Spektra běžných světelných zdrojů
Pokus číslo: 1839
Cíl pokusu
Cílem je porovnat spektra čtyř běžných světelných zdrojů – Slunce, klasické žárovky s wolframovým vláknem, kompaktní zářivky a LED žárovky.
Teorie
Základní funkční součástí spektrometru je difrakční mřížka, která rozdělí přicházející záření na jednotlivé vlnové délky; elektronika pak vyhodnotí, jak intenzivní je složka odpovídající každé vlnové délce. Typově odlišná spektra dávají informaci o způsobu vzniku světla, který se v našich zdrojích liší:
Slunce:
Sluneční záření lze s dobrou aproximací považovat za záření absolutně černého tělesa o teplotě cca 5800 K, čemuž odpovídá spojité spektrum s maximem vyzařování ve viditelné oblasti na vlnové délce cca 500 nm. Více o modelu absolutně černého tělesa a jeho záření naleznete v dokumentu Experimentujeme s termovizní kamerou.
Žárovka:
Srdcem klasické žárovky je wolframové vlákno, které se průchodem elektrického proudu zahřeje na teplotu přibližně 2500 °C. Vyzařované spektrum se opět blíží spojitému vyzařování absolutně černého tělesa, nyní s maximem v infračervené oblasti na vlnových délkách blízkých 1 µm.
Kompaktní zářivka (compact fluorescent lamp = CFL):
Kompaktní zářivky jsou technologicky podobné výbojkám popsaným v pokusu Čárové spektrum výbojek. Uvnitř zářivek se nachází plyn (typicky páry rtuti a argon), ve kterém dochází k převážně ultrafialovému doutnavému výboji. Stěny zářivek jsou pokryty luminoforem, který absorbuje vzniklé UV záření a emituje ve viditelné oblasti. Získané spektrum má čárový charakter a obsahuje typicky několik výrazných píků.
LED žárovka:
Starší diodová svítidla využívají při tvorbě bílého světla tři diody dle RGB modelu (tj. na základě aditivního míšení barev). Novější LED žárovky pak obsahují modrou nebo UV diodu, jejíž záření je luminoforem převáděno na viditelné světlo blízké bílé barvě. Spektrum kvalitnějších typů se blíží spektru klasické wolframové žárovky.
Pomůcky
Spektrometr připojený k počítači, zdroje světla (klasická žárovka, kompaktní zářivka, LED žárovka).
Ve vzorovém experimentu byl používán emisní spektrofotometr Vernier VSP-EM spolu s optickým vláknem, které přivádí světlo k detektoru uvnitř čidla.
Postup
Postupně zaznamenejte spektra uvedených světelných zdrojů. Pokud je spektrum přesycené (některé jeho části jsou na svislé ose „uříznuty“), vzdalte optické vlákno od zdroje.
Vzorové výsledky
Grafy níže ukazují vzorově naměřená data.
Slunce (obr. 2): Je zřejmé, že spektrum dobře odpovídá očekávanému průběhu s maximem kolem 500 nm.
Žárovka (obr. 3): Oproti slunečnímu spektru je maximum vyzařování klasické žárovky posunuto k delším vlnovým délkám. Tam, kde by ale mělo wolframové vlákno vyzařovat nejvíce, tedy v blízkém infračerveném oboru, ukazuje naměřený graf již značný pokles. Důvodem je snížená citlivost spektrometru v této oblasti – používaný spektrometr (stejně jako mnohá podobná zařízení, se kterými školy pracují) je nejcitlivější v oblasti kolem 500 nm, ale v infračervené oblasti jsou měření značně zkreslena.
Kompaktní zářivka (obr. 4): Čárové spektrum kompaktní zářivky.
LED žárovka: (obr. 5): Pro LED žárovky s bílým světlem je typický pík v modré oblasti spektra.
Technické poznámky
Experiment je vhodné provádět při zatemnění, kdy nejsou jeho výsledky ovlivňovány jinými zdroji světla; není to ale nezbytně nutné.
Optické vlákno, které přivádí světlo do spektrometru, je silně směrové, tj. zachytává dominantně záření objektu, na který je přímo namířeno.
Vzorově naměřené grafy mají na svislé ose relativní jednotky intenzity s rozsahem od 0 do 1. Pokud je na některých vlnových délkách tento rozsah přesycen, je křivka v hodnotě 1 „uříznutá“, ačkoliv reálně by měla zasahovat výše. V takovém případě stačí optické vlákno vzdálit od zdroje.
Jak plyne z předchozího bodu, naměřené hodnoty jsou ovlivněny vzdáleností optického vlákna od zdroje. Z „výšky“ grafu tedy nelze dělat žádné kvantitativní závěry o vlastnostech zdroje, naše porovnávání je čistě kvalitativní.
Místo LED žárovky můžete snadno využít také bílou svítivou diodu smartphonu, místo kompaktní zářivky běžnou lineární zářivku.
Metodické poznámky
V případě klasické žárovky si pozorní studenti rychle povšimnou, že v blízké infračervené oblasti je detekováno mnohem méně záření, než by mělo být. Je vhodné zdůraznit, že tento rozpor je dán nízkou citlivostí spektrometru v této spektrální oblasti a že klasická žárovka skutečně maximálně září mimo viditelnou oblast, s čímž souvisí její tak často zmiňovaná nízká účinnost (přesněji: tzv. světelná účinnost, více viz Porovnání tepelné emise klasické a úsporné žárovky).
V tomto duchu je třeba interpretovat také další získané grafy − například absence výrazných infračervených píků v záření kompaktní zářivky může být vysvětlena stejným způsobem (bez ohledu na to, zda zde nějaké píky očekáváme, či nikoliv).
Závislosti citlivosti spektrometru na vlnové délce a korekci tohoto jevu se věnuje například diplomová práce Měření světelné účinnosti zdrojů světla (str. 42-44).
Přesah do biologie
V souvislosti s LED svítidly a monitory se hovoří o tom, že jejich záření může narušovat spánkový režim člověka. Příčinou je produkce modrého světla, které v organismu blokuje tvorbu „spánkového“ hormonu melatoninu − nejčastěji se hovoří o vlnových délkách 460-480 nm. Jak naše měření ukazuje, právě v této části spektra bílé LED se skutečně nachází výrazný pík intenzity.
