Jakub Knurek

Temat: Pomiar natężenia światła. Wyznaczanie widma promieniowania różnych źródeł światła.

Definicje:

Światło posiada dwojaką budowę. Może być falą, albo korpuskułą. Za pierwszą hipotezą przemawiają zjawiska odbicia, ugięcia, załamania, interferencji i polaryzacji, zaś druga wsparta jest na dwóch filarach, tudzież podwalinach, za które możemy uznać efekt Comptona i zjawisko fotoelektryczne. Na użytek tego doświadczenia przyjmiemy jednak, że światło zachowuje się jako fala; więcej, nazwiemy ją falą elekromagnetyczną. Taka definicja ma swój sens, ponieważ ta fala przenosi energię za pośrednictwem rozchodzących się w przestrzeni zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych. Jak dobrze wiem zaburzenie jednego z pól wpływa na powstanie drugiego zmiennego pola (w wyniku strat energii z tym związanych, nie możemy, niestety, klasyfikować tego zjawiska jako perpetuum mobile).

Ale, konkretnie. Nasuwa się pytanie, co może być źródłem światła? Dla nas naturalne jest światło słoneczne. Naukowcy zaobserwowali, że bez oddziaływania tej gwiazdy niemożliwe byłoby życie na Ziemi. Zresztą motyw Słońca pojawia się w historii ludzkości od niepamiętnych czasów. Wystarczy wspomnieć, że już w starożytnym Egipcie czczony był Bóg-Słońce, Re, a w Mezopotamii jego rolę pełnił Baal. Również w cywilizacji judaistycznej wykształciło się zrównanie światła z dobrem (Ps 27, 2), a ciemności ze złem (Mk 15, 29). Odbiegłem jednak od meritum. Za źródło światła uważamy najczęściej pewne ciało, które generuje odpowiednio wysoką temperaturę i świeci (np. wspomniane wcześniej Słońce, inne gwiazdy, włókno żarówki, itd.). Ciekawą obserwacją jest fakt, że ciało ogrzane do 770 stopni w skali Kelwina zaczyna świecić, tj. wysyła takie promieniowanie, które ludzkie oko potrafi oczytać jako bodzieć świetlny. W zależności od rodzaju źródła, różna jest procentowa ilość wydzielonej energii w postaci światła. Na innej zasadzie działają lampy luminescencyjne, czy neonowe. Przepuszcza się przez nie prąd, który pobudza cząsteczki gazu do świecenia.

Fala elektromagnetyczna charakteryzuje się następującymi cechami:

• długość fali - l

• częstotliwość oscylacji - n

• prędkość rozchodzenia się w ośrodku - V

Oczywiście da się zapisać równanie za pomocą tych danych:

V = n l

Vmax = c = 2,99 * 10 m * s

Widmo promieniowania to kolejna cecha charakterystyczna dla źródła promieniowania. Określa ono ilościowy rozkład całkowitego promieniowania na fale różnych długości. Wyróżniamy następujące zakresy fal:

• fale radiowe – zakres od 10 do potęgi -4 do 10 do potęgi 4

• fale optyczne – zakres od 10 do potęgi -9 do 10 do potęgi -4

  • podczerwień (UV) – zakres od 780 nm do 20 mm

  • fale widzialne (VIS) – zakres od 380 do 780 nm

  • nadfiolet (IR) – zakres od 1 do 380 nm

• fale Roentgena – zakres od 10 do potęgi -12 do 10 do potęgi -9 metra

• promienie gamma – zakres od 10 do potęgi -14 do 10 do potęgi -12 metra

Rozpatrywać będziemy głównie zakres światła widzialnego.

W opozycji do falowej teorii światła stoi, jak wspomniałem na początku, rozpatrywanie tajemnic światła w kategoriach korpuskuły. Uznajemy, że w takim wypadku światło jest kwantem promieniowania (fotonami). Energia (E) takiej „paczki” jest ściśle związana z częstotliwością (n):

E = h * n = h * c / l

Współczynnik proporcjonalności (h) jest równy dla wszystkich rodzajów promieniowania elektromagnetycznego i wynosi h = 6,626 * 10 .

Jest to tzw. stała Plancka i wyraża się jednostką dżul razy sekunda [Js].

Z powyższego równania wynika, że energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości i odwrotnie proporcjonalna do długości fali światła. Można więc zauważyć, że im większa długość fali światła, tym mniejszą posiada energię, co samo w sobie brzmi racjonalnie. Rozszerzenie tego wzoru pozwala nam na określenie wartości energii, którą niesie wiele fotonów.

N – jeden mol fotonów – liczba Avogadra = 6,023 * 10

E = N * E1 = N * h * c / l

n – dowolna liczba moli elektronów

E = n * N * E1 = n * 6,023 * 10 * h * c / l

Filtr – płytka przepuszczająca światło wyłącznie o określonym, zmierzalnym, zakresie długoście fal. Wyróżniamy trzy główne rodzaje filtrów: dyfrakcyjne, interferencyjne i absorpcyjne (podział ze względu na proces zachodzący dzięki filtrowi). My będziemy używać filtrów barwnych z maksimami przepuszczalności dla następujących długości fal: 390, 430, 490, 525, 580, 650, 670 nm.

Fotomeria – dział fizyki (ściśle rzecz ujmując optyki), zajmujący się oceną źródeł światła pod względem ich zdolności do oświetlania przedmiotów. Podstawowym urządzeniem, pozwalającym na określenie gęstości mocy promieniowania jest radiometr, który podaje wartości w jednostkach [W / m ]. Sam pomiar wykonamy za pomocą kwantometru, czułego w zakresie 400-700 nm. Kwantometr to urządzenie podobne do radiometru, jednak pozwala on zmierzyć gęstość strumienia fotonów. Jest to pożyteczna zmiana, gdyż znając gęstość strumienia fotonów (kwantów) i długość fali, jesteśmy w stanie określić energię, jaką w sobie niosą.

Samo ćwiczenie charakteryzuje się niezbyt skomplikowanym przebiegiem. Wpierw należy wyznaczyć widmo promieniowania lamp diodowych. Oczywiście do tego potrzebne będą odpowiednie barwne filtry (przesłony), które zapewnią nam odpowiednie wyniki. Następnie podobne pomiary należy wykonać w pomieszczeniu hodowlanym, by sprawdzić widma promieniowania zastosowanej tam do uprawy roślin lampy sodowej. Po tym czeka nas zadanie . Musimy sprawdzić zależność pomiędzy odległością od lampy sodowej, a natężeniem promieniowania tejże lampy. Uwaga! Nie należy zbliżać kwantometru zbyt blisko lampy, gdyż może on ulec zniszczeniu (zalecana jest odległość początkowa 30 cm). Na zakończenie doświadczenia, opcjonalnie, można zmierzyć natężenie światła na parapecie okiennym w pracowni oraz na korytarzu. Wiedząc, że w słoneczny, letni dzień intensywność oświetlenia wynosi 100 000 lx (luxów), w pochmurny, 1000 lx, zaś na korytarzach i schodach maksimum wynosi 20 lx, można wysnuć odpowiednie wnioski. Na korytarzach jest niższe natężenie światła niż na zewnątrz. Przebywajmy więc jak najczęściej na dworze. Tym optymistycznym stwierdzeniem chciałbym zakończyć wprowadzenie.

Wyniki doświadczenia przedstawione na kolejnych stronach.