horizont připevníme krycí látku, aby nedošlo k nežádoucímu osvícení folie. Pro provedení představení je nutná dobrá tma, možnost ovládání světel je výhodou. Ostatní experimentální vybavení krom laserů uspořádáme mimo viditelnou plochu stolu tak, aby nepřitahovalo pozornost nežádoucím způsobem. Při ukazování jednotlivých předmětů je nutné pamatovat na to, aby byly dobře osvícené UV zářivkou a přitom byly dobře viditelné pro publikum.
Provedení jednotlivých experimentů Co všechno si svítí Zde ukazujeme více či méně známé předměty každodenního života, které využívají jevu luminiscence. Velká část z nich se používá k optickému zvýraznění, značná část je známá spíše z diskoték. Obr. 1: Zvýrazňovače Obr. 2: Zvýrazňovače (UV) Obr. 3: Reflexní vesta Obr. 4: Reflexní vesta (UV)
Dokumentace projektu CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy - kritický zpu sob myšlení a praktické aplikace pr írodove dných a technických poznatku v reálném živote Obr. 5: UV aktivní lak Obr. 6: UV aktivní lak (UV) Obr. 7: Chemoluminiscenc ní tyc inky Obr. 8: Chemoluminiscenc ní tyc inky (UV) Obr. 9: UV aktivní fix Obr. 10: UV aktivní fix (UV)
Luminiscence zářivky Zde vysvětlujeme jak funguje zářivka a jak funguje naše UV zářivka. Vypnutou úspornou zářivku pouze nasvítíme UV světlem. Obr. 11: Luminofor úsporné zářivky Obr. 12: Luminofor úsporné zářivky (UV) Luminiscence roztoků Různé roztoky jsou známé tím, že vykazují luminiscenci, zde ukazujeme některé z nich. Obr. 13: Různé roztoky Obr. 14: Tonic - chinin (UV)
Obr. 15: Mountain dew - obal (UV) Obr. 16: Fluorescein (UV) Luminiscence přírodních materiálů Přírodní materiály také jeví luminiscenci. Méně známe je dřevo kaštanu, které i ve studené vodě uvolňuje luminofor. Také v lidském těle najdeme několik látek vykazujících luminiscenci. Zejména oční sklivec. Zájemce můžeme nechat pohlédnout zblízka do UV zářivky. Jelikož se jim rozsvítí sklivec, uvidí bílou mlhu. Vnější pozorovatel to uvidí jako bílé zorničky. Dále jeví silnou luminiscenci zuby, zejména pokud používáme bělicí zubní pastu. Slabou luminiscenci vykazují také nehty. Obr. 17: Dřevo kaštanu ve vodě Obr. 18: Dřevo kaštanu ve vodě (UV)
Obr. 19: Luminiscence sklivce a bělmaobr. 20: Luminiscence bělených zubů (UV) Bělené materiály Bělené materiály vnímáme jako bílé proto, že pomocí luminiscence vyzařují modré světlo. Všechny bělené materiály a bělidla budou tedy pod UV modře svítit. Dobře je to vidět na kontrastu mezi běleným a recyklovaným papírem. Obr. 21: Bělený a nebělený papír Obr. 22: Bělený a nebělený papír (UV) Ochranné prvky UV luminiscence je jedním z velmi známých ochranných prvků bankovek a dokladů. Zde ukážeme některé z nich.
Dokumentace projektu CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy - kritický zpu sob myšlení a praktické aplikace pr írodove dných a technických poznatku v reálném živote Obr. 23: C eské bankovky Obr. 24: C eské bankovky (UV) Obr. 25: Zahranic ní bankovky Obr. 26: Zahranic ní bankovky (UV) Jak funguje luminiscence Díky luminiscenci mu žeme ukázat vztah mezi barvou a energií fotonu,. Zároven tímto pokusem vysve tlujeme luminiscenci jako jev. Lasery tr í barev osve cujeme stopy zvýrazn ovac u a všímáme si, které barvy dokáží vyvolat luminiscenci pr íslušných zvýrazn ovac u. Používané lasery jsou dostatec ne slabé, aby bylo možné jejich bezpec né používání. Pr esto dáváme pozor, kam s nimi mír íme a hlídáme si odrazivé plochy.
Obr. 27: Používané lasery Obr. 28: Stopy červeného laseru na luminiscenčním podkladu Obr. 29: Stopy zeleného laseru na lu-obrminiscenčním podkladu miniscenčním 30: Stopy fialového laseru na lu- podkladu
Fotoluminiscenční folie Dobrovolníkovi předáme jeden z laserů a necháme ho nakreslit obrázek na fotoluminiscenční folii. Lasery předáváme v pořadí červený, zelený a nakonec fialový. Obrázek je vhodné po dobrovolníkovi dokreslit. Obr. 31: Fotoluminiscenční folie Obr. 32: Stopa fialového laseru
Didaktika experimentů Co je to UV Ultrafialové záření je elektromagnetické záření s energií vyšší něž mají fotony viditelného světla. Má kratší vlnovou délku, vyšší frekvenci a vyšší energii než foton fialového světla. Vysoká energie fotonů způsobuje, že je UV záření považováno zanebezpečné neionizující záření. Blízké UV problémy nezpůsobuje pokud se používá v rozumné míře. Tvrdé UV přináší velká bezpečnostní rizika, k jeho odstínění však stačí běžné sklo. V rámci tohoto bloku experimentů však tvrdé UV nepoužíváme. Jak fungují zářivky Zářivky a úsporné zářivky vydávají světlo zcela jiným způsobem než plamen nebo žárovka. Nejde o termoemisi ale o luminiscenci. V trubici zářivky hoří výboj, který vydává záření odpovídající přechodům mezi stavy atomů plymu, který je v trubici (argon, rtut ové páry). Tento výboj nevyzařuje spojité spektrum ale pouze spektrum čárové, z něhož značná část je mimo viditelnou oblast v oblasti záření ultrafialového. Toto pro nás neviditelné záření dopadá na stěny zářivky nanesené luminoforem. Ten pohltí fotony UV a následně vyzáří foton s nižší energií, který již je ve viditelné oblasti. Tento jev se nazývá luminiscence. Pokusy s luminiscencí jsou jednou z mála oblastí pokusů, na kterých lze demonstrovat poznatky kvantové fyziky. Proč bílé oblečení svítí modře Většina diváků se již s UV zářením setkala. Nejčastěji v různých zábavních podnicích nebo na diskotékách (zejména mladší generace). I po osvícení prostoru si lidé ihned všimnou, že se na nich rozsvítí část oblečení. Většinou si také kladou otázku, proč jejich oblečení svítí ve tmě a proč jejich bílé oblečení svítí modře a nikoliv bíle. Tyto otázky jsou velmi dobré a můžeme jich využít.
Obě otázky zaměňují příčinu a důsledek. Nejprve oděvy svítící ve tmě. Oděvy s jasnými (fluorescenčními) barvami vidíme tak zářivě barevné proto, že si samy svítí. Luminiscencí převádějí okolní UV záření (pokud je přítomno) na fotony viditelného světla. Krom odraženého světla tak ještě další viditelné fotony přidávají a proto jsou dobře vidět i na přímém slunci. Tento jev je dobře patrný u reflexní bezpečnostní vesty. Bílé reflexní pásky zvyšují viditelnost v noci, mají odrážet co nejvíce viditelného světla, pod UV naopak ztmavnou. Okolní zelená (nebo oranžová) látka naopak luminiscenci vydává sama viditelné světlo tak, aby byla vesta dobře viditelná i na poledním slunci. Bílé oblečení nabízí ještě hlubší pohled. Oblečení nesvítí modře, protože je bíle, ale vnímáme ho jako bíle, protože modře svítí. Pokud ke žlutému odraženému světlu přidáme ještě modré, uvidí naše oči bílou. Tento postup můžeme vidět například na železničních přejezdech se signalizačním bílým světlem (žárovka s modrým sklem). U bílého oblečení se do pracího prášku přidává luminofor, který na starším a zažloutlém oblečení převede UV na modré světlo a oblečení je pak doslova zářivě bílé. Podobného principu využívají i mnohá ostatní bělidla - zubní pasty nebo bělený papír. Jak funguje luminiscence Při luminiscenci látka emituje záření v podobě fotonů určité energie. Tuto energii musí nějak získat - dotáním tepla, chemickou reakcí, pomocí elektromagnetického pole. Energii může látka získat také pohlcením jiného fotonu. Dopadající záření musí mát takovou energii, aby ji daná látka byla schopna pohltit. Pokud se tak stane atom dané látky přejde do stavu s vyšší energií. Při návratu do výchozího stavu pak vyzáří foton stejné energie, jakou měl pohlcený foton. Pokud má látka možnost přejít do některého stavu mezi nově excitovaným a původním, pak při tomto přechodu vyzáří foton odpovídající, tedy menší energie. Tímto způsobem dokáže látka pohltit pro oči neviditelné záření a vyzářit záření viditelné. Zbytek energie se pohltí v látce a ta se zahřeje nebo je vyzářen v podobě fotonu, který má příliš malou energii (velkou vlnovou délku), abychom jej očima viděli.
U luminiscence je velmi vhodné ukázat, jak souvisí barva, frekvence a energie světla. Můžeme snadno ukázat, že zeleným světlem vybudíme červenou luminiscenci, ale opačně to nejde. Zelený laser nevybudí zelenou luminiscenci, vybudí ji až modrý laser. Scénář Osnova vystoupení 1. Co všechno si svítí 2. Luminiscence zářivky 3. Luminiscence roztoků 4. Luminiscence přírodních materiálů 5. Bělené materiály 6. Ochranné prvky 7. Jak funguje luminiscence 8. Fotoluminiscenční folie Průvodní slovo Tento text není doslovným scénářem. Má sloužit pouze jako návod pro možné provedení představení. Doporučujeme se jej volně držet a používat vlastní slova a výrazové prostředky. Úvod Ústav přístrojové techniky má velmi blízko ke světlu. Světlo zkoumá hodně z blízka a můžeme i říci, že ho přebírá foton po fotonu. Proto bychom vám rádi ukázali několik pokusů se světlem. A protože viditelné světlo pozorujete celý život, podíváme se na světlo, které vidět není.
Co všechno si svítí Asi už jste se všichni někdy setkali s tímto druhem světla. Jmenuje se ultrafialové. Znamená to, že je fialovější než fialové světlo. Je tak fialové - má tak krátkou vlnovou délku a také tak velkou energii, že ho už naše oči nevidí. Ale pokud někde UV světlo svítí, vždy si toho všimneme, protože se kolem nás spousta věcí takto rozsvítí. Co všechno svítí pod UV? Všechno to, co je na světle hezky a výrazně vidět. Zvýrazňovače, různé reflexní prvky, vesty, pásky a podobně, poznámkové bločky - zkrátka všechno to, co má takové zvláštní zářivé barvy - říkáme fluorescenční. A také bílé oblečení. Ale k tomu se ještě dostaneme. Luminiscence zářivky Když si chceme posvítit na něco nebo na někoho UV, potřebujeme nějaký zdroj UV. My tu používáme skoro obyčejnou úsporku. Vypadá skoro stejně, na pohled se liší jen tím, že je černá. Každá zářivka má uvnitř výboj v parách rtuti. A ten svítí hlavně v UV. My potřebujeme, aby se to UV dostalo ze zářivky ven. Normálně to nechceme a navíc pomocí UV bychom si nic dobře neosvítili, takže běžná zářivka má na stěnách takový bílý povlak - luminofor. Ten pohltí UV a převede ho na viditelné záření. Takže když dám úsporku k mé UV zářivce, luminofor udělá to, co je jeho práce a zářivka se takto rozsvítí. Ale svítí jen proto, že na ni svítíme UV. UV zářivka dále nemá trubice z obyčejného skla - to by UV nepropouštělo dobře. A černé jsou ty stěny proto, aby nás nerušilo modrozelené světlo výboje uvnitř. Jak luminofor převádí světlo? Vlastně je to celkem jednoduché. UV nevidíme proto, že má příliš velkou energii. Potřebujeme fotony UV zbavit trochy energie. Bohužel foton nemá malinký batůžek, kde by měl energii zabalenou a naporcovanou. To co potřebujeme se musí udělat tak, že luminofor pohltí celý UV foton tak jak je. Energii jednoho fotonu příjme jediný atom. A části té energie se zbaví v podobě jiného (už viditelného) fotonu. Co udělá atom se
zbytkem pohlcené energie, je už na něm. Celému tomuto jevu se říká fotoluminiscence nebo fluorescence. Luminiscence roztoků Luminiscence je velmi oblíbená jako dekorační efekt. Zejména když potřebujete vypadat vědecky. Na to se vždy hodí nějaký roztok, který ve tmě (pod UV) svítí. To umí například roztok fluoresceinu, který svítí v UV takto hezky zeleně. Podobnou barvou svítí také lahev Mountain dew - zde ovšem svítí obal nikoliv obsah. A na diskotéce určitě zazáříte, pokud si poručíte něco s tonicem. Tonic totiž obsahuje chinin, který pod UV svítí modře. Luminiscence přírodních materiálů V době všemožných kriminálek Las Vegas, Miami a dalším amerických měst je už docela dobře známo, že luminicsenci umí i mnohé přírodní materiály. Na několik se můžeme podívat. Moc hezké a málo známé je dřevo kaštanu. To obsahuje rovněž chinin, který ve vodě uvolňuje a vytváří tak takovéto hezké efekty. I v lidském těle bychom našli látky, které pod UV svítí. Tak například zuby - děsivé, že? Mírně světélkují i nehty, ale zajímavé jsou oči. Když se do zářivky podívám z blízka můžete si všimnout, že se mi bíle rozsvítí zorničky. Sklivec v oku totiž luminiscenci um taky, takže moje oči si ted vevnitř samy svítí. Proto také všude vidím bílou mlhu. Bělené materiály Všimli jste si jak krásně modře svítí všechno bílé oblečení? Nabízí se otázka. proč bílé oblečení svítí pod UV a proč svítí právě modře. Ta otázka by byla ale položená špatně. Bílé oblečení nesvítí protože by bylo bílé. Bílé oblečení se nám zdá bílé, protože pod UV modře svítí. Hezky je to vidět na železničních přejezdech. Pokud nejede vlak, má na přejezdu svítit bílé světlo, ale žádná žárovka nesvítí bíle. Zařídí se to tak, že se
před žlutě svítící žárovku dá modré sklíčko. V prošlém světle je tak méně žluté (červené a zelené) a více modré, takže máme dojem, že vidíme bílou. Pokud chceme zářivě bílé prádlo, potřebujeme k nažloutlému odraženému světlu také přidat modrou. A získáme ji tak, že si ji naše tričko vyrobí z dopadajícího světla, tedy z jeho UV části. Takto fungují i ostatní bělidla - třeba zubní pasty nebo bělený papír. Ochranné prvky Jedno využití UV luminiscence je velmi dobře známé - UV se používá k ochraně bankovek proti padělání. Občas, když platíte větší bankovkou, ji pokladní dá pod UV světlo a podívá se, jestli se rozsvítí. A chrání se tak nejen bankovky ale i doklady. Začít naši přehlídku můžeme například jízdenkami. Všimněte si, že pražské jízdenky září více než ty brněnské. Jízdenky českých drah svítí velmi decentně, když se však podíváme do ciziny, už na Slovensku si jízdenkou můžeme skoro svítit na cestu. Přejděme k bankovkám. České bankovky jsou celkem známé, přesto není bez zajímavosti, že obrazec, který se má rozsvítit, se občas mění - záleží na sérii bankovky. Ze zahraničních bankovek si můžeme ukázat například platidlo, které nás za pár let čeká - čínský juan a dále euro, libry, forinty a cosi, čím zaplatíte na Ukrajině. Jak funguje luminiscence Světla jsme si tu ukázali dost, ted bychom si ho mohli ještě seřadit. Už jsme říkali, jak luminiscence funguje - látka pohltí foton s vysokou energií a vyzáří jiný s menší energií. Takže abych mohl luminiscencí vyrobit červený foton, potřebuji světlo s vyšší energií, než má červená barva. Jakou energii má červená barva? Mám tu několik luminiscenčních barev a ted na ně budu svítit laserovými ukazovátky. Pokud dokáže světlo z mého laseru způsobit luminiscenci dané barvy, stopa laseru změní barvu. A vidíme, že červený laser barvu nezmění
na žádném z barevných polí. Červeným světlem luminiscenci neudělám. Zeleným laserem už ale červené světlo vyrobím, oranžové taky, žluté jen málo - skoro to není vidět, ale zelené pole už nerozsvítím. Poslední laser, který mám je fialový (skoro ultrafialový). Ten svítí na zdi fialově. Na bílém papíře stopa zmodrá a barvu změní i na všech fluorescenčních fóliích. Čili červené světlo má nejmenší energii, červená luminiscence se dělá nejsnáze. Zelené světlo má energii větší a modré a fialové největší. Ze zeleného světla červené udělám, ale z červeného zelené nevyrobím. Fotoluminiscenční folie A na závěr tu máme takové zvláštní malířské plátno. Bylo celou dobu schované pod touto plachtou. Poprosíme nějakého dobrovolníka, aby nám něco hezkého nakreslil. Zkusme to nejprve červeným laserem, půjde to? A co zelený? Také nic? Tak zkusme do třetice ještě modrý. A modrý za sebou nechává svítící stopu. Všechny látky, které jsme vám tu doted ukazovali, uměly pohltit světlo, vzít mu trochu energie a vyplivnout jiné světlo. A dělaly to hned. Tato folie si ale chvilku počká. UV světlo pohltí, ale energie se zbavuje postupně a pomalu. Na denním světle stopa laseru zmizí asi po půl minutě, protože se ztratí v okolním světle. Ale v úplné tmě ji uvidíme i po půl hodině. A folie se tím neopotřebovává - pohltila fotony a postupně zase jiné vysvítí. Tento postup se dá opakovat, dokud bude ta folie držet pohromadě nebo se nám někde v autě neodře. To byl poslední pokus, přejeme vám hezký den a doma si něco rozsvit te, i kdyby to mělo bý světlo, které není vidět.