Felix Nicolai Raben- Levetzau Fag: Fysik 2014-03- 21 1.d Lærer: Eva Spliid- Hansen Undersøgelse af lyskilder bølgelængde mellem 380 nm til ca. 740 nm (nm: nanometer = milliardnedel af en meter), samt at det er det eneste, vi kan se fra det elektromagnetiske spektrum. Altså er alle farver, som vi kan se med det blotte øje, en del af spektrummet for synligt lys. Af Felix Nicolai Raben- Levetzau, 16 år og elev på Ordrup Gymnasium i Charlottenlund Hvad er lys? Undrer du dig også nogle gange over, om der er forskel på lys? Jo ser du, alle former for lys kommer fra en lyskilde som fx en lampe i din dagligstue, en lommelygte i garagen og ja, selv endda solen. Alle lyskilder har hvert deres spektrum af lys. Et spektrum består af fotoner - også kaldet lyspartikler, med forskellige bølgelænger. Disse fotoner bevæger sig med lysets hastighed, som igennem luft er på ca. 300.000.000 m/s. Fotonernes bølgelængde bestemmer den farve, fotonen har, og hver bølgelængde sendes af sted med forskellige frekvenser, der angiver bølgelængdens Her ses en tabel for alle farverne i spektrummet for synligt lys samt deres vakuumbølgelængde (vakuum: frit luftrum) angivet i nm og deres frekvens angivet i THz (THz: Terahertz = 1.000.000.000.000 svingninger pr. sekund). Det ses her, hvordan at fotonernes bølgelængder i spektrummet for synligt lys bevæger sig mellem 380 nm til 740 nmm. Mit formål I denne artikel vil jeg altså lave et forsøg med formålet at undersøge forskellige former for lys for at finde ud af, om der er forskel på den måde lyskilder udsender lys på samt at identificere to ukendte lyskilder. svingninger pr. sekund i enheden I mit forsøg har jeg undersøgt følgende Hz(Hertz). Altså vil fx farven rød bestå af lyskilder: en glødepære, en sparepære, fotoner med én bestemt bølgelængde. Alt solen, en helium- lampe, en hydrogenlampe, det lys, som vi med det blotte øje kan se, et LED- lys samt 2 ukendte lyskilder A og B. betegnes synligt lys. Synligt lys defineres Jeg har undersøgt lyskilderne vha. af et som værende alt lys, der har en instrument kaldet et spektrofotometer. 1
Spektrofotometeret opfanger bølgelængder, der ligger inde for den hhv. ultraviolette, synlige og infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Vi kan på denne måde finde ud af, hvilke bølgelængder de forskellige lyskilders spektrum indeholder ved at holde spektrofotometeret op foran vores lyskilde. Teorien bag lys Når man snakker om lyskilders virkemåde, skelner man mellem varmestråling, absorption og emission. Varmestråling defineres, som værende den stråling alle varme legemer udsender. Varmestråling er den del af det elektromagnetiske spektrum kaldet infrarød stråling. Menneskekroppen udsender fx infrarød stråling. Det kan du mærke ved at lægge din hånd på din kind, pande eller nakke. Den varme, som du kan mærke, er infrarød stråling. Infrarød stråling kan ikke ses med det blotte øje. Et legeme, der har en temperatur på nogle tusinde grader, udsender en del af dens varmestråling som synligt lys. Lyset fra en kilde, der udsender lys via varmestråling, udsender fotoner med bølgelænger i et helt interval. Dette interval af bølgelængder strækker sig hele vejen fra det ultraviolette til det infrarøde område. Det vil altså sige, at varmestråling indeholder bølgelængder med alle farver, samt at det indeholder stråling, som mennesket ikke kan se (det ultraviolette og det infrarøde). Et sammenhængende spektrum af bølgelængder kaldes også for et kontinuert spektrum. Givet ved Wiens forskydningslov antages det, at lys fra varmestråling har sin maksimale intensitet ved bølgelængden λmax (λ: lambda = symbol for bølgelængde). En glødepære udsender fx lys via varmestråling. I glødepæren opvarmes en metaltråd (typisk af materialet wolfram) op, til den gløder, og her udsender den lys i et kontinuert spektrum. Her ser vi et eksempel på varmestråling, der udsender lys i et kontinuert spektrum. I grafen ser vi spektrummets bølgelængder ud af x- aksen og bølgelængdernes intensitet ud af y- aksen. Bølgelængderne strækker sig i et helt interval og har sin maksimale intensitet ved bølgelængden λmax ved ca. 560 nm. Niels Bohr (1885-1962), en dansk fysiker og en af pionererne indenfor den moderne kvantefysik, antog, at et atom kan eksistere i forskellige stationære tilstande, hvor de ikke udsender nogen form for stråling. I hver stationær tilstand, ville atomet have en bestemt energi målt i ev (ev: 2
elektronvolt = energienhed man ofte anvender indenfor atomfysik). Ud fra denne antagelse opstillede han i 1913 en atommodel kaldets Bohrs Atommodel. Atommodellen beskriver to måder, hvorpå at en atom kan springe fra én stationær tilstand til en anden. Den ene kaldes absorption,e og er defineret ved, at et atom kan optage en foton med høj energi og en bestemt bølgelængde og derved springe til en stationær tilstand med højere energi. Den anden kaldes emission og er defineret ved, at et atom kan springe fra en stationær tilstand med høj energi til en stationær tilstand med lav energi og derved emittere (udsende) en foton med høj energi og bestemt bølgelængde. Her vises det, hvordan at elektronen i et hydrogenatom skifter bane i takt med, at atomet hhv. emitterer eller absorberer en foton, og atomet går fra en stationær tilstand til en anden. Elektronen kan ikke befinde sig imellem to baner, da den kun kan høre til en stationær tilstand. Bohr fandt frem til, at energiniveauerne i de forskellige stationære tilstande kunne beregnes. Energiniveaudiagram for hydrogenatomet, hvert energiniveau for en stationær tilstand er angivet i ev. Energiniveauerne for de forskellige stationære tilstande kan således illustreres i et energiniveaudiagram. Tilstanden n=1 kaldes grundtilstanden, og det er den tilstand, der har den lavest mulige energi. Ved hhv. emission og absorption kan atomet altså hoppe mellem de forskellige energiniveauer. Hvis atomet tilføres den tilstrækkelige mængde energi, der svarer til atomets grundtilstand, vil atomets energi være højere en 0, og elektronen vil derved være frigjort fra kernen. Når atomet befinder sig i denne tilstand, kaldes det for exciteret. En varm exciteret gas, der udsender lys ved emission af fotoner med bestemte bølgelængder, har et såkaldt emissionsspektrum. En kold gas derimod, der absorbere lys med bestemte 3
bølgelængder, har et såkaldt absorptionsspektrum. Her ses et eksempel på et hhv. emissionsspektrum fra en exciteret gas, der udsender fotoner med bestemte bølgelængder, og et absorptionsspektrum fra en kold gas, der absorbere fotoner med bestemte bølgelængder. Mine resultater Da jeg undersøgte de forskellige lyskilder, kunne jeg observere klare ligheder og forskelle. Solen bølgelængden λmax, altså det sted i det kontinuerte spektrum hvor der er den maksimale intensitet, får jeg en bølgelængde på 498 nm. Jeg kan ud fra disse analyser se, at solen udsender varmestråling. Ser jeg på LED- lampen og glødepæren, udsendes bølgelængderne også i et helt interval, og jeg kan observere fotoner med bølgelængder i det infrarøde område. Dog kan jeg konstatere, at det kun er solen, der udsender fotoner med bølgelængder i det ultraviolette område. Bølgelængden λmax for glødepæren og LED- lampen er således: λmax Glødepære 633 nm LED- lampe 540 nm Jeg kan ud fra disse analyser se, at LED- lampen og glødepæren også udsender varmestråling i et kontinuert spektrum. Helium Det spektrum jeg får, når jeg undersøger solen, kan man se, er et kontinuert spektrum. Bølgelængderne udsendes i et helt interval, og jeg kan observere, at solen også udsender fotoner i den ultraviolette og den infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Aflæser jeg λmax Solen 498 nm Det spektrum jeg får, når jeg undersøger helium- lampen, er et emissionsspektrum. Den exciterede helium gas laver en vedvarende emission, der udsender 4
fotoner med bestemte bølgelængder i forskellige intervaller. Jeg kan ikke observere fotoner med bølgelængder i hverken det infrarøde eller ultraviolette område. Jeg kan aflæse den exciterede heliumgas vigtigste fotoners bølgelængde ved at se på bølgelængderne med højest intensitet i emissionsspektrummet. Helium λ1 λ2 λ3 λ4 486 nm 588 nm 658 nm 708 nm Når jeg ser på spektrummet for hhv. hydrogen- lampen og sparepæren, kan jeg observere, at de også udsender lys i et emissionsspektrum. Ukendt A Det spektrum jeg får, når jeg undersøger lyskilden Ukendt A, er et emissionsspektrum. En exciteret gas laver en vedvarende emission, der udsender én foton med en bestemt bølgelængde. Jeg kan ikke observere fotoner med bølgelængder i hverken det infrarøde eller ultraviolette område. Jeg kan aflæse den exciterede gas vigtigste fotons bølgelængde ved at se på bølgelængde med højest intensitet i emissionsspektrummet. Ukendt A λ1 589 nm Ukendt B Det spektrum jeg får, når jeg undersøger lyskilden Ukendt B, er et emissionsspektrum. En exciterede gas laver en vedvarende emission, der udsender fotoner med bestemte bølgelængder i forskellige intervaller. Jeg kan ikke observere fotoner med bølgelængder i hverken det infrarøde eller ultraviolette område. Jeg kan aflæse den exciterede gas vigtigste fotoners bølgelængde ved at se på bølgelængderne med højest intensitet i emissionsspektrummet. 5
λ1 λ2 λ3 λ4 Ukendt B 403 nm 435 nm 545 nm 577 nm Er der noget, der kan have påvirket min undersøgelse? I min undersøgelse er der forskellige fejlkilder og usikkerheder, der kan have påvirket de resultater, jeg har fået. Da jeg brugte spektrofotometeret til at undersøge de forskellige lyskilder, sørgede jeg ikke for, at alt overflødigt lys fra lokalet, vinduerne og lamperne i loftet var skærmet af. Dette kan have påvirket nøjagtighed af målte fotoners bølgelængder, samt at det kan have betydet, at vi kunne se bølgelængder i spektrummet, som ikke burde være der. Spektrofotometeret kan have været gammelt eller beskadiget, og det kan have betydet, at det målte forkerte bølgelængder. Spektrofotometeret kan ikke have været ordentligt kalibreret inden forsøgets start, dette kan også have påvirket nøjagtigheden af de målte bølgelængder og evt. give fejlresultater mht. bølger i det hhv. infrarøde og ultraviolette område. Hvis jeg har holdt spektrofotometeret for tæt på lyskilden, kan den have opfanget en for høj intensitet, og det kan have betydet, at jeg ikke har kunnet finde den præcise λmax. Hvad kan vi se og diskutere? På baggrund af min indsamlede data, kan jeg konkludere, at der er nogle helt væsentlige karakteristiske forskelle på den måde lyskilder frembringer lys på. Solen og glødepæren udsendte lys gennem varmestråling i et kontinuert spektrum. Disse lyskilder udsender fotoner med bølgelængder i et helt interval, og der udsendes også fotoner med bølgelængder i den infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum, samt at Solen også udsendte fotoner med bølgelængder i den ultraviolette del. LED- pæren viser også et kontinuert spektrum, der udsender fotoner med bølgelængde i et helt interval. I vores resultater, kan vi se, at LED- lampen også udsender fotoner med bølgelængder i den infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Derfor skulle man umiddelbart gå ud fra, at en LED- lampe udsender lys via. varmestråling, men det gør den ikke. LED- lampen er nemlig en hel tredje form for lys, der udsender et hvidt lys gennem lysdioder, og det er dette hvide lys, der skaber det kontinuere spektrum. Sparepæren, helium- lampen og hydrogenlampen derimod udsendte deres lys i emissionsspektrum. Det vil sige, at de i 6
modsætning til solen og glødepæren udsendte fotoner med bestemte bølgelængder i forskellige intervaller. Den exciterede gas i lyskilderne forsagede en vedvarende emission af fotoner. Hver af disse lyskilder udsendte hver deres fotoner med bestemte bølgelængder, man kan derfor mene, at et atoms linjespektre fungerer som atomets fingeraftryk. De ukendte lyskilder A og B kan man derfor identificere vha. af en databogs tabelværdier. Den ukendte lyskilde A havde bølgelængden λmax 589 nm, og hvis man kigger i databogen, kan man se, at grundstoffet natrium udsender fotoner med bølgelængden λ 587 nm af høj intensitet. Derfor vil jeg identificere lyskilde Ukendt A som værende grundstoffet natrium. Den ukendt lyskilde B, udsendte derimod 4 forskellige fotoner med en bestemt bølgelængde af høj intensitet. De var hhv. λ1 403 nm, λ2 435 nm, λ3 545 nm og λ4 577 nm. Hvis jeg kigger i databogen, kan jeg se, at grundstoffet kviksølv udsender fotoner med bølgelængderne λ 404 nm, λ 434 nm, λ 546 nm og λ 576 nm. Jeg vil derfor identificere lyskilden Ukendt B som værende grundstoffet kviksølv. Men hvordan påvirker lys så mennesker? Personligt opfatter jeg lys som noget lykkebringende, der har indflydelse på mig hver dag. Det er lyset fra solen, der vækker mig om morgenen. Dens varmestråling udsender lys ned mod mig, der med sin infrarøde stråling varmer mig, lyser min verden op for mig med fotoner fra det synlige spektrum og ja, endda gør mig brun om sommeren med sin ultraviolette stråling. Samtidigt er lys noget livsnødvendigt for os, vi har brug for lyset til at kunne fungere i vores hverdag. Indendørsbelysning skabt af en glødepære kan virke varmere og rarere at være badet i, eftersom at det udsendt gennem varmestråling, der har et kontinuert spektrum. Lyset fra en sparepære kan derimod virke skarpt og kynisk og derved ubehageligt at være badet i, da det udsender lys ved af emittere fotoner med bestemte bølgelængder og derfor kun kan skildre få farver i dets emissionsspektrum. Man skal dog huske på, at menneskets forbrug af lys kan have konsekvenser for samfundet. Kun 3% af en glødepæres elektromagnetiske energi går til at udsende fotoner med bølgelængder inden for den synlige del af det elektromagnetiske spektrum, resten af energien går til at udsende fotoner med bølgelængder indenfor den infrarøde del. Det er derfor meget miljøbelastende, hvis størstedelen af samfundet bruger glødepærer, som deres 7
hovedsagelige belysning. Derudover er kviksølvsforurening ved fremstilling af lysstofrør og sparepære et kæmpe problem. Kviksølvsforurening i jorden er fx stærkt giftigt for plante- og dyrelivet. Så på mange måder kan man sige, at lys har en kæmpe indflydelse på mennesker. Om indflydelsen skal være positiv eller negativ er op til dig og dine valg. Så undrer du dig også nogle gange over, om der er forskel på lys? Jo ser du, det kan du bande på, at der er. 8