Zdroje zen Uebnice strana 96 100 Nejdleitjm zdrojem

Zdroje záření (Učebnice strana 96 – 100) Nejdůležitějším zdrojem záření je Slunce má na povrchu teplotu přes 6000 °C. Slunce k nám vysílá celé spektrum elektromagnetických vln. Nejvíce pociťujeme účinky světelné a tepelné (světlo a infračervené záření) V létě, když se opalujeme, využíváme UVzáření. Před ostatními typy záření nás chrání atmosféra (ozónová vrstva) a magnetické pole Země (tzv. Van Allenovy radiační pásy). Každé zahřáté těleso vyzařuje celé spektrum elektromagnetického vlnění. Při teplotách nad 525 °C se těleso stává ve tmě viditelným. Jeho barva závisí na teplotě (čím chladnější, tím červenější – čím teplejší, tím více odchylka k bílé barvě). S rostoucí teplotou se stále více projevuje záření kratších vlnových délek.

Světelný zdroj je zdroj elektromagnetického záření v rozsahu vlnových délek zhruba 380 - 780 nm, (360 -800 nm), což je záření, které můžeme pozorovat lidským okem jako viditelné světlo. Zpravidla rozlišujeme světelné zdroje přírodní a zdroje umělé (člověkem vytvořené). K přírodním zdrojům patří například: ØKosmická tělesa Primární zdroje - skutečně světlo vytvářejí (např. Slunce, hvězdy) Sekundární zdroje - pouze odráží světlo z jiných zdrojů, samy nesvítí (např. Měsíc) ØChemické reakce - oheň ØBiologické zdroje Primární zdroje - luminiscence: světlušky, různí mořští živočichové, houby Sekundární zdroje - odrazy očí viditelné ve tmě nebo při záblesku (např. efekt červených očí) ØElektrické výboje - elektrický proud v plynech (oblouk, výboj, blesk) ØTektonické jevy - žhnoucí láva

Světelné zdroje lze rozdělit na vlastní - za vlastní zdroje označujeme taková tělesa nebo látky, v jejichž struktuře dochází ke vzniku světla. Za vlastní zdroj světla tedy můžeme považovat např. Slunce, žárovku, plamen atd. nevlastní - látky, které samy světlo nevytvářejí, ale pouze odráží a rozptylují dopadající světlo, se označují jako nevlastní zdroje. Mezi nevlastní zdroje lze zařadit např. Měsíc, mraky, všechny osvětlené předměty apod. Tyto zdroje lze dále rozlišovat jako: reflektory - odražeče, neprůhledné, pro dané záření refraktory - "ohýbače" / "lamače", čiré, stínítka / matnice, poloprůhledné difuzéry. Všechny zdroje světla pracují na stejném principu: foton je emitován atomem při přechodu elektronu na nižší hladinu, při přechodu z vybuzeného do základního stavu. Vznik světla je možné vysvětlit jen v rámci kvantové fyziky. Nelze jej vysvětlit v rámci elektromagnetické teorie. Tato teorie rovněž selhává při vysvětlení činnosti detektorů světla, ale je velice funkční pro popis šíření světla prostorem a prostředím. Detekci světla lze vysvětlit zase jen v rámci kvantové fyziky.

Nejznámější a nejrozšířenější umělé zdroje světla se rozdělují podle dalších hledisek. Jedno z nich je podstata vzniku světla. Rozeznáváme zdroje na principu teplotního záření (např. žárovky), záření elektrického výboje v plynech a parách kovů (zářivky, výbojky) anebo luminiscence (např. svítivé diody). V případě žárovky svítí wolframové vlákno, které se ve skleněné baňce žhaví elektrickým proudem. V baňce je vakuum nebo netečný plyn, aby vlákno neshořelo. Atomy vlákna jsou buzeny vzájemnými srážkami, které vyvolává vysoká teplota. Žárovka spotřebuje na svícení jen malou část energie, většina energie se spotřebovává na zahřívání. Existují další zdroje tzv. studeného světla, které využívají principu luminiscence. U luminiscenčních (světelných) zdrojů optického záření se využívá luminiscence plynů nebo pevných látek, která v nich vzniká nap. při průchodu elektrického proudu. Látky, ve kterých luminiscence vzniká se nazývají luminofory. Látky se spojitým spektrem energií (nap. kovy) luminiscenci nevykazují.

Luminiscence je přebytek záření tělesa nad úrovní jeho tepelného záření v dané spektrální oblasti při dané teplotě, jestliže přitom toto záření trvá i po skončení budícího úinku (tj. alespo 10 -10 s). Vznik luminiscence předpokládá předcházející absorpci energie v nějaké formě (poměrně libovolné) absorpčním centrem, což je částice nebo soustava částic. V absorpčním centru jsou elektrony převedeny do vyššího energetického stavu. Vyzáření pohlcené energie se děje z luminiscenčního centra, které může a nemusí být totožné s centrem Přitom se elektrony navracejí do základního absorpčním. stavu, což se může dít i postupně.

Brouci – světlušky světélkují následkem oxidace luciferinu za přítomnosti luciferázy, světélkuje také podhoubí václavky, vyvolávající svícení napadeného dřeva, modré světélkování moří je vyvoláno rostlinným bičíkovcem svítilkou, u hlubinných ryb a jiných hlubinných organismů (např. hlavonožců, garnátů) je světélkování běžné a nutné pro komunikaci. Účinnost energetické přeměny je až 98% (v porovnání s výbojkami, kde je jen 10%).

V případě zářivky svítí stěny trubice, na nichž je nanesena látka - luminofor, jejíž atomy jsou buzeny jednak ionty plynu, jednak fotony, které vznikají při elektrickém výboji v plynové náplni uvnitř trubice. Tento proces vzniku světla se nazývá luminiscence.

Ve výbojkách v křemenné baňce, kde je například kapka rtuti, vznikne elektrický výboj a tím se odpaří i zbytek rtuti. Atomy rtuťových par jsou buzeny vzájemnými srážkami při elektrickém výboji. Takovým zařízením se říká výbojky. Náplň mohou tvořit i jiné plyny při sníženém tlaku. Popis halogenidové výbojky: A - patice E 40, B - skleněná baňka, C - držák hořáku, na kterém jsou nasunuty tzv. převlečné trubičky, D - kolečko zabraňující teplu pronikat na patici, E - jedna z elektrod v hořáku, F - hořák ze speciálního skla, které je odolné vůdči agresivním kovům, G - plíšek držící hořák na konstrukci

V 60. letech 20. století se podařilo zkonstruovat přístroj, v němž je energie luminiscenčního prostředí vyzářena naráz v podobě úzkého světelného nebo infračerveného paprsku. Tento přístroj dostal název laser. Od té doby laser pronikl do všech možných odvětví lidské činnosti. Hlavní využití nalézá v průmyslu, medicíně, vědě a výzkumu, elektronice, zábavním průmyslu jakožto i ve zcela „běžných“ věcech jako jsou laserová ukazovátka, počítačové CD-ROM apod. Slovo LASER je zkratka pro „zesilování světla stimulovanou emisí záření“ z anglického Light. Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser tak obecně označuje optický zesilovač, který generuje elektromagnetické záření (světlo) pomocí procesu stimulované emise fotonů, který vychází ze zákonů kvantové fyziky a termodynamiky. Základem laseru je aktivní prostředí, které je nějakým způsobem buzeno (opticky, elektricky apod. ). Buzením dodáváme do laseru energii, která je potom právě pomocí procesu stimulované emise vyzářena v podobě laserového svazku.

Aktivní prostředí laseru vždy obsahuje element, který se může nacházet v základním stavu s nižší energií nebo v excitovaném (vybuzeném) stavu s vyšší energií. Tímto elementem je nejčastěji atom, ale není tomu tak vždy (může to být např. vibrační stav molekuly, chemická vazba apod. ). Pro tuto chvíli je důležité, že při přechodu z vyššího do nižšího energetického stavu tento element vyzáří foton ( kvantum elektromagnetického záření ). Tento zářivý přechod se děje spontánně sám od sebe a prostředí má vždy snahu být ve stavu s co nejnižší energií – ve stavu termodynamické rovnováhy. Právě díky buzení tento stav porušíme a převedeme aktivní prostředí do excitovaného stavu, kdy je většina našich elementů ve stavu s vyšší energií (tento stav se nazývá inverze populace). Teprve v tuto chvíli můžeme energii dodanou aktivnímu prostředí přeměnit na laserový svazek (proud fotonů) pomocí procesu stimulované emise. Jedná se v podstatě o lavinovitý efekt, kdy nám foton dopadající na excitovaný atom způsobí (stimuluje) jeho přechod z horní na dolní energetickou hladinu a při tom dojde k emisi dalšího fotonu.

Jak fotony putují rezonátorem od jednoho zrcadla k druhému jejich počet rapidně narůstá a dochází k lavinovitému efektu a uvolnění energie v podobě proudu fotonů (svazek laseru

Při procesu stimulované emise má dopadající a emitovaný foton stejnou energii (frekvenci), stejný směr, polarizaci a fázi. Z toho plynou základní tři vlastnosti laseru, které ho odlišují od jiných zdrojů záření. Svazek laseru je: Ø kolimovaný (tj. nerozbíhá se) Ø monochromatický („jednobarevný“, tj. generované fotony mají stejnou frekvenci resp. vlnovou délku) Ø koherentní (generované fotony jsou tzv. ve fázi jak časové tak prostorové) Opakem je např. klasická žárovka, která generuje záření zcela „chaoticky“ a generuje fotony rozbíhající se do všech směrů, různých vlnových délek a s náhodnou fází. Právě díky těmto vlastnostem se stal laser tak cenným pomocníkem v různých aplikacích.

U průmyslových aplikací se využívá zejména možnosti fokusovat svazek laseru do malého bodu a dosáhnout tak vysoké plošné hustoty energie, která je potřebná pro opracování daného materiálu (řezání, svařování, značení, kalení apod. ). V jiných aplikacích jako je např. holografie je zapotřebí hlavně vlastnosti koherence, atd. Při svařování, řezání, vrtání či chirurgii je určující charakteristikou výkon laseru, proto se zde používají výkonnější impulsní lasery. Bohužel si laser našel velmi rychle cestu i ve vojenské oblasti, při navádění střel a bomb a při špionáži (laserový mikrofon).

Dále se lasery používají při měření délek, při operaci očí (odstranění či zmenšení krátkozrakosti) apod. Musíme dávat pozor na oči, protože velká intenzita tohoto záření může způsobit oslepnutí. Většina laserů, s kterými se běžně setkáváme, jsou lasery malého výkonu. Jsou to laserová ukazovátka, laserové tiskárny, kopírky nebo CD-ROM mechaniky, laserové efekty známé z rockových koncertů.

Rentgenové záření objevil v roce 1895 německý fyzik Wilhelm Conrad Röntgen při studiu výbojů v plynech. Zjistil, že při dopadu elektronů s velkou kinetickou energií na kovovou anodu vzniká záření, které proniká i neprůhlednými předměty. Za objev rentgenového záření mu byla v roce 1901 udělena Nobelova cena za fyziku. Další německý fyzik Max von Laue prokázal v roce 1912 interferenci rentgenového záření při průchodu krystalem. Na fotografické desce za krystalem po vyvolání objevil obrazec rentgenového záření, tzv. laureogram. V roce 1914 získal za svůj objev Nobelovu cenu. Přirozenými zdroji jsou hlavně hvězdy; uměle lze rentgenové záření získat v trubici – rentgence. Rentgenka je skleněná baňka, ve které se nachází katoda v podobě vlákna z wolframu, a anoda, která vypadá jako malý kotouč, který se může i nemusí kvůli chlazení otáčet. Rentgenka je vakuová součástka, neboli její objem je vyplněn vakuem. To zamezuje tomu, aby vzniklé elektrony ionizovaly atomu vzduchu (vyrážely elektrony z atomů vzduchu).

Skládá se z katody K(emituje elektrony) a anody A(z wolframu), mezi nimi je velký potenciálový rozdíl, který způsobuje zrychlení elektronů, které dopadají na anodu, kde vzniká rentgenové záření, dříve označováno jako paprsky X. Při dopadu na anodu se asi 1% energie elektronů využívá na vznik RTG záření. Zbytek energie se mění na vnitřní energii a anodu zahřívá, proto se musí chladit kapalinou, popřípadě je anoda konstruována tak, že se otáčí a elektrony dopadají na různá místa jejího povrchu. RTG záření vzniká tak, že elektrony dopadající na povrch kovu mají tak velikou energii, že mohou uvolnit elektrony ze slupek elektronového obalu atomu. Když se pak atom kovu vrací do původního stavu, dosahuje RTG záření jen určitých vlnových délek, odpovídajících uspořádání elektronového obalu. RTG záření se využívá při výzkumech v urychlovačích částic.

Urychlovač částic, zkráceně jen urychlovač, je technické zařízení, používané pro dodání kinetické energie nabitým částicím. Nabité částice (ionty nebo elektrony či pozitrony) jsou v urychlovači jednou nebo opakovaně urychleny rozdílem potenciálů elektrického pole. Urychlovače slouží k výzkumu elementárních částic, ale i v technické praxi. Existují dva základní typy urychlovačů: lineární a kruhový. Lineární urychlovač využívá k urychlení pouze elektrického pole. Toto pole může být statické, nebo se může měnit (a částice je urychlována během letu urychlovačem na několika místech). Výhodou je relativně jednoduchá konstrukce, nevýhodou rozměry a potřeba vysokého napětí. Nejstarším příkladem tohoto typu je iontová trubice.

V kruhovém urychlovači je dráha urychlovaných částic zakřivena magnetickým polem, takže bez dalšího urychlování by byla kruhová. Částice jsou podobně jako u lineárního urychlovače urychlovány elektrickým polem. Příkladem tohoto typu je cyklotron. Pohyb po zakřivené dráze není jen technickou komplikací. Problém spočívá zejména v tom, že částice pohybující se po kruhové dráze mají velké zrychlení. Podle teorie relativity a teorie elektromagnetického pole částice, která má nějaké zrychlení kolmé na směr jeho pohybu, vyzařuje elektromagnetické záření. V kruhovém urychlovači je proto energie dodávaná částicím elektrickým polem snižovaná vlastním vyzařováním těchto částic. Toto vyzařovaní se dá snížit zvětšením poloměru dráhy (dostředivá síla je nepřímo úměrná poloměru dráhy). To je důvodem, proč je potřeba na dosahovaní vyšších energií kruhové urychlovače stále větších rozměrů, největší je LHC.

Velký hadronový urychlovač (Large Hadron Collider - LHC; doslovný překlad Velký hadronový srážeč) CERN je největší urychlovač částic na světě, pracovat začal 10. září 2008. Je umístěn v podzemí na území mezi pohořím Jura ve Francii a Ženevským jezerem ve Švýcarsku. LHC je instalován v kruhovém tunelu o obvodu 27 kilometrů v hloubce 50 -150 m pod zemí. Tunel přechází mezi hranicemi Francie a Švýcarska ve čtyřech místech, nicméně většina zařízení se nachází ve Francii. Přestože je tunel veden v podzemí, na zemském povrchu se nachází některé budovy umožňující jeho existenci (např. kompresory, ventilace, chladicí zařízení a ovládací stanice).

Výsledky měření z urychlovače LHC jsou nesmírně důležité pro jaderné fyziky, otvírají nové možnosti v oblasti výzkumu a odhalují neznámé stránky vesmíru. Přístroj urychluje dva paprsky částic proti sobě rychlostí 99, 95 % c. Srážky těchto paprsků vytváří spršky nových částic, které jsou poté předmětem vědeckého studia. Zahřáté těleso vyzařuje celé spektrum elektromagnetického záření. Při teplotách nad 525 °C se těleso stává ve tmě viditelným a jeho barva závisí na teplotě. Při luminiscenci vydává těleso nashromážděnou energii v podobě energie studeného světla. Laserem je tato energie vyzářena naráz jako elektromagnetická vlna zaostřená do úzkého světelného svazku. Jsou-li částice urychleny vysokým napětím a pak prudce zbrzděny, vzniká rentgenové záření. K urychlování částic na vysoké energie a ke studiu jejich srážek slouží urychlovače. Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 100.