Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

Fényforrások, a fény tulajdonságai, elektromágneses sugárzások

Fényforrások, a fény tulajdonságai, elektromágneses sugárzások

A látható fény a 20 nagyságrendet átfogó elektromágneses sugárzások szabad szemmel is érzékelhető, nagyon szűk része. Ez a hullámhossztartomány (spektrum) 380 nanométertől (ibolya) 740 nanométerig (vörös) terjed. Az ennél hosszabb hullámhosszúságú fényt infravörösnek (IR), a rövidebb hullámhosszakat ultraibolya fénynek (UV) nevezzük.

1.3.1.1. ábra

A fény jellemző tulajdonságai:

  • a hullámhosszúsága (színe, illetve frekvenciája),

  • az intenzitása (amplitúdója), amit a fény erősségeként érzékelünk,

  • a terjedés iránya, és

  • a polarizációja, amit az emberi szem nem érzékel, de egyes élőlények igen.

A fény terjedésének sebessége vákuumban az egyik alapvető fizikai állandó. Pontos értéke – minden vonatkozási rendszerben – 299792458 m/s. Jele: c (a latin celeritas, „sebesség” szóból). Jelenlegi ismereteink szerint semmilyen hatás nem terjedhet gyorsabban a vákuumbeli fénysebességnél. Értékét 1975-ben rögzítették az SI mértékegységrendszerben mint természeti állandót, amivel a hosszegységet (1 m) az idő egységéből (1 s) származtathatjuk.

A fény sebessége más közegekben kisebb a vákuumbelinél. Értéke és a közeg abszolút törésmutatója, n között egyszerű kapcsolat van:

ahol c a vákuumbeli, c' a közegbeli fénysebesség.

Fényforrások

Elsődleges az olyan fényforrás, amely saját maga bocsátja ki a fényt, mint például a Nap vagy egy lámpa. Másodlagos a fényforrás, ha csak a ráeső fény visszaverődése miatt látható, például a Hold vagy egy megvilágított tárgy. Ha a fényforrás mérete a vizsgált jelenségnél fellépő méretekhez képest elhanyagolható, pontszerű fényforrásról beszélünk, ellenkező esetben kiterjedt fényforrásnak nevezzük.[7]

A fény keletkezésének rejtélyéről az atomok szerkezetének megismerése lebbentette fel a fátylat. Niels Bohr atommodelljének (1912) sarkalatos pontja volt, hogy az atom körüli elektronok egyik stabil pályáról a másikra való átmenethez (ugráshoz) fényt nyelnek el (ez váltja ki a magasabb energiájú állapotba kerülést), illetve fényt sugároznak ki, ha magasabb energiájú állapotból alacsonyabba ugranak vissza. A fény színét (hullámhosszát, frekvenciáját) az határozza meg, hogy mekkora az energiakülönbség a két pálya között (1.3.1.2. ábra):

E2 - E1 = Efoton = h.v

1.3.1.2. ábra

Tehát az átugrás során h.ν kvantumnyi energiájú elektromágneses teret keltenek (fluoreszcencia), vagy nyelnek el a körülöttük lévő elektromágneses térből (hullámból). Az energia kvantum neve a foton.

Az atomok – és a molekulák is hasonlóan – nemcsak egy foton elnyelésével kerülhetnek magasabb energiájú állapotba, hanem sokféle más módon is: elektromos gerjesztéssel (fénycső, villám), kémiai folyamatok eredményeként (exoterm reakció), plazmaállapotba hevítve stb.

A fény másik fő keletkezési módja, hogy nem független részecskék, hanem szilárd testek (például az izzó fémek) magas hőmérsékleten bocsátanak ki fényt. Ezt hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük, és 1900-ban Planck fejtette meg a sugárzás színképének rejtélyét. Ugyanis a klasszikus fizika törvényeiből nem volt levezethető a kísérletileg mért színkép alakja.

Plancknak feltételeznie kellett, hogy az izzó fém és az azt körülvevő, vele termikus egyensúlyban levő elektromágneses tér (fény) csakis Efoton = h.ν energiájú fotonegységekben cserélhet energiát. Így, és csakis így vezethető le a kísérleti eredményekkel kiválóan egyező formula:

ahol Bv(T), illetve Bλ(T) a T hőmérsékletű abszolút fekete test által kisugárzott fény teljesítménysűrűsége a ν frekvencia, vagy a λhullámhossz függvényében, c a vákuumbeli sebessége, k a Boltzmann-állandó, h pedig egy új természeti állandó mennyiség, a Planck-féle hatáskvantum. Értéke: h= 6,626 1032 Js. A spektrum alakja Bv(T) látható néhány hőmérsékleten az 1.3.1.3. ábrán.

1.3.1.3. ábra

A Nap színképét mutatjuk be az 1.3.1.4.a és b ábrákon. Látható egyfelől, hogy a T = 5777 K hőmérsékletű feketetest sugárzására hasonlít legjobban a burkolója (a), de a spektrumvonalak hiányoznak (Fraunhofer-féle sötét vonalak) a folytonos színképből (b).

1.3.1.4. ábra

Azt, hogy hány fok meleg van a Nap felszínén, azt a fenti formulából számoltuk ki (melyik illik a mérési eredményre). Azt pedig, hogy milyen elemek vannak a Nap anyagában, az elnyelési színképvonalak helyéből tudjuk, vagyis az intenzív (sötét) hidrogénvonalak intenzitásából láttuk, hogy abból sok van ott, de vannak más anyagok is (mind a 92 elem ott van). Ugyanis a Nap világító felszíni rétege felett még vannak hidegebb gázok (atomok) amelyek a felénk haladó fényből kiszűrik, elnyelik a rájuk jellemző hullámhosszú fotonokat.

1.3.1.5. ábra

A Nap példáján látszik, hogy a két keletkezési mód bizony a valóságban keveredik, egyszerre látható a kollektív, termikus egyensúlyt kifejező folytonos háttér és a rajta „ülő” – az egyedi atomra jellemző – spektrumvonalak.

A fénykibocsátás általában spontán, független (véletlenszerű) folyamat az atomok szempontjából. Azonban alkalmas eszközben (lézer) az elektromágneses tér olyan erős lehet, hogy kényszeríti a részecskéket a kényszerítő térrel szinkron, azonos fázisú fénykibocsátásra. Ennek eredménye az egyszínű és párhuzamos, intenzív fénynyaláb, a lézerfény.

Természetes fényforrások

Az égitestek. A csillagok a bennük zajló termonukleáris folyamatok következtében energiát termelnek, az energia egy része a látható fény tartományában sugárzással terjed. A bolygók a központi csillagok fényét verik vissza. A meteorok a Föld légkörébe jutva a súrlódástól felizzanak, és ionizálják maguk körül a levegőt.

1.3.2.1. ábra

  • A villám. Elektromos gázkisülés, amely a talaj és a felhők vagy a felhőrétegek között jön létre. Magas (10000–100000 K) hőmérsékletű plazma világít, néhány mikroszekundumig.

1.3.2.2. ábra

  • A sarki fény. A Föld északi és déli sarkánál a légkörbe behatoló töltött részecskék (elsősorban a protonok és az elektronok) által keltett fluoreszcenciája a nitrogén- és oxigénmolekuláknak.

  • Vulkánkitörés. Az izzó magma, a különféle anyagú izzó kőzetek – magas (800–1200 K) hőmérsékletűek lévén – látható, de főleg infravörös fényt bocsátanak ki (hőmérsékleti sugárzás).

  • Egyes medúzafélék, a planktonok, a szentjánosbogár az organizmusokban lejátszódó biolumineszcencia jelensége miatt világítanak. (1.3.2.3. ábra)

1.3.2.3. ábra

  • Tribolumineszcencia. Egyes anyagok dörzsölés, karcolás vagy törés következtében fényt bocsátanak ki.

Mesterséges fényforrások

Az égés mint hőtermelő kémiai reakció által keltett fény:

  • Tűz. Éghető anyag oxidációja, fény- és hőhatással, részben hőmérsékleti sugárzás, részben atomi fluoreszcencia.

  • Gyertya, fáklya, szövétnek. A legősibb, ember által készített mesterséges fényforrások. A gázlámpa gáz (pl. hidrogén, metán, szén-monoxid, propán, bután, etilén) égetésével állít elő látható fényt.

1.3.3.1. ábra

  • Davy-lámpa . Humphry Davy, angol kémikus kísérletei során felfedezte, hogy a sűrű szövésű drótszövet a rajta áthatoló lángot annyira lehűti, hogy az a sújtólég gyulladási hőmérsékletét nem éri el. Ez a biztonsági lámpa alapelve.

1.3.3.2. ábra

  • A karbidlámpában a karbid és a víz reakciójából acetiléngáz keletkezik, ami meggyújtva erős fénnyel világít.

1.3.3.3. ábra

  • Olajlámpa . Az első olajlámpa több mint hatezer éve készült. Formája, előállítási módja az évszázadok során sokat változott. A működéséhez szükséges olajat igen változatosan állították elő, a területi adottságoknak megfelelően, pl. növényi magvakból, répából vagy csalánból kivont olaj, bálna- és halolaj, nyers kőolaj.

1.3.3.4. ábra

  • Petróleumlámpa. Az egyszerűbb petróleumlámpák az olajlámpákhoz hasonlóan pamutkanóccal működtek. A másik változatban egy körkörös kanóc fölött többek közt tóriumból készült gázharisnya van, ami lánggal melegítve felizzik. A tórium bomlásakor a radon 220-as izotópja keletkezik, ezért ma már főleg ittriumot és cirkóniumot használnak helyette.

1.3.3.5. ábra

Elektromos árammal működő fényforrások[8]

Hőmérsékleti sugárzó fényforrások

A villanykörték elektromosan hevített izzószállal termelnek fényt; hőenergia okozza az izzószálban az atomok és ionokmozgását, amely az izzószál hőmérsékletétől függő frekvenciaspektrumú hősugárzást eredményez. Néhány száz °C-os izzószál-hőmérsékletnél a keletkezett sugárzás legnagyobbrészt infravörös, nagyobb hőmérsékletek esetében (a háztartási izzóknál kb. 3000 °C-on) fény jön létre. A volfrámizzó fényét egy vákuumban vagy semleges gázban izzó, spirál alakú volfrámszál adja. Főleg az infravörös tartományban sugároz, a látható fény csak a kibocsátott elektromágneses hullámok kis hányadát teszi ki, így energetikai hatásfoka igen alacsony (2%). Spektruma folytonos. Kiváló színvisszaadása és alacsony ára miatt a legelterjedtebb elektromos fényforrás volt. Jelenleg Európában betiltották a gyártását, mivel tipikus fényhasznosítása csak 9–15 lm/W.

1.3.3.6. ábra

A halogénizzó burájába halogénelemet (jódot vagy brómot) juttatnak. Spirálja a volfrámizzóénál magasabb hőmérsékletű, ezért a búrát keményüvegből vagy kvarcból készítik. Tipikus fényhasznosítása 15–30 lm/W.

1.3.3.7. ábra

A kisülőlámpák , gáztérben kialakuló elektromos kisülés gerjesztette fluoreszcens fényforrások

Fénycsövek . A fénycső alacsony nyomású nemesgázzal és higanygőzzel töltött üvegcső, ami elektromos árammal való gerjesztés hatására fényt bocsát ki. A lámpa színe az alkalmazott gáz összetételétől függ, nagyobb részben UV-tartományba esik. Az ultraibolya sugárzást az üvegcső belső falának foszforbevonata elnyeli, és látható fényt bocsát ki, fluoreszkál. (1.3.3.8. ábra). A normál foglalatú lámpákhoz fejlesztették ki az ún. kompakt fénycsöveket, amelyek ugyanilyen elven működnek, csak kisebbek.

1.3.3.8. ábra

Indukciós lámpa. Az indukciós lámpában a fénygerjesztés a fénycsöveknél alkalmazott gerjesztéssel azonos, a különbség az elektromos energia betáplálásában van. A kisüléshez szükséges elektromágneses teret egy tekercsben folyó nagyfrekvenciás áram gerjeszti.

Higanylámpa. Igen nagy felületi fényességű, nagy fényhasznosítású fényforrás. A lámpában lévő higany teljes elpárolgásához, gőzzé alakulásához néhány percre van szükség, a lámpa csak ezután világít teljes fényével. Lehűlt állapotban gyújtható újra be. Hatásfoka > 10%, amit a fénycsőhöz hasonlóan, a körülvevő búra UV elnyelő és láthatóbban fluoreszkáló bevonatával éri el.

Nagynyomású nátriumlámpa . Közvilágítási célra a legelgerjedettebben használt fényforrás, elsősorban gazdaságossága, és magas élettartama miatt. Színe narancssárga, hatásfoka > 15%.

1.3.3.9. ábra

Fémhalogén lámpa . Különböző fémek jodidjaival, néha bromidjaival adalékolt lámpa.

Xenonlámpa . Az utóbbi időben a gépjárműtechnikában is alkalmazott ívkisüléssel működő lámpa. Erősen pontszerű fénye és jó színvisszaadása miatt vetítéstechnikában, projektorokban alkalmazzák.

1.3.3.10. ábra

LED. Félvezető kristályt akceptor és donor atomokkal szennyezve egy p és egy n típusú réteget alakítanak ki. Ha az így kialakult p-n átmenetre nyitóirányú feszültséget kapcsolunk, az n rétegből elektronok vándorolnak a p rétegbe, ahol lyukakkal rekombinálódnak. A rekombináció eredményeként energia szabadul fel, amely (az anyag szerkezetétől függő) meghatározott hullámhosszúságú fény formájában sugárzódik ki. Tipikus fényhasznosítása 30–60 lm/W, azonban van olyan összetett „fehér” LED amelynek a fényhasznosítása eléri a 150 lm/W értéket is. Jelenleg igen intenzív fejlesztés folyik, évről évre nő a hatásfok és az élettartam (> 50000 óra).

1.3.3.11. ábra

Atomi-, molekuláris gerjesztésen alapuló fényforrások

Kemolumineszcencia . A fénykibocsátás azokat a kémiai reakciókat kíséri, amelyek révén valamelyik alkotóelem gerjesztett állapotban jön létre, s a gerjesztett állapot megszűnése egy fénykvantum keletkezésével jár. Ilyen például a luciferináz enzim reakciója fluoreszceinnel. Vegyítve a két anyagot, sárgászöld fényt ad órákig,

Egyéb, egzotikus fényforrások

Radiolumineszcencia. A radiolumineszcens anyag ionizáló (pl. béta) sugárzás hatására bocsát ki fényt. A szcintillátor (pl. NaI kristály) a tóriumból kiszabaduló alfa részecskék hatására világít. A két anyag keverékét pl. régebben óraszámlapok, mostanában vészkijárat-jelzőtáblák készítésénél használják.

Szonolumineszcencia. A szonolumineszcencia hang hatására létrejövő fénykibocsátás. Nagy energiájú, jól fókuszált ultrahang folyadékokban üregeket hoz létre. Az üregek gyors összeomlásakor keletkező energia hő és fény formájában sugárzódik ki.

Cserenkov-sugárzás . Ha egy szigetelőben a közegbeli fénysebességnél nagyobb sebességgel halad egy töltött részecske, akkor elektromágneses sugárzást bocsát ki kúp alakban. Ez a Cserenkov-effektus. Az atomreaktorokban a Cserenkov-sugárzás intenzitása arányos az atommaghasadás gyakoriságával, mivel a hasadáskor nagy energiájú elektronsugárzást (bétasugárzást) kibocsátó radionuklidok keletkeznek.

1.3.3.12. ábra

Lézer . A lézer elnevezés egy betűszó (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), magyarul fényerősítés indukált emisszióval. Az indukált emisszió az a jelenség, amikor az egyes atomokban az elektronfelhő a magasabb, gerjesztett állapotból nem spontán módon, hanem a jelen lévő intenzív fény hatására „kényszerítve” kerül vissza alapállapotba. Eközben pedig nem véletlenszerű irányba és fázissal bocsátja ki a fotonnyi energiát, hanem a kényszerítő hullámmal azonos irányba és azonos fázissal. Emiatt a lézerből kijövő fény időben és térben koherens, a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos. A közel azonos (csak a diffrakció által limitált) térbeli fázisú lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású. Emiatt érhető el nagy energiasűrűség szűk sugárban, nagy távolságban is. A lézer színe, hullámhossza a lézer aktív anyagától függ, több ezer lézerfajta van, a röntgentartománytól a mikrohullámokig.

Minden lézer 3 fő részből áll:

1.3.3.13. ábra

az aktív közeg, amelynek atomjai, molekulái világítanak gerjesztés hatására,

a gerjesztés, vagyis energiabevitel, az aktív közeg atomjai, molekulái elektronfelhőjének magasabb, gerjesztett állapotba hozása,

a rezonátor (legtöbbször két párhuzamos tükör), amely a spontán sugárzás visszacsatolásával előállítja a kényszerítő sugárzási teret.

Az aktív anyag spontán sugárzásának (fluoreszcenciájának) az a része, amely a rezonátor tükreire merőlegesen lépett ki az atomokból, csapdázódik, a két tükör között fel-alá járkál.

A kényszerített emisszió révén az időegység alatt keletkező fotonok száma arányos (az arányossági tényező B) a gerjesztett állapotban lévő atomok Ng számával (több atomnak kell a felső, gerjesztett állapotban lenni, mint az alsóban) és a kényszerítő elektromágneses tér intenzitásával (amit szintén fotonszám-egységekben adhatunk meg):

Ez egy közönséges elsőrendű differenciálegyenlet, amelynek megoldása egy időben exponenciális növekedés (gerjedés), vagyis minél nagyobb a rezonátorban az intenzitás, annál gyorsabban növekszik (ezt pozitív visszacsatolásnak is hívják). A párhuzamos fénynyaláb szinte ugrásszerűen jelenik meg, és addig a szintig növekszik, amikor már szinte minden gerjesztett atom kényszerített emisszióval visszajutott alapállapotba (legerjesztődött).

1.3.3.14. ábra

Az 1.3.3.14. ábrán különféle lézereket mutatunk be. Az a) ábrán egy szétszedett Nd:YAG (Yttrim Aluminat Granat) kristály aktív közegű, villanólámpával gerjesztett szilárdtestlézer látható, a kristályrúd, a lámpa, a tartó mechanika, a két tükör.

A b) ábrán egy zöld „mutatópálca” aktív része látható, szintén Nd:YAG-kristály, de ezt diódalézer gerjeszti (2 x 2 x 5 mm !!!). A c) ábrán szén-dioxid aktív közegű gázlézercsövek láthatók, a legnagyobb 1m hosszú.

Az a) lézer 10 mW impulzus teljesítményű, 1064 nm-es infravörös fényt ad, a b) lézer 10 mW folytonos 532 nm-es zöld fényt, a c) lézer pedig 20-100 W folytonos fényt ad 10064 nm-es távoli infravörös hullámhosszon.

Az a) lézert katonai célra, tank távmérőnek, a b)-t demonstrációs és mérési feladatokra, a c) lézert sebészeti és ipari anyagmegmunkálásra, jelölésre szokták használni.