Як зробити УФ-світло з світлодіодного спалаху вашого телефону

1. Що таке "Blacklight"?
2. Що можна зробити з ультрафіолетовим світлом?
3. Чи можете ви зробити УФ світло з ліхтариком?
4. Бонусний експеримент

Що таке blacklight і як ви робите це? Це тема недавнього епізоду MacGyver, в якому він швидко створює імпровізований blacklight, щоб знайти приховані повідомлення на стіні. Тут можна подивитися сцену - і відмова від відповідальності, я в даний час технічний консультант для шоу. Але все-таки в цій маленькій сцені є велика наука.

Що таке "Blacklight"?

Добре, це не дуже чорне світло. Краще називати його таким, яким він є: ультрафіолетове світло. Почнемо з швидкого огляду світла. Звичайно, світло - це електромагнітна хвиля (коливальні електричні та магнітні поля), але в цьому випадку частота є важливим аспектом. Для деяких вузьких діапазонів частот людське око може виявити ці хвилі - це називається видимим спектром. Нижчі частоти хвиль інтерпретуються нашими очима як червоний колір, і більш висока частота буде фіолетовою.

Ось зображення, яке може бути корисним.

Звичайно, ви можете розбити цей спектр кольорів на сім частин: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій, індиго і фіолетовий. Але що таке індіго? Дійсно, ви можете розбити це на три кольори - червоний, зелений, синій - або тисячу кольорів, якщо бажаєте. Я розповідаю своїм учням, що існує сім кольорів, тому що так хотілося б, щоб Ісаак Ньютон був там. Сім - це прохолодне число, і ще в день Ньютона було лише сім регулярних рухомих об'єктів на небі: Сонце, Місяць, Марс, Меркурій, Юпітер, Венера, Сатурн. Цікавий факт: Це той самий порядок, що і дні тижня, які називаються після цих об'єктів. Зберегти це для учасника ( разом з радіоактивними бананами ).

Якщо ви об'єднаєте всі ці кольори світла, ваш мозок виявить це як білий світ. Якщо у вашому оці немає світла, ваш мозок інтерпретує це як чорний колір (тому повністю темна кімната виглядає чорною). А як щодо інфрачервоного і ультрафіолетового на сторонах спектру? Їх імена і розміщення в спектрі можна пояснити їх відкриттям. У 1880 році Вільям Гершель взяв білий світ і розбив його на кольори веселки з призмою. Він виявив, що якщо він покладе термометр у переріз червоного кольору світла, він все одно розігріється . Повинно бути певний тип світла, який люди не можуть побачити, але які ще розігрівають термометр. Оскільки він був нижче червоного, він назвав його інфрачервоним. Те ж саме справедливо і для ультрафіолету.

Що можна зробити з ультрафіолетовим світлом?

Напевно, ви бачили ультрафіолетове світло. Раніше вони були популярні на вечірках, тому що вони робили деякі матеріали на вашому одязі, як вони світяться. Крім того, ультрафіолетове світло використовується для виявлення різних матеріалів - як на місці злочину, так і в приміщенні для втечі. Але як це працює?

Ключем до корисного УФ-світла є флуоресценція. Але спочатку дозвольте мені просто поговорити про електрони в матерії. Виявляється, що електрони в зв'язаній системі можуть бути тільки на певних енергетичних рівнях. При переході електрона з більш високого на більш низький рівень енергії виробляється світло. Далі, частота цього світла пропорційна зміні рівнів енергії. Це можна записати як:

H відома як постійна Планка, але зараз це не дуже важливо. Як правило, електрон зробить квантовий стрибок (див. Те, що я там зробив) від одного збудженого стану до основного стану - лише один стрибок, який робить один колір світла. Однак для деяких матеріалів електрони здійснюють багаторазові переходи до основного стану. Для кожного переходу вниз вони виробляють світло - світло різної частоти. Так ось що відбувається. Деяке світло падає на матеріал, і це збуджує електрон. Електрон потім приймає кілька переходів вниз, які виробляють різні кольори світла, ніж той, який його збуджував. Цей процес називається флуоресценцією .

Звичайно, є улов. Для того, щоб змусити працювати флуоресценцію, ви повинні почати з більш високої частоти світла - як фіолетовий або ультрафіолетовий. Але якщо ви просвітите це на деяких матеріалах, воно буде виробляти світло меншої частоти. УФ-світло, видимий світло.

Ось приклад флуоресцентного маркера на стіні. Якщо ви дивитеся тільки з видимим світлом, ви не бачите багато. З висвітленими вогнями і ультрафіолетовим світлом, що світить на ньому, підсвічування флуоресцирует, і ви легко можете побачити його.

Це фактично як флуоресцентне світло працює. Для традиційних флуоресцентних ламп (і компактних люмінесцентних ламп), внутрішній газ збуджується прискоренням електронів. Цей збуджений газ потім продукує УФ світло. На внутрішній стороні трубки розташоване біле порошкове покриття, яке є флуоресцентним. УФ-світло потрапляє на покриття, коли він флуоресцентний і виробляє білий світ (багато різних кольорів змішуються разом).

Чи можете ви зробити УФ світло з ліхтариком?

Тепер ми нарешті дістаємося до хакі MacGyver . Не могли б ви зробити УФ світло з світлодіодним спалахом на смартфоні? Відповідь ... можливо. Щоб зрозуміти цей хак, потрібно зрозуміти, як працює світлодіод. Світловипромінюючий діод - діод - твердотільний пристрій. Світлодіод виробляє світло подібно до збуджених електронів у газовій трубці (ви бачили ці неонові вивіски). Однак для неонового світла збуджені електрони змінюють енергетичні рівні на атомному рівні. У світлодіоді електрони змінюють енергетичні рівні в твердому стані. Дійсно, це єдина різниця. Але це означає, що частота світла, що виробляється світлодіодом, залежить від значення цього енергетичного переходу. Ви отримуєте тільки один перехід і тому лише один колір світла.

Тоді як ви робите білий світлодіод? Тепер вони скрізь, але як вони працюють? Звичайно, ви можете отримати червоний, зелений і синій світлодіод і об'єднати їх разом, щоб зробити білий світ, але це не те, як більшість з них працюють. Натомість білий світлодіод є або фіолетовим, або ультрафіолетовим світлодіодом з матеріалом флуоресценції. Світлодіод виробляє світло високої частоти (або фіолетовий, або УФ), що робить матеріал флуоресцирующим для отримання інших кольорів (більш низька частота).

Оскільки цей флуоресцентний матеріал не є на 100 відсотків ефективним, частина ультрафіолетового світла може проходити і змішуватися з білим світлом. Якщо ви хочете взяти білий світлодіод і отримати ультрафіолетове світло, вам просто потрібно заблокувати видимі кольори, залишаючи при цьому ультрафіолетове випромінювання. Є деякі матеріали, наприклад плавлений кварц або флюорит які роблять саме це і можуть бути використані, щоб зробити деякі досить прохолодні УФ-фотографії. Але чи можуть бути інші матеріали, які могли б виконати цю роботу? Може бути. У епізоді MacGyver він використовує частину дискети з 3,5-дюймового диска (ці діти знають це лише як "значок збереження"). Різні дискети використовують різні матеріали, і цей круглий диск, можливо, дозволить пропускати УФ при блокуванні видимого світла.

Як щодо швидкого огляду. Ось як ви робите ультрафіолетове світло за допомогою смартфона.

• Почніть з смартфона, який має світлодіод (для спалаху камери). Ви хочете двох речей з цього світла. По-перше, він повинен бути ультрафіолетовим світлодіодом з флуоресцентним матеріалом, а другий - 100% ефективним.
• Далі знайдете матеріал, який блокує видиме світло, але не ультрафіолетове - це може вимагати певних проб і помилок.
• Вимкнути світло. Чому? Якщо у вас немає ультрафіолетового випромінювання, це все одно буде флуоресціювати деякі речі, які ви хочете подивитися, але ви не зможете сказати, оскільки все це інше видиме світло буде відбиватися від матеріалу.

Очевидно, це не буде працювати з будь-яким старим світлом або матеріалом, але це принаймні правдоподібно.

Бонусний експеримент

Я збираюся показати вам досить прохолодну демонстрацію флуоресценції. Все, що вам потрібно, це лазерні указки - червоний, зелений і синій (вони, принаймні, набагато дешевше, ніж раніше). Дозвольте мені почати з червоної лазерної указки. Я збираюся взяти його і світити червоним світлом на різні речі, які я можу знайти. Ви повинні побачити, що незалежно від того, що ви світитимете цим червоним лазером, ви отримаєте червону крапку.

З червоним лазером не повинно бути ніяких сюрпризів. Ви не бачите ніякої флуоресценції, тому що частота червоного світла занадто мала, щоб зробити ці переходи енергії вищою. А як щодо зеленого лазера? Візьміть зелений лазер і освітліть його по кімнаті. Ви шукаєте речі, які не мають зеленої точки на них. Зокрема, спробуйте світити зеленим лазером на помаранчевому пластику. Це те, що ви можете бачити.

Зверніть увагу, що для деяких матеріалів лазерна точка не є зеленою? Так, це флуоресценція. Тепер про синій лазер з ще більш високою частотою.

Зверніть увагу, що синій лазер знову викликає флуоресценцію, але з більш високою частотою світла, він може викликати ефект у більш широкому діапазоні матеріалів. Слідкуйте за іншими матеріалами, які викликають флуоресценцію. Використовуйте синій лазер, оскільки ви зможете знайти більше речей. Ви можете бути здивовані, коли знайдете такі речі, як оливкова олія, і деякі вина зроблять це.