1. No category

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 Felix Nicolai Raben-­‐Levetzau Fag: Fysik 2014-­‐03-­‐21 1.d Lærer: Eva Spliid-­‐Hansen Spektrofotometeret opfanger med alle farver, samt at det indeholder bølgelængder, der ligger inde for den hhv. stråling, som mennesket ikke kan se (det ultraviolette, synlige og infrarøde del af det ultraviolette og det infrarøde). Et elektromagnetiske spektrum. Vi kan på sammenhængende spektrum af denne måde finde ud af, hvilke bølgelængder kaldes også for et kontinuert bølgelængder de forskellige lyskilders spektrum. Givet ved Wiens forskydningslov spektrum indeholder ved at holde antages det, at lys fra varmestråling har sin spektrofotometeret op foran vores lyskilde. maksimale intensitet ved bølgelængden Teorien bag lys λmax (λ: lambda = symbol for bølgelængde). Når man snakker om lyskilders virkemåde, En glødepære udsender fx lys via skelner man mellem varmestråling, varmestråling. I glødepæren opvarmes en absorption og emission. metaltråd (typisk af materialet wolfram) Varmestråling defineres, som værende den op, til den gløder, og her udsender den lys i stråling alle varme legemer udsender. et kontinuert spektrum. 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 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. kilde, der udsender lys via varmestråling, Niels Bohr (1885-­‐1962), en dansk fysiker udsender fotoner med bølgelænger i et helt og en af pionererne indenfor den moderne interval. Dette interval af bølgelængder kvantefysik, antog, at et atom kan eksistere strækker sig hele vejen fra det ultraviolette i forskellige stationære tilstande, hvor de til det infrarøde område. Det vil altså sige, ikke udsender nogen form for stråling. I at varmestråling indeholder bølgelængder hver stationær tilstand, ville atomet have en bestemt energi målt i eV (eV: 2 Felix Nicolai Raben-­‐Levetzau Fag: Fysik 2014-­‐03-­‐21 1.d Lærer: Eva Spliid-­‐Hansen elektronvolt = energienhed man ofte Bohr fandt frem til, at energiniveauerne i anvender indenfor atomfysik). Ud fra de forskellige stationære tilstande kunne denne antagelse opstillede han i 1913 en beregnes. 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 Energiniveaudiagram for hydrogenatomet, hvert energiniveau for en stationær tilstand er angivet i eV. Energiniveauerne for de forskellige tilstand med lav energi og derved emittere stationære tilstande kan således illustreres (udsende) en foton med høj energi og i et energiniveaudiagram. Tilstanden n=1 bestemt bølgelængde. 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 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. 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 Felix Nicolai Raben-­‐Levetzau Fag: Fysik 2014-­‐03-­‐21 1.d Lærer: Eva Spliid-­‐Hansen bølgelængder, har et såkaldt bølgelængden λmax, altså det sted i det absorptionsspektrum. 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 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. område. Dog kan jeg konstatere, at det kun er solen, der udsender fotoner med Mine resultater bølgelængder i det ultraviolette område. Da jeg undersøgte de forskellige lyskilder, Bølgelængden λmax for glødepæren og LED-­‐
kunne jeg observere klare ligheder og lampen er således: forskelle. Solen 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 Det spektrum jeg får, når jeg undersøger helium-­‐lampen, er et emissionsspektrum. λmax Den exciterede helium gas laver en Solen 498 nm vedvarende emission, der udsender 4 Felix Nicolai Raben-­‐Levetzau Fag: Fysik 2014-­‐03-­‐21 1.d Lærer: Eva Spliid-­‐Hansen fotoner med bestemte bølgelængder i infrarøde eller ultraviolette område. Jeg forskellige intervaller. Jeg kan ikke kan aflæse den exciterede gas’ vigtigste observere fotoner med bølgelængder i fotons bølgelængde ved at se på hverken det infrarøde eller ultraviolette bølgelængde med højest intensitet i område. Jeg kan aflæse den exciterede emissionsspektrummet. heliumgas’ vigtigste fotoners bølgelængde Ukendt A ved at se på bølgelængderne med højest λ1 589 nm intensitet i emissionsspektrummet. Ukendt B Helium λ1 486 nm λ2 588 nm λ3 658 nm λ4 708 nm Når jeg ser på spektrummet for hhv. hydrogen-­‐lampen og sparepæren, kan jeg observere, at de også udsender lys i et Det spektrum jeg får, når jeg undersøger emissionsspektrum. lyskilden Ukendt B, er et Ukendt A 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 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 exciterede gas’ vigtigste fotoners bølgelængde ved at se på bølgelængderne med højest intensitet i emissionsspektrummet. 5 Felix Nicolai Raben-­‐Levetzau Fag: Fysik 2014-­‐03-­‐21 1.d Lærer: Eva Spliid-­‐Hansen Ukendt B og det kan have betydet, at jeg ikke har λ1 403 nm kunnet finde den præcise λmax. λ2 435 nm λ3 545 nm Hvad kan vi se og diskutere? λ4 577 nm På baggrund af min indsamlede data, kan Er der noget, der kan have påvirket min jeg konkludere, at der er nogle helt undersøgelse? måde lyskilder frembringer lys på. Solen og I min undersøgelse er der forskellige glødepæren udsendte lys gennem fejlkilder og usikkerheder, der kan have varmestråling i et kontinuert spektrum. påvirket de resultater, jeg har fået. Da jeg Disse lyskilder udsender fotoner med brugte spektrofotometeret til at undersøge bølgelængder i et helt interval, og der de forskellige lyskilder, sørgede jeg ikke udsendes også fotoner med bølgelængder i for, at alt overflødigt lys fra lokalet, den infrarøde del af det elektromagnetiske vinduerne og lamperne i loftet var skærmet spektrum, samt at Solen også udsendte af. Dette kan have påvirket nøjagtighed af fotoner med bølgelængder i den målte fotoners bølgelængder, samt at det ultraviolette del. LED-­‐pæren viser også et kan have betydet, at vi kunne se kontinuert spektrum, der udsender fotoner bølgelængder i spektrummet, som ikke med bølgelængde i et helt interval. I vores burde være der. Spektrofotometeret kan resultater, kan vi se, at LED-­‐lampen også have været gammelt eller beskadiget, og udsender fotoner med bølgelængder i den det kan have betydet, at det målte forkerte infrarøde del af det elektromagnetiske bølgelængder. Spektrofotometeret kan ikke spektrum. Derfor skulle man umiddelbart have været ordentligt kalibreret inden gå ud fra, at en LED-­‐lampe udsender lys forsøgets start, dette kan også have via. varmestråling, men det gør den ikke. påvirket nøjagtigheden af de målte LED-­‐lampen er nemlig en hel tredje form bølgelængder og evt. give fejlresultater for lys, der udsender et hvidt lys gennem mht. bølger i det hhv. infrarøde og lysdioder, og det er dette hvide lys, der ultraviolette område. Hvis jeg har holdt skaber det kontinuere spektrum. spektrofotometeret for tæt på lyskilden, Sparepæren, helium-­‐lampen og kan den have opfanget en for høj intensitet, hydrogenlampen derimod udsendte deres væsentlige karakteristiske forskelle på den lys i emissionsspektrum. Det vil sige, at de i 6 Felix Nicolai Raben-­‐Levetzau Fag: Fysik 2014-­‐03-­‐21 1.d Lærer: Eva Spliid-­‐Hansen modsætning til solen og glødepæren lykkebringende, der har indflydelse på mig udsendte fotoner med bestemte hver dag. Det er lyset fra solen, der vækker bølgelængder i forskellige intervaller. Den mig om morgenen. Dens varmestråling exciterede gas i lyskilderne forsagede en udsender lys ned mod mig, der med sin vedvarende emission af fotoner. Hver af infrarøde stråling varmer mig, lyser min disse lyskilder udsendte hver deres fotoner verden op for mig med fotoner fra det med bestemte bølgelængder, man kan synlige spektrum og ja, endda gør mig brun derfor mene, at et atoms linjespektre om sommeren med sin ultraviolette fungerer som atomets ”fingeraftryk”. De stråling. Samtidigt er lys noget ukendte lyskilder A og B kan man derfor livsnødvendigt for os, vi har brug for lyset identificere vha. af en databogs til at kunne fungere i vores hverdag. tabelværdier. Den ukendte lyskilde A havde Indendørsbelysning skabt af en glødepære bølgelængden λmax 589 nm, og hvis man kan virke varmere og rarere at være badet kigger i databogen, kan man se, at i, eftersom at det udsendt gennem grundstoffet natrium udsender fotoner varmestråling, der har et kontinuert med bølgelængden λ 587 nm af høj spektrum. Lyset fra en sparepære kan intensitet. Derfor vil jeg identificere derimod virke skarpt og kynisk og derved lyskilde Ukendt A som værende ubehageligt at være badet i, da det grundstoffet natrium. Den ukendt lyskilde udsender lys ved af emittere fotoner med B, udsendte derimod 4 forskellige fotoner bestemte bølgelængder og derfor kun kan med en bestemt bølgelængde af høj skildre få farver i dets emissionsspektrum. intensitet. De var hhv. λ1 403 nm, λ2 435 Man skal dog huske på, at menneskets nm, λ3 545 nm og λ4 577 nm. Hvis jeg kigger forbrug af lys kan have konsekvenser for i databogen, kan jeg se, at grundstoffet samfundet. Kun 3% af en glødepæres kviksølv udsender fotoner med elektromagnetiske energi går til at udsende bølgelængderne λ 404 nm, λ 434 nm, λ 546 fotoner med bølgelængder inden for den nm og λ 576 nm. Jeg vil derfor identificere synlige del af det elektromagnetiske lyskilden Ukendt B som værende spektrum, resten af energien går til at grundstoffet kviksølv. udsende fotoner med bølgelængder Men hvordan påvirker lys så mennesker? indenfor den infrarøde del. Det er derfor Personligt opfatter jeg lys som noget meget miljøbelastende, hvis størstedelen af samfundet bruger glødepærer, som deres 7 Felix Nicolai Raben-­‐Levetzau Fag: Fysik 2014-­‐03-­‐21 1.d Lærer: Eva Spliid-­‐Hansen 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