ELTE Kémiai Intézet 2015. október 15.
A fény éve az évszázadok fénye Riedel Miklós
1
Nick Holonyak LED 1962 kék LED 2014
Hennig Brand A foszfor felfedezése 1669
2
Akkor megint szólt Isten: ”Legyenek világító testek az égbolton s válasszák el a nappalt az éjszakától”. Teremtés könyve, 1, 14
Akkor megint szólt Isten: ”Legyenek világító testek az égbolton s válasszák el a nappalt az éjszakától”. Teremtés könyve, 1, 14
Az Ősrobbanástól számítva
A fény és a kémia A fotokémia kémia a fény hatására lejátszódó kémiai folyamatokkal, illetve a kémiai folyamatokat kísérő nem termikus gerjesztésű fényjelenségekkel foglalkozó területe. Kémiai reakciók • fény biztosíthatja a kémiai reakciók energiaigényét • megindíthat reakciókat (klórdurranógáz-reakció) • lézerek segítségével a kémiai reakciók femtoszekundumos (10 -15 s) felbontásban vizsgálhatók • kémiai műszeres analitika (optikai spektroszkópia) • hagyományos ezüst alapú fényképezés • lángfestés (pirotechnika, tűzijáték)
5
A fény és a kémia Mindennapok • műanyagok lebomlása (fotolízis) • fotokémiai szmog képződése Biológia és a fény • látás • UV-sugárzás élettani hatásai • D-vitamin képződése • fotoszintézis Fényelnyelés, fénykibocsátás • fény az égési folyamatban • izzás, a fekete test sugárzása • lumineszcencia • festékek szelektív fényelnyelése, fényszóródás kolloidokon 6
A fény és a kémia Metán klórozása A metán- és a klórgáz elegye fény hatására exoterm reakcióban reakcióban klórmetánná és hidrogén-kloriddá alakul
+
A fény és a kémia Ipari technológia Benzil-klorid előállítása toluolból és klórból (gázfázisban) Évi termelés: 100 000 tonna Fotoszintézis Az előállított szerves anyag tömege kb. 2 x 1011 tonna/év
John Everett Millais: Őszi levelek (1856 )
fényszóródás
kolloidok Tyndall-jelenség
klorofill antocián
karotin
fényelnyelés 9
Elektromágneses sugárzás, fény
E=hf Ultraibolya
foton
Látható tartomány Hősugárzás
10
Feketetest-sugárzás
Folytonos spektrum Planck-féle sugárzási törvény
napfény gyertya izzólámpa 11
Feketetest-sugárzás
555 nm
A szem érzékenysége a napfényhez igazodott
12
De La Tour: Magdolna a füstölő lánggal 1640 körül
13
Gyertya, mécses, fáklya, izzó testek Feketetest-sugárzás 600 ºC hőmérsékleten a szénhidrogének krakkolódnak A láng fényét a felizzó koromszemcsék adják A láng szélén a hőmérséklet 1600 ºC is lehet gyertyaláng a súlytalanságban
oxigén
éghető anyag A zónák jól látszanak14
Hasonló elven működik • petróleumlámpa • karbidlámpa 6 – 10 gyertya fénye
Régebben a lámpák fényerősségét gyertyafényben adták meg Ma SI-egység lumen (lm)
hatásfok lumen/watt
15
Gázvilágítás
1801 Párizs 1802 Anglia
William Murdoch
Világító gáz • fénykibocsátás hasonló a gyertyához • csövön vezetve • nyílt láng ég • a gáz előállítása - szén, fa száraz lepárlása, később földgáz
A párizsi opera világítása
16
Bunsen-égő A gáz/levegő elegy előkeveredésével az égés tökéletesebbé válik. A sztöchiometriai gáz/levegő arány esetén a láng világoskék színű. Így érhető el a maximális lánghőmérséklet, de nem világít.
Gázvilágítás
Hatásfok javítása
Gázharisnya (intenzív fehér fény) 1885 60% MgO, 20% La2O3 and 20% Y2O3 1891 99% ThO2, 1% CeO2 manapság Y2O3, ZrO2 Th - és -sugárzás 220 Rn keletkezik -sugárzás
Carl Auer von Welsbach (1858 – 1929) 18
Gázvilágítás Bortnyik Sándor: Lámpagyújtó 1921. Olaj, vászon, 80 x 60 cm. (Magyar Nemzeti Galéria)
19
Villanyvilágítás
Volta-oszlop 1800 Cink-, vörösrézlemezek, sóoldattal átitatott kartonvagy bőrkorongok
Alessandro Volta (1745-1827)
Volta
Napóleon
A leideni palackot mindig fel kellett tölteni (dörzsöléssel) A Volta-oszloppal viszont sikerült állandó áramforráshoz jutni Később – dinamó (Siemens, Jedlik Ányos), erőművek Ez tette lehetővé a villanyvilágítást.
20
Izzólámpa Elektromos árammal való izzítás Magas olvadáspontú fémek Nagy ellenállás (a vezetékhez képest) Olvadáspontok Platina Molibdén Tantál Ozmium Volfrám Szén (szublimál)
oC
1767 2623 3017 3033 3422 3825
Nagyon sokan kísérleteznek vele 21
Szénszálas izzólámpa Thomas Edison (1847 – 1931)
Joseph Swan (1828 – 1914)
Oxigéntől védi az üvegbúra és vákuum 600 (!) bambuszfajtából elszenesített gyapotból 4 bizonyult megfelelőnek 1200 óra élettartam 22 Az izzólámpát 1879 szilveszterén mutatták be az újságíróknak
Izzólámpa volfrámszállal
Nehézkes előállítás Scheelit CaWO4 WO3 redukció hidrogénnel W-por nem olvasztható meg, szinterelés dróthúzás William Coolidge 1910
Irving Langmuir 1913 vákuum helyett argon és nitrogén kevésbé párolog 23
Magyarok és az izzólámpa Szénszálas Volfrámszálas izzó
1,4 lm/watt 7 - 14 lm/watt Just Sándor (1874-1937)
Hanaman Ferenc (1878-1941)
1904 szabadalom 1906 Egyesült Izzó, Tungsram 24
Magyarok és az izzólámpa
Dupla spirál 1931 K, Na, Si, Al adalék a W-hoz jobb hatásfok Millner Tivadar (1899 – 1988) Tury Pál Kriptonégő 1936 Kripton rossz hővezető magasabb hőmérséklet jobb hatásfok drága és ritka anyag (10-6 mólszázalék) ötletes kinyerés levegőből
Bródy Imre (1891 – 1944) 25
Ez a tudás (hungarikum) a globalizációval sajnos elveszett
Napfény 6000 K szem érzékenysége Izzólámpa hőmérséklete 2000 K - 3200 K
Kb. 2% fény, a többi hő Hogyan javítható ez a rossz hatásfok?
26
EU irányelv - energiacsökkentés az izzólámpák fokozatos kivonása
Helyette • halogénizzó • kompakt fénycső • LED
Háztartás - a világítás csak kb. 10% Közvilágítás - lényeges 27
Halogénlámpa A hatásfok javítása • magasabb hőmérséklet 3200 - 3400 K • a volfrám párolgásának (a búra feketedésének) csökkentése
1
2
gáztér bróm vagy jód
3
hidegebb hely
melegebb hely
melegebb hely
W W párolog
WBrn
W + nBr
megfordítható kémiai reakció 28
Halogénlámpa
24 lm/W
3,5%
kriptongáz viszonylag nagy nyomáson kvarc vagy keményüveg búra (magas hőmérséklet!)
29
Gázkisülés az energiaszintek közötti elektronátmenet fénykibocsátással jár
gerjesztés kisülés
vonalas színkép
hidrogén vas
higany
30
Gázkisülés 1910 Georges Claude
Szín függ a gáz fajtájától
reklámcsövek
vörös • Hélium rózsaszín • Nitrogén sárgás rózsaszín • Szén-dioxid kékesfehér • Kripton fehér • Argon kék
„neoncső”
• Neon
Sok UV-sugárzás is ez is hasznosítható 31
Fénycső Az anyagok célszerű kiválasztásával az izzólámpához hasonló fényforrás készíthető.
1939 • gázkisüléses lámpa • a lámpatestben kis mennyiségű higany és vákuum (inert gáz) van • a elektromos kisülés fénykibocsátásra (látható és ultraibolya) készteti a higanyatomokat • kis nyomáson sok UV-sugárzás keletkezik (253,7 és 365 nm) • a bura belül be van vonva fluoreszkáló anyaggal, amely abszorbeálja az UV-sugárzást és látható fényt sugároz ki
Fényhasznosítás 60-70 lm/W 32
Lumineszcencia Gerjesztés • fotolumineszcencia • biolumineszcencia • kemilumineszcencia • elektrolumineszcencia nem hőközlés
fluoreszcencia 10-5 10-8 s
foszforeszcencia 10 s
Fénycső
a fénycső spektruma
a higany spektruma
fénypor
UV-sugárzás
Vörös Y2O3:Eu Zöld MgAl11O19: Ce,Tb Kék BaMgAl10O17:Eu
látható fény
R G B
az UV-fényt az üvegbúra nem engedi át (??)
34
Fénycső Komoly gond a színvisszaadás nem egyenletes (folytonos), hanem „sávos” színkép fényporok Régebben kalcium halofoszfát Ca5(PO4)3(Cl,F):Sb3+, Mn2+
Újabban Ritka földfém LaPO4:Tb3+, Ce3+ Y2O3:Eu
zöld és kék vörös
35
Fénycső színvisszaadás A színkép egyenletességét az Ra index-szel jellemzik
Ra index 0…..100 Hány %-ban felel meg a napfénynek
„Titkos” kód – 830 Ra = 80 T/K = 3000
36
Kompakt fénycső 1973 General Electric
elektronikus előtét 40 kHz • Nem villog • Gyorsan begyújt
Előny • Fényhasznosítás 60-70 lm/W • Élettartam 2 000 – 10 000 óra (elvben)
Hátrány • Beszerzési ára nagy Az elektronika minősége Az olcsó hamar tönkremegy • Színvisszaadás (Ra) rossz • Kis mértékű UV-sugárzás • Higanyt tartalmaz 37
Kompakt fénycső környezetvédelem UV-sugárzás károsító hatása
UVB
UVA
Higany kibocsátás a környezetbe 4 – 5 mg Hg/lámpa újabban 1,0 – 1,5 mg Hg/lámpa 38
Nagynyomású gázkisülő lámpák Higanygőzlámpa Közvilágításban alkalmazzák, visszaszorulóban Színe jellegzetesen sápadt fehér. 50 lm/W
Nátriumlámpa Közvilágítási célra a elterjedten használtják gazdaságos, magas élettartama Színe narancssárga, színvisszaadása gyenge. 130 lm/W
Fémhalogén lámpa Különböző fémek jodidjai, közvilágítás A fémek kombinációjával kiváló színvisszaadás 90-110 lm/W 39
Fémhalogén lámpa
Fém-halogenidek gőzeiben játszódik le az ívkisülés pl.: NaI ScI3 InI3 DyI3 TlI HoI3 Hatásuk: vonalgazdag színkép jobb a színvisszaadás
kb. 10 perc
higanylámpa színképe
fémhalogén lámpa színképe
40
Xenonlámpa Igen nagy fényerő 80 lm/W
• • • • •
Ívkisülés Fehér fény, jó színvisszaadás Erősen pontszerű fény Nagy teljesítmény (több 1000 W is) Nagy nyomás (több 10 bar, veszélyes)
Filmtechnika Vetítőgépek, projektorok Gépjárművek Fényképezőgép vaku
41
LED fényemittáló dióda Light Emitting Diode 1962 1960-as évek 1970-es évek 1980-as évek 1992
vörös 1 lm/W sárga narancs zöld kék LED
Nick Holonyak
2014 Nobel-díj Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi Nakamura Súdzsi
42
LED Elektrolumineszcencia
e gerjesztés energiabefektetés
Vezetési sáv
rekombináció energia szabadul fel pl. foton
TILTOTT SÁV
Vegyértéksáv
e
elektron + lyuk rekombinációja → foton kibocsátás 43
LED Gallium-arzenid – (GaAs) Gallium-arzenid-foszfid – (GaAsP) Gallium-foszfid – (GaP) Gallium-nitrid – (GaN) Cink-szelenid – (ZnSe) Szilícium-karbid – (SiC) Indium-gallium-nitrid – (InGaN) Gyémánt – (C)
infravörös – 940 nm vörös – 630 nm zöld – 555 nm zöld – 525 nm kék – ~500 nm kék – 480 nm kék – 450 nm ultraibolya – 400 nm
44
Fehér fény LED-del • RGB színkeverés
• Fényporral (mint a fénycső) Y3Al5O12:Ce3+
Egyre növekvő fényhasznosítás 30 - 60 lm/W, de van a 150 lm/W -es is
45
Összegezés
Hatásfok
Kategória lángok izzólámpa
Típus
lm/W
%
0,3
0,04%
gázharisnya
2
0,3%
100 W
14
2,0%
halogén
24
3,5%
gyertya
ívlámpa
xenon
30–50
4,4–7,3%
fénycső
kompakt fénycső
57–72
8–11%
hosszú fénycső
70–100
10–15%
fémhalogén
65–115
9,5–17%
nagy nyomású nátrium
85–150
12–22%
kis nyomású nátrium
100–200
15–29%
LED
fehér LED
10–150
1,5–22%
elméleti maximum
555 nm-es zöld fény
683
100%
Kisülési lámpák
46
Összegezés
Történet
?
47
OLED szerves fénykibocsátó dióda - Organic Light-Emitting Diode elektrolumineszcens réteg – szerves félvezető vegyület
Al-kelát
poli(fenilén-vinilén)
• a pi-elektronok elektronok elmozdulhatnak • a legmagasabb betöltött és a legalacsonyabb betöltetlen molekulapályák megfelelnek a (hagyományos) félvezetők vegyérték- és vezetési sávjának Vezető polimer (Nobel-díj, 2000)
48
OLED
foton
e-
• az elektronok és a lyukak rekombinálódnak • a rekombináció során a felszabaduló energia fénykibocsátás • az oldalláncok szubsztitúciójával a kibocsátott fény hullámhossza változtatható (legmagasabb betöltött és a legalacsonyabb betöltetlen molekulapálya energiakülönbsége)
49
LED
„Amíg a 20. századot az izzószálas villanykörték fényében láttuk, addig a 21. századot a LED lámpák fogják megvilágítani.” 50
Lumineszcencia • fotolumineszcencia • biolumineszcencia • kemilumineszcencia • elektrolumineszcencia
biolumineszcencia
elektrolumineszcencia
kemilumineszcencia fotolumineszcencia
Luminol kemilumineszcencia Megfelelő oxidálószer (pl. hidrogén-peroxid), lúg és katalizátor (vas- és rézvegyületek) hatására ragyogó kék fényt bocsát ki.
Kriminalisztika: vérnyomok kimutatása 1. A luminol a lúggal reagál, dianion keletkezik. 2. A hidrogén-peroxidból származó oxigén ezután reagál a luminol-dianionnal. 3. A keletkező szerves peroxid rendkívül instabil, és a nitrogén leadásával nyomban bomlik 3-amino-ftálsavra, melyben egy elektron gerjesztett állapotban van. 4. A gerjesztett állapot foton leadásával alapállapotba kerül, és ez adja a kék fényt.
A fényforrások és a kémia
53
Köszönöm a figyelmet
VÉGE
és nézzék meg Hegedűs Kristóf és Riedel Miklós
kísérleti bemutatóját
54
