Experimenty s ultrafialovým zářením

Dokumentace projektu CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy - kritický zpusob ˚ myšlení a praktické aplikace pˇrírodovˇedných a technických poznatku˚ v reálném životˇe

Experimenty s ultrafialovým záˇrením

Dokumentace pˇrípravy, technického zajištˇení, scénáˇre, fyzikálního pozadí a fotodokumentace vystoupení vzniklého v rámci projektu Science Academy na téma ultrafialového záˇrení.

Seznam experimentu ˚ 1. co všechno si svítí 2. luminiscence záˇrivky 3. luminiscence roztoku˚ 4. luminiscence pˇrírodních materiálu˚ 5. bˇelené materiály 6. ochranné prvky 7. jak funguje luminiscence 8. fotoluminiscenˇcní folie

Dokumentace experimentu ˚ Kompletní soupis experimentálního vybavení • prodlužovací kabel 2×230 V


• lampa, uv úsporná záˇrivka • pozadí (horizont), ubrus, stativy ˇ • zvýraznovaˇ ce, uv fixy, reflexní pásky, vesty • chemoluminiscenˇcní tyˇcinky, UV lak • roztok fluoresceinu, tonic, mountain dew • kˇren selský, dˇrevo jírovce mad’alu • úsporná záˇrivka, záˇrivková trubice • bˇelený a nebˇelený papír, prací prášek • jízdenky, bankovky • R/G duální laser, fialový laser • luminiscenˇcní barevné folie • fotoluminiscenˇcní folie, magnety, lepicí páska

Celkové zapojení a sestavení pˇred vystoupením K elektˇrinˇe pˇripojíme UV záˇrivku. Fotoluminiscenˇcní folii mužeme ˚ pˇrilepit na zed’ nebo ji pˇripnout pomocí magnetu˚ k látce postaveného horizontu. Nad horizont pˇripevníme krycí látku, aby nedošlo k nežádoucímu osvícení folie. Pro provedení pˇredstavení je nutná dobrá tma, možnost ovládání svˇetel je výhodou. Ostatní experimentální vybavení krom laseru˚ uspoˇrádáme mimo viditelnou plochu stolu tak, aby nepˇritahovalo pozornost nežádoucím zpuso˚ bem. Pˇri ukazování jednotlivých pˇredmˇetu˚ je nutné pamatovat na to, aby byly dobˇre osvícené UV záˇrivkou a pˇritom byly dobˇre viditelné pro publikum.


Provedení jednotlivých experimentu ˚ Co všechno si svítí Zde ukazujeme více cˇ i ménˇe známé pˇredmˇety každodenního života, které využívají jevu luminiscence. Velká cˇ ást z nich se používá k optickému zvýraznˇení, znaˇcná cˇ ást je známá spíše z diskoték.

Obr. 1: Zvýraznovaˇ ˇ ce

Obr. 2: Zvýraznovaˇ ˇ ce (UV)

Obr. 3: Reflexní vesta

Obr. 4: Reflexní vesta (UV)


Obr. 5: UV aktivní lak

Obr. 6: UV aktivní lak (UV)

Obr. 7: Chemoluminiscenˇcní tyˇcinky Obr. 8: Chemoluminiscenˇcní tyˇcinky (UV)

Obr. 9: UV aktivní fix

Obr. 10: UV aktivní fix (UV)


Luminiscence záˇrivky Zde vysvˇetlujeme jak funguje záˇrivka a jak funguje naše UV záˇrivka. Vypnutou úspornou záˇrivku pouze nasvítíme UV svˇetlem.

Obr. 11: Luminofor úsporné záˇrivky Obr. 12: Luminofor úsporné záˇrivky (UV)

Luminiscence roztoku ˚ Ruzné ˚ roztoky jsou známé tím, že vykazují luminiscenci, zde ukazujeme nˇekteré z nich.

Obr. 13: Ruzné ˚ roztoky

Obr. 14: Tonic - chinin (UV)


Obr. 15: Mountain dew - obal (UV)

Obr. 16: Fluorescein (UV)

Luminiscence pˇrírodních materiálu ˚ Pˇrírodní materiály také jeví luminiscenci. Ménˇe známe je dˇrevo kaštanu, ˇ které i ve studené vodˇe uvolnuje luminofor. Také v lidském tˇele najdeme nˇekolik látek vykazujících luminiscenci. Zejména oˇcní sklivec. Zájemce mu˚ žeme nechat pohlédnout zblízka do UV záˇrivky. Jelikož se jim rozsvítí sklivec, uvidí bílou mlhu. Vnˇejší pozorovatel to uvidí jako bílé zorniˇcky. Dále jeví silnou luminiscenci zuby, zejména pokud používáme bˇelicí zubní pastu. Slabou luminiscenci vykazují také nehty.

Obr. 17: Dˇrevo kaštanu ve vodˇe

Obr. 18: Dˇrevo kaštanu ve vodˇe (UV)


Obr. 19: Luminiscence sklivce a bˇelmaObr. 20: Luminiscence bˇelených zubu˚ (UV) ˇ Belené materiály Bˇelené materiály vnímáme jako bílé proto, že pomocí luminiscence vyzaˇrují modré svˇetlo. Všechny bˇelené materiály a bˇelidla budou tedy pod UV modˇre svítit. Dobˇre je to vidˇet na kontrastu mezi bˇeleným a recyklovaným papírem.

Obr. 21: Bˇelený a nebˇelený papír

Obr. 22: Bˇelený a nebˇelený papír (UV)

Ochranné prvky UV luminiscence je jedním z velmi známých ochranných prvku˚ bankovek a dokladu. ˚ Zde ukážeme nˇekteré z nich.


ˇ Obr. 23: Ceské bankovky

ˇ Obr. 24: Ceské bankovky (UV)

Obr. 25: Zahraniˇcní bankovky

Obr. 26: Zahraniˇcní bankovky (UV)

Jak funguje luminiscence Díky luminiscenci mužeme ˚ ukázat vztah mezi barvou a energií fotonu,. Zárovenˇ tímto pokusem vysvˇetlujeme luminiscenci jako jev. Lasery tˇrí barev ˇ osvˇecujeme stopy zvýraznovaˇ cu˚ a všímáme si, které barvy dokáží vyvolat ˇ luminiscenci pˇríslušných zvýraznovaˇ cu. ˚ Používané lasery jsou dostateˇcnˇe slabé, aby bylo možné jejich bezpeˇcné používání. Pˇresto dáváme pozor, kam s nimi míˇríme a hlídáme si odrazivé plochy.


Obr. 27: Používané lasery

Obr. 28: Stopy cˇ erveného laseru na luminiscenˇcním podkladu

Obr. 29: Stopy zeleného laseru na lu-Obr. 30: Stopy fialového laseru na luminiscenˇcním podkladu miniscenˇcním podkladu


ˇ folie Fotoluminiscencní Dobrovolníkovi pˇredáme jeden z laseru˚ a necháme ho nakreslit obrázek na fotoluminiscenˇcní folii. Lasery pˇredáváme v poˇradí cˇ ervený, zelený a nakonec fialový. Obrázek je vhodné po dobrovolníkovi dokreslit.

Obr. 31: Fotoluminiscenˇcní folie

Obr. 32: Stopa fialového laseru


Didaktika experimentu ˚ Co je to UV Ultrafialové záˇrení je elektromagnetické záˇrení s energií vyšší nˇež mají fotony viditelného svˇetla. Má kratší vlnovou délku, vyšší frekvenci a vyšší energii než foton fialového svˇetla. Vysoká energie fotonu˚ zpusobuje, ˚ že je UV záˇrení považováno zanebezpeˇcné neionizující záˇrení. Blízké UV problémy nezpusobuje ˚ pokud se používá v rozumné míˇre. Tvrdé UV pˇrináší velká bezpeˇcnostní rizika, k jeho odstínˇení však staˇcí bˇežné sklo. V rámci tohoto bloku experimentu˚ však tvrdé UV nepoužíváme.

Jak fungují záˇrivky Záˇrivky a úsporné záˇrivky vydávají svˇetlo zcela jiným zpusobem ˚ než plamen nebo žárovka. Nejde o termoemisi ale o luminiscenci. V trubici záˇrivky hoˇrí výboj, který vydává záˇrení odpovídající pˇrechodum ˚ mezi stavy atomu˚ plymu, který je v trubici (argon, rtut’ové páry). Tento výboj nevyzaˇruje spojité spektrum ale pouze spektrum cˇ árové, z nˇehož znaˇcná cˇ ást je mimo viditelnou oblast v oblasti záˇrení ultrafialového. Toto pro nás neviditelné záˇrení dopadá na stˇeny záˇrivky nanesené luminoforem. Ten pohltí fotony UV a následnˇe vyzáˇrí foton s nižší energií, který již je ve viditelné oblasti. Tento jev se nazývá luminiscence. Pokusy s luminiscencí jsou jednou z mála oblastí pokusu, ˚ na kterých lze demonstrovat poznatky kvantové fyziky.

ˇ Procˇ bílé oblecení svítí modˇre Vˇetšina diváku˚ se již s UV záˇrením setkala. Nejˇcastˇeji v ruzných ˚ zábavních podnicích nebo na diskotékách (zejména mladší generace). I po osvícení prostoru si lidé ihned všimnou, že se na nich rozsvítí cˇ ást obleˇcení. Vˇetšinou si také kladou otázku, proˇc jejich obleˇcení svítí ve tmˇe a proˇc jejich bílé oblecˇ ení svítí modˇre a nikoliv bíle. Tyto otázky jsou velmi dobré a mužeme ˚ jich využít.


ˇ Obˇe otázky zamˇenují pˇríˇcinu a dusledek. ˚ Nejprve odˇevy svítící ve tmˇe. Odˇevy s jasnými (fluorescenˇcními) barvami vidíme tak záˇrivˇe barevné proto, že si samy svítí. Luminiscencí pˇrevádˇejí okolní UV záˇrení (pokud je pˇrítomno) na fotony viditelného svˇetla. Krom odraženého svˇetla tak ještˇe další viditelné fotony pˇridávají a proto jsou dobˇre vidˇet i na pˇrímém slunci. Tento jev je dobˇre patrný u reflexní bezpeˇcnostní vesty. Bílé reflexní pásky zvyšují viditelnost v noci, mají odrážet co nejvíce viditelného svˇetla, pod UV naopak ztmavnou. Okolní zelená (nebo oranžová) látka naopak luminiscenci vydává sama viditelné svˇetlo tak, aby byla vesta dobˇre viditelná i na poledním slunci. Bílé obleˇcení nabízí ještˇe hlubší pohled. Obleˇcení nesvítí modˇre, protože je bíle, ale vnímáme ho jako bíle, protože modˇre svítí. Pokud ke žlutému odraženému svˇetlu pˇridáme ještˇe modré, uvidí naše oˇci bílou. Tento postup mužeme ˚ vidˇet napˇríklad na železniˇcních pˇrejezdech se signalizaˇcním bílým svˇetlem (žárovka s modrým sklem). U bílého obleˇcení se do pracího prášku pˇridává luminofor, který na starším a zažloutlém obleˇcení pˇrevede UV na modré svˇetlo a obleˇcení je pak doslova záˇrivˇe bílé. Podobného principu využívají i mnohá ostatní bˇelidla - zubní pasty nebo bˇelený papír.

Jak funguje luminiscence Pˇri luminiscenci látka emituje záˇrení v podobˇe fotonu˚ urˇcité energie. Tuto energii musí nˇejak získat - dotáním tepla, chemickou reakcí, pomocí elektromagnetického pole. Energii muže ˚ látka získat také pohlcením jiného fotonu. Dopadající záˇrení musí mát takovou energii, aby ji daná látka byla schopna pohltit. Pokud se tak stane atom dané látky pˇrejde do stavu s vyšší energií. Pˇri návratu do výchozího stavu pak vyzáˇrí foton stejné energie, jakou mˇel pohlcený foton. Pokud má látka možnost pˇrejít do nˇekterého stavu mezi novˇe excitovaným a puvodním, ˚ pak pˇri tomto pˇrechodu vyzáˇrí foton odpovídající, tedy menší energie. Tímto zpusobem ˚ dokáže látka pohltit pro oˇci neviditelné záˇrení a vyzáˇrit záˇrení viditelné. Zbytek energie se pohltí v látce a ta se zahˇreje nebo je vyzáˇren v podobˇe fotonu, který má pˇríliš malou energii (velkou vlnovou délku), abychom jej oˇcima vidˇeli.


U luminiscence je velmi vhodné ukázat, jak souvisí barva, frekvence a energie svˇetla. Mužeme ˚ snadno ukázat, že zeleným svˇetlem vybudíme cˇ ervenou luminiscenci, ale opaˇcnˇe to nejde. Zelený laser nevybudí zelenou luminiscenci, vybudí ji až modrý laser.

Scénáˇr Osnova vystoupení 1. Co všechno si svítí 2. Luminiscence záˇrivky 3. Luminiscence roztoku˚ 4. Luminiscence pˇrírodních materiálu˚ 5. Bˇelené materiály 6. Ochranné prvky 7. Jak funguje luminiscence 8. Fotoluminiscenˇcní folie

Pruvodní ˚ slovo Tento text není doslovným scénáˇrem. Má sloužit pouze jako návod pro možné provedení pˇredstavení. Doporuˇcujeme se jej volnˇe držet a používat vlastní slova a výrazové prostˇredky.

Úvod Ústav pˇrístrojové techniky má velmi blízko ke svˇetlu. Svˇetlo zkoumá hodnˇe z blízka a mužeme ˚ i rˇ íci, že ho pˇrebírá foton po fotonu. Proto bychom vám rádi ukázali nˇekolik pokusu˚ se svˇetlem. A protože viditelné svˇetlo pozorujete celý život, podíváme se na svˇetlo, které vidˇet není.


Co všechno si svítí Asi už jste se všichni nˇekdy setkali s tímto druhem svˇetla. Jmenuje se ultrafialové. Znamená to, že je fialovˇejší než fialové svˇetlo. Je tak fialové - má tak krátkou vlnovou délku a také tak velkou energii, že ho už naše oˇci nevidí. Ale pokud nˇekde UV svˇetlo svítí, vždy si toho všimneme, protože se kolem nás spousta vˇecí takto rozsvítí. Co všechno svítí pod UV? Všechno to, co je na svˇetle hezky a výraznˇe vidˇet. ˇ Zvýraznovaˇ ce, ruzné ˚ reflexní prvky, vesty, pásky a podobnˇe, poznámkové bloˇcky - zkrátka všechno to, co má takové zvláštní záˇrivé barvy - rˇ íkáme fluorescenˇcní. A také bílé obleˇcení. Ale k tomu se ještˇe dostaneme.

Luminiscence záˇrivky Když si chceme posvítit na nˇeco nebo na nˇekoho UV, potˇrebujeme nˇejaký zdroj UV. My tu používáme skoro obyˇcejnou úsporku. Vypadá skoro stejnˇe, na pohled se liší jen tím, že je cˇ erná. Každá záˇrivka má uvnitˇr výboj v parách rtuti. A ten svítí hlavnˇe v UV. My potˇrebujeme, aby se to UV dostalo ze záˇrivky ven. Normálnˇe to nechceme a navíc pomocí UV bychom si nic dobˇre neosvítili, takže bˇežná záˇrivka má na stˇenách takový bílý povlak - luminofor. Ten pohltí UV a pˇrevede ho na viditelné záˇrení. Takže když dám úsporku k mé UV záˇrivce, luminofor udˇelá to, co je jeho práce a záˇrivka se takto rozsvítí. Ale svítí jen proto, že na ni svítíme UV. UV záˇrivka dále nemá trubice z obyˇcejného skla - to by UV nepropouštˇelo dobˇre. A cˇ erné jsou ty stˇeny proto, aby nás nerušilo modrozelené svˇetlo výboje uvnitˇr. Jak luminofor pˇrevádí svˇetlo? Vlastnˇe je to celkem jednoduché. UV nevidíme proto, že má pˇríliš velkou energii. Potˇrebujeme fotony UV zbavit trochy energie. Bohužel foton nemá malinký batužek, ˚ kde by mˇel energii zabalenou a naporcovanou. To co potˇrebujeme se musí udˇelat tak, že luminofor pohltí celý UV foton tak jak je. Energii jednoho fotonu pˇríjme jediný atom. A cˇ ásti té energie se zbaví v podobˇe jiného (už viditelného) fotonu. Co udˇelá atom se


zbytkem pohlcené energie, je už na nˇem. Celému tomuto jevu se rˇ íká fotoluminiscence nebo fluorescence.

Luminiscence roztoku ˚ Luminiscence je velmi oblíbená jako dekoraˇcní efekt. Zejména když potˇrebujete vypadat vˇedecky. Na to se vždy hodí nˇejaký roztok, který ve tmˇe (pod UV) svítí. To umí napˇríklad roztok fluoresceinu, který svítí v UV takto hezky zelenˇe. Podobnou barvou svítí také lahev Mountain dew - zde ovšem svítí obal nikoliv obsah. A na diskotéce urˇcitˇe zazáˇríte, pokud si poruˇcíte nˇeco s tonicem. Tonic totiž obsahuje chinin, který pod UV svítí modˇre.

Luminiscence pˇrírodních materiálu ˚ V dobˇe všemožných kriminálek Las Vegas, Miami a dalším amerických mˇest je už docela dobˇre známo, že luminicsenci umí i mnohé pˇrírodní materiály. Na nˇekolik se mužeme ˚ podívat. Moc hezké a málo známé je dˇrevo kaštanu. ˇ To obsahuje rovnˇež chinin, který ve vodˇe uvolnuje a vytváˇrí tak takovéto hezké efekty. I v lidském tˇele bychom našli látky, které pod UV svítí. Tak napˇríklad zuby dˇesivé, že? Mírnˇe svˇetélkují i nehty, ale zajímavé jsou oˇci. Když se do záˇrivky podívám z blízka mužete ˚ si všimnout, že se mi bíle rozsvítí zorniˇcky. Sklivec v oku totiž luminiscenci um taky, takže moje oˇci si ted’ vevnitˇr samy svítí. Proto také všude vidím bílou mlhu.

ˇ Belené materiály Všimli jste si jak krásnˇe modˇre svítí všechno bílé obleˇcení? Nabízí se otázka. proˇc bílé obleˇcení svítí pod UV a proˇc svítí právˇe modˇre. Ta otázka by byla ale položená špatnˇe. Bílé obleˇcení nesvítí protože by bylo bílé. Bílé obleˇcení se nám zdá bílé, protože pod UV modˇre svítí. Hezky je to vidˇet na železniˇcních pˇrejezdech. Pokud nejede vlak, má na pˇrejezdu svítit bílé svˇetlo, ale žádná žárovka nesvítí bíle. Zaˇrídí se to tak, že se


pˇred žlutˇe svítící žárovku dá modré sklíˇcko. V prošlém svˇetle je tak ménˇe žluté (ˇcervené a zelené) a více modré, takže máme dojem, že vidíme bílou. Pokud chceme záˇrivˇe bílé prádlo, potˇrebujeme k nažloutlému odraženému svˇetlu také pˇridat modrou. A získáme ji tak, že si ji naše triˇcko vyrobí z dopadajícího svˇetla, tedy z jeho UV cˇ ásti. Takto fungují i ostatní bˇelidla tˇreba zubní pasty nebo bˇelený papír.

Ochranné prvky Jedno využití UV luminiscence je velmi dobˇre známé - UV se používá k ochranˇe bankovek proti padˇelání. Obˇcas, když platíte vˇetší bankovkou, ji pokladní dá pod UV svˇetlo a podívá se, jestli se rozsvítí. A chrání se tak nejen bankovky ale i doklady. Zaˇcít naši pˇrehlídku mužeme ˚ napˇríklad jízdenkami. Všimnˇete si, že pražské jízdenky záˇrí více než ty brnˇenské. Jízdenky cˇ eských drah svítí velmi decentnˇe, když se však podíváme do ciziny, už na Slovensku si jízdenkou mužeme ˚ skoro svítit na cestu. ˇ Pˇrejdˇeme k bankovkám. Ceské bankovky jsou celkem známé, pˇresto není bez zajímavosti, že obrazec, který se má rozsvítit, se obˇcas mˇení - záleží na sérii bankovky. Ze zahraniˇcních bankovek si mužeme ˚ ukázat napˇríklad platidlo, které nás za pár let cˇ eká - cˇ ínský juan a dále euro, libry, forinty a cosi, cˇ ím zaplatíte na Ukrajinˇe.

Jak funguje luminiscence Svˇetla jsme si tu ukázali dost, ted’ bychom si ho mohli ještˇe seˇradit. Už jsme rˇ íkali, jak luminiscence funguje - látka pohltí foton s vysokou energií a vyzáˇrí jiný s menší energií. Takže abych mohl luminiscencí vyrobit cˇ ervený foton, potˇrebuji svˇetlo s vyšší energií, než má cˇ ervená barva. Jakou energii má cˇ ervená barva? Mám tu nˇekolik luminiscenˇcních barev a ted’ na nˇe budu svítit laserovými ukazovátky. Pokud dokáže svˇetlo z mého laseru zpusobit ˚ luminiscenci dané barvy, stopa laseru zmˇení barvu. A vidíme, že cˇ ervený laser barvu nezmˇení


ˇ na žádném z barevných polí. Cerveným svˇetlem luminiscenci neudˇelám. Zeleným laserem už ale cˇ ervené svˇetlo vyrobím, oranžové taky, žluté jen málo - skoro to není vidˇet, ale zelené pole už nerozsvítím. Poslední laser, který mám je fialový (skoro ultrafialový). Ten svítí na zdi fialovˇe. Na bílém papíˇre stopa zmodrá a barvu zmˇení i na všech fluorescenˇcˇ cˇ ervené svˇetlo má nejmenší energii, cˇ ervená luminiscence ních fóliích. Cili se dˇelá nejsnáze. Zelené svˇetlo má energii vˇetší a modré a fialové nejvˇetší. Ze zeleného svˇetla cˇ ervené udˇelám, ale z cˇ erveného zelené nevyrobím.

ˇ folie Fotoluminiscencní A na závˇer tu máme takové zvláštní malíˇrské plátno. Bylo celou dobu schované pod touto plachtou. Poprosíme nˇejakého dobrovolníka, aby nám nˇeco hezkého nakreslil. Zkusme to nejprve cˇ erveným laserem, pujde ˚ to? A co zelený? Také nic? Tak zkusme do tˇretice ještˇe modrý. A modrý za sebou nechává svítící stopu. Všechny látky, které jsme vám tu doted’ ukazovali, umˇely pohltit svˇetlo, vzít mu trochu energie a vyplivnout jiné svˇetlo. A dˇelaly to hned. Tato folie si ale chvilku poˇcká. UV svˇetlo pohltí, ale energie se zbavuje postupnˇe a pomalu. Na denním svˇetle stopa laseru zmizí asi po pul ˚ minutˇe, protože se ztratí v okolním svˇetle. Ale v úplné tmˇe ji uvidíme i po pul ˚ hodinˇe. A folie se tím neopotˇrebovává - pohltila fotony a postupnˇe zase jiné vysvítí. Tento postup se dá opakovat, dokud bude ta folie držet pohromadˇe nebo se nám nˇekde v autˇe neodˇre. To byl poslední pokus, pˇrejeme vám hezký den a doma si nˇeco rozsvit’te, i kdyby to mˇelo bý svˇetlo, které není vidˇet.

Experimenty s ultrafialovým zářením

Recommend Documents