en lysmåler! Science Cup Denmark projekt af: Anders Lumbye Frederik Rønne Pachler Mads Reiter Jespersen Vu Nguyen Petersen fra Rungsted Gymnasium

Transkript

1 en lysmåler! Science Cup Denmark projekt af: Anders Lumbye Frederik Rønne Pachler Mads Reiter Jespersen Vu Nguyen Petersen fra Rungsted Gymnasium

2 Indholdsfortegnelse Indholdsfortegnelse...2 Produktet...3 Teori...5 Hvad er lys?...5 Hvad er bølgelængde?...6 Hvordan er det synlige spektrum?...7 Hvad er UV lys?...7 UV følsomme stoffer:...8 Forsøg...9 Forsøg med kenin...9 Sølvchlorid forsøg...9 Lysintensitetsmålings forsøg...11 Samarbejde i gruppen...12 Kildeliste...13 Gruppen

3 Produktet Selve produktet er en lys-intensitets-måler. Den skal bruges til at måle det farlige lys solen udsender og give et udslag eller en reaktion når UVA/UVB intensiteten i sollyset bliver for kraftigt. Vi forestiller os at den skal udformes som en kvadratisk plade med en sidelængde på mellem 2,5 cm og 5 cm. Pladen skal bestå af et metal af en passende art, dvs. at den ikke bliver for tung, at den ikke går for let i stykker osv. Samtidig er der et prismæssigt aspekt, hvor de helt oplagte metaller som titanium er for dyre til at indgå i en produktion som denne. Det har været meget vigtigt for os at udvikle et produkt der er meget anvendeligt og derfor har vi gjort os nogle overvejelser om hvilket metal pladen skal bestå af men dette er endnu ikke besluttet. Oven på denne plade vil der så være påført et lysfølsomt stof der vil reagere ved påvirkning af et for kraftigt UV lys. Denne reaktion skal ske på en sådan måde at den kan ses både tydeligt og den skal ske inden for et relativt kort tidsrum efter den er blevet aktiveret af kunden. Af disse grunde er der en del overvejelser om hvilket stof det skal være. Vi har endnu ikke besluttet hvilket stof der skal påføres den lille plade men i afsnittet Forsøg, er der givet nogle eksempler på hvilke stoffer der eventuelt kan bruges. Dette område af produktet er, naturligt nok, noget af det vi har fokuseret allermest på, og det er også derfor at vi har lavet flere forsøg med nogle mulige stoffer for at klarlægge nogle af vores muligheder. Eksempel på plade med lysfølsomt stof Rent praktisk skal den bruges når kunden befinder sig på stranden, på skiferie i solskin, hvor mange bliver udsat for en kraftig UV stråling uden at være helt klar over præcis hvor kraftig og skadelig den er. Men kort sagt er det meningen at den skal kunne bruges alle de steder folk færdes i solskin. Det kan i disse tilfælde være svært at vid om man skal have solcreme på eller ej. I disse situationer 3

4 vil vores produkt så kunne vejlede kunden og på denne måde sørge for at denne ikke bliver solskoldet. Solskoldning og i det hele taget udsættelse for de farlige UV stråler uden passende beskyttelse i form af solcreme med en ordentlig faktor er noget af det der er meget medvirkende til at udvikle hudkræft. Den hudkræft der opstår ved påvirkning af sollys hedder basalcellekræft. Hudkræft skyldes at huden udsættes for ultraviolette stråler fra sollys. Basalcellekræft ses for det meste hos personer med lys hud. Den opstår i de pigmentdannende celler og er meget svær at kurere. Vi håber at vi ved hjælp af vores produkt vil kunne være med til at forebygge nogle af alle de tilfælde af hudkræft der bliver registreret hvert år. I Danmark bliver der hvert år registreret 6000 nye tilfælde af basalcellekræft. Pladecellekræft er den næsthyppigste form for hudkræft. Pladecellekræft opstår i områder, som har været udsat for sollys. Pladecellekræft udvikler sig ofte på hud, der i forvejen er solskadet, og sygdommen viser sig oftest som et sår, der ikke vil hele. I få tilfælde kan pladecellekræft i modsætning til basalcellekræft, sprede sig til lymfeknuderne. Ca. 600 personer i Danmark får konstateret pladecellekræft hvert år. Det der er så farligt ved at får hudkræft er at, ved basalcellekræft bliver basalcellerne syge og det er disse celler der skal producere de nye hudceller, altså der bliver ikke lavet nok nye hudceller. Når man får pladecellekræft er det pladecellerne der bliver syge og dør. Pladecellerne er en vigtig del af overhuden, der er det øverste lag af huden. Det betyder altså at dele af overhuden dør. Og idet man ofte får pladecellekræft efter at man har fået basalcellekræft kan der ikke blive produceret nye. Vi har selvfølgelig tænkt os at lave dette produkt da vi mener at der er en fremtid i det. Vi har prøvet at lave noget der er meget alsidigt og som kan sælges i et antal der er bæredygtigt. Da den skal produceres til engangsbrug vil der komme et naturligt vedvarende salg og det vil samtidig holde produktionsomkostningerne nede således at selve produktet ikke bliver for dyrt. Vi har fokuseret meget på at lave produktet meget anvendeligt og har derfor også fundet frem til at det ville være praktisk at udvikle vores produkt så småt som muligt så det er nemt og handy at have med overalt. Den kunne eventuelt også produceres så den kan klistre og dermed sidde fast på nogle af de ting man har med steder som dem der står beskrevet ovenfor, eks på en køletaske eller på en solcreme-tube. Man kunne også forestille sig at pladen det UV reaktive stof sidder på kunne have en magnetisk effekt således at den ikke blot kan klistre men også kan sættes fast på almindelige metalting som vi omgiver os med. 4

5 Teori Hvad er lys? I hverdagen er vi konstant omgivet af lys, og lyset hjælper os til at opfatte de forskellige hverdagsting. Når lyset rammer en genstand, så reflekteres lyset forskelligt afhængig af tingens opbygning, og det sætter os i stand til at kende forskel på farverne. Men lyset er i virkeligheden ikke så simpelt at forstå. På stort plan bevæger lys sig bare helt retlinet, som vi alle kan forestille os, og kender til i hverdagen. Men hvis man zoomer tæt ind på lyset, og kun betragter begrænsede lysstråler i lille målestok, vil resultatet være et andet. Det viser sig, at lyset bevæger sig i bølger. Lys bevæger sig naturligvis også i bølger over store afstande, men her er det meget svært at observere, grundet det meget lille bølgeudslag i forhold til lysstrålen. Bølgemodellen for lys blev opdaget, da man undersøgte smalle lysstråler fra en laser. Man sendte laserstrålen igennem to spalter i et papir og gav så en figur på et papir bagved. Straks så man, at resultatet ikke var som man hidtil havde troet, nemlig ikke bare to oplyste punkter. Men i stedet fik man en lang række af oplyste punkter, hvor midterpunktet endda var langt tykkere end spalterne. Lyspunkter kan kun forklares hvis man betragter lys som en bølge, der interfererer med lyset fra den anden spalte. De steder hvor de to bølgetoppene eller bølgebundene mødes vil der opstå positiv interferens, som forstærker lysstrålen. De røde prikker illustrerer lyset, som sendes igennem en dobbeltspalte. De steder hvor de hvide bølgefronter (hvide streger) rammer hinanden opstår der positiv interferens. Lys optræder altså som bølger, men det viser sig samtidig, at lyset også har samme funktioner som partikler. Vi har i skolen lavet forsøg hvor en metalplade bliver opladt med en negativ ladning. Så retter vi en kviksølvlampe imod den og ladningen forsvinder. Den negative lad- 5

6 ning bliver fjernet ved at tilføje energi, og denne energi må nødvendigvis komme fra lyset. Altså kan lys også betragtes som en partikel der bærer energi. Det er denne energi fra lyset, som skal give udslaget på vores produkt. Det har altså vist sig at lys både har bølgeegenskaber og egenskaber som en partikel. Derfor har man aldrig været enig om hvad lys egentlig er. Det kan derfor meget vel være, at vi har brug for en helt ny type stof for at kunne beskrive lys fuldstændigt. Hvad er bølgelængde? Da lys altså er en bølge, må lyset også have en vis bølgelængde. Bølgelængden som skrives λ udtrykker afstanden mellem to nabopunkter. Altså punkter hvor bølgen er i samme tilstand. Det kan være bølgetoppe, bølgebunde eller et hvilket som helst andet punkt. Det lys som vi kan se er kun en meget lille del af den samlede mængde elektromagnetisk stråling. Det har nemlig vist sig at meget stråling passer ind i spektret. Lige fra radiolangbølger med en bølgelængde på over 10 3 m = 1 km til gammastråling med minimale bølgelængder, på kun m. Det elektromagnetiske spektrum. Det ses at det synlige lys er en endda meget lille del af den samlede stråling. 6

7 Hvordan er det synlige spektrum? Som det ses på figuren oven over, er bølgelængden for det synlige ikke stor. Gennem måling af bølgelængden for forskellig stråling, har man vurderet hvilke dele der kan kaldes synlig, og man har sat et spektrum op for det synlige lys: Helt præcist har man valgt at skalaen for synligt lys går fra 400 nm (violet) til 780 nm (rød). Indenfor disse to yderpunkter, ligger de andre farver (blå, grøn, gul, orange mm.), samt blandinger i mellem farverne. Det er altså bølgelængden der afgør hvilken farve vi ser. Det er i spektret med kortere bølgelængde end synligt lys, at UV lys er placeret. Hvad er UV lys? Ultraviolet lys (også UV lys, ultraviolet stråling eller UV stråling) er elektromagnetisk stråling som har kortere bølgelængde end synligt lys og længere end blød røntgenstråling. Ultraviolet lys dækker således bølgelængdeintervallet 380 nm - 10 nm. UV lys indvirker på mange biologiske og kemiske processer. UV lyset kan opdeles i tre forskellige typer: UVA, UVB og UVC lys. UVA har en bølgelængde på 400nm -320nm og bliver ikke stoppet af jordens ozon lager. UVA lys har en skadelig virkning på farvepigmentering, f.eks. billeder der har stået i solen over en længere periode (1år) vil man synligt kunne se der har været en virkning i form af mathed. UVA lys bruges også til at identificere f.eks. pengesedler og frimærker. UVB lys ligger i en bølgelængde der går fra 320 nm nm, hvoraf de meste bliver absorberet af ozonlageret. Det er en kombination af UVA og UVB lys der farlig for os mennesker. En sådan kombination vil ødelægge kollagenet i vores hud, og under længere tids udsættelse danne pigment i huden. Pigment tager dog nogle dage at få fremstillet og derved skal man passe ekstra på, hvis man ikke bruger nogen for beskyttelse. UVC lys ligger i spektret fra 290 nm til 100 nm, denne form for UV lys bliver fuldstændigt absorberet af vores ozonlager. Denne form for UV lys er ikke farlig for vores hud, da UVC lys ikke er i stand til at trænge igennem det døde lag af hudceller, der altid vil være på huden. Dog vil det være 7

8 skadeligt for øjnene under længere tids udsættelse. UVC lys bliver bl.a. brugt i speciel fremstillet lamper. Som sagt beskytter ozonlaget os mod for meget UV stråling fra solen. I ozonlaget bliver langt det meste filtreret fra. Hvis ikke det lag var der, ville det meste af det liv, vi kender, blive udslettet. Det værdifulde ozonlag kan ødelægges af forurening med undslupne luftarter fra industri, landbrug og almindelige forbrugsvarer. Man taler da om, at "huller i ozonlaget" vokser, og man kan måle den forøgede UV stråling. Bl.a. over sydpolen er der et større og større ozonhul, hvilket bevirker en opvarmning og dermed nedsmeltning af polen. Dette er højst problematisk for os lavt liggende lande. Hvis udviklingen fortsætter vil begge poler og grønlands indlands is smelte, og vil skabe katastrofale konsekvenser for verden. En blanding af UVA og UVB lys sammensat er som sagt skadelig for huden. Det er dette vi vil udnytte i vores produkt. UV lys er skadeligt over en længere periode. Men lyset har også en positiv effekt på kroppen. UV lys får huden til at lave det livs nødvendige D-vitamin (vedligeholdelse af knogler). UV følsomme stoffer: Forskellige materialer og stoffer reagerer på UV lys. Nogle stoffer vi kender i hverdagen er f.eks. flourecerende stoffer der bl.a. findes i perler, pengesedler og mange forskellige kemiske stoffer. For at tage et eksempel så er phosphorescence et stærkt flourecerende stof jf. billede. Her er phosphorescence set under forskellige former for belysning, fra højre: normalt lys, langbølget UV lys, i mørke. 8

9 Forsøg Forsøg med kenin Et andet stof der også reagerer på UV lys er kenin som bl.a. bliver brugt i forskellige læskedrikke. Schweppes er den førende producent af tonic water. Vi forsøgte os frem ved selv at prøve. Så vi købte en Schweppes i den nærmeste butik. Og brugte skolens kemilokale til forsøget. Her hældte vi noget fra flasken op og belyste den, i et mørkebelagt rum, med UV lys. Vi brugte her kort- og langbølget UV lys, dvs. UVC og UVA lys. Resultatet blev dog ganske ens. Forsøget viste os at kenin ikke reagerer forskelligt på UV lys, men derimod forblev den samme oplyste farve. Kenin har molekylformlen C 20 H 24 N 2 O 2. Kenin kan påvirker mennesker med en allergisk reaktion, og i helt ekstrem sjældne tilfælde medføre døden. Her er tonic vandet oplyst af UV lyset. Sølvchlorid forsøg Formålet ved forsøget er at fremstille Sølvklorid (AgCl) ved hjælp af saltsyre og så for at vise at sølvklorid er lysfølsomt. 9

10 Apparatur og kemikalier: Reagensglas Tragt Filterpapir Kronisk kolbe Saltsyre 4M Sølvnitrat opløsning (0,1 M) Forsøgsgang: Først skal der hældes der 5 ml saltsyre op i et reagensglas, hvorefter der tilsættes ca. 1 ml sølvnitrat. Der dannes bundfald (AgCl) ved blandingen. Filterpapiret foldes og lægges i tragten som placeres på en kronisk kolbe. Ved at lade ens blanding løbe igennem filteret vil bundfaldet filtreres fra. Der lægges så filtrepapirer med bundfald, f.eks. ved vindueskarmen og i skabet, for så at kunne se forskel på stoffet. Vi valgte også at lave at putte bundfald på et stykke filterpapir, og placere det under en tændt UV lampe. Iagttagelse: Vi placerede sølvchloridprøve nummer 1 under en kasse så den absolut ikke blev udsat for lys. Nummer 2 placerede vi i vindueskarmen, og 3 under UV lys. Det var muligt efter kort tid at se forskel på filterpapirerne. Vi så at papiret fra skabet stort set ikke havde ændret farve, mens de to andre, især nr. 3 havde haft en kraftig farveændring. Altså er sølvchlorid lysfølsomt. Vi kan desuden konkludere at det er over for UV lys sølvchlorid er følsomt. Her er de færdige prøver, hvor farveforskellen klart kan ses. Fra venstre er det nr. 1, 2 og til sidst 3. 10

11 Lysintensitetsmålings forsøg Formålet med målingen er at få et overblik over hvor stor intensiteten er i sollys. Apparaturet: Pyranometer Termosøjle Multimeter Halogen lampe (500 W) Forsøgsgang: 1. del Først skulle vi kalibrere vores måleapparat (Termosøjle, ses til højre) ved at bruge pyranometret. Vi forbandt pyranometret til multimetret for at kunne måle strømstyrken pyranometret kunne levere (ses til højre). Denne første måling forgik udendørs hvor der var stærkere lys end indenfor selv om det dog var temmelig overskyet den dag. Efter at havde fortaget målingen med pyranometret skulle vi måle med termosøjlen. 2. del Da det var så overskyet at det ikke var muligt at få nogle gode målinger blev vi også nødt til at fortage en måling med termosøjlen på en halogen lampe. Termosøjlen blev placeret 20 cm væk fra lampen. 3. del Det sammen fortages med en kviksølvlampe. Resultatbehandling: Termosøjle Pyranometer Sol lys 0,3 mv 25,8 mv Halogen lampe 93,5 mv Kviksølvlampe 0,7 mv 11

12 For at udregne intensiteten af lyset skal der først gøres brug af pyrometret hvis kalibrerings konstant var: 144 mv = 1 kw / m 2 dvs. sollys intensitet: 25,8 mv / 144 mv = 0,1792 => 0,1792 kw / m 2 Med termosøjlen måles lyset til 0,3 mv så for at finde 1 mv svarer til: 0,1792 * 0,333 mv = 0,5972 kw / m 2 Halogenlampens intensitet: 93,5 mv * 0,5972 = 55,841 kw / m 2 Kviksølvlampens intensitet: 0,7 mv * 0,5972 = 0,4181 kw / m 2 Samarbejde i gruppen Arbejdet i gruppen har været godt og produktivt. Vi har kunnet supplere hinanden med vores forskellige kompetencer. Der har både været et kreativt samarbejde men også en arbejdsdeling således at vi i gruppen også har arbejdet selvstændigt. Blandt andet er denne rapport udarbejdet som en arbejdsdeling mere end et reelt samarbejde. Selve idéfasen er foregået som et samarbejde hvor vi sammen har fundet frem til en idé vi mente ville være konkurrencedygtig og mulig at udvikle. Vi kom alle med forskellige input som var med til at bringe produktet til det der er omtalt i denne rapport. 12

13 Kildeliste Amtrup & Trinhammer; Obligatorisk Fysik; Gyldendals Boghandel; Gruppen Rungsted Gymnasium Stadion Allé Rungsted Kyst Telefon: z Scienceklasse Anders Lumbye Frederik Rønne Pachler Mads Reiter Jespersen Vu Nguyen Petersen 13