Nauka

Więcej światła!

Numer 5/2020
Chones / Shutterstock
Czyli jak wykorzystywaliśmy zjawiska fizyczne i chemiczne, żeby oświetlić domy.
Gliniany kaganek z Bliskiego Wschodu.J. Lekavicius/Shutterstock Gliniany kaganek z Bliskiego Wschodu.
Thomas Alva Edison w swoim laboratorium.Everett Historical/Shutterstock Thomas Alva Edison w swoim laboratorium.
Widmo fal elektromagnetycznych.Designua/Shutterstock Widmo fal elektromagnetycznych.
Stara latarnia gazowa.WojtekD/Shutterstock Stara latarnia gazowa.
Kapliczka w kształcie lampy naftowej (Gorlice).curraheeshutter/Shutterstock Kapliczka w kształcie lampy naftowej (Gorlice).
Wnętrze lampy gazowej z widoczną siatką Auera.Wikimedia Commons Wnętrze lampy gazowej z widoczną siatką Auera.
Współczesny neon (Warszawa).Tolmindev/Shutterstock Współczesny neon (Warszawa).
Barwy światła – od lewej: 3000 K, 4200 K, 6400 K.gualtiero boffi/Shutterstock Barwy światła – od lewej: 3000 K, 4200 K, 6400 K.
Noworodek poddawany fototerapii.Chalie Chulapornsiri/Shutterstock Noworodek poddawany fototerapii.
Budowa lampy jarzeniowej.Designua/Shutterstock Budowa lampy jarzeniowej.
Budowa LED. Działanie ­diody opiera się na rekombinacji nośników ładunku. Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach, gdy energia tracona przez elektrony zamienia się w promieniowanie elektromagnetyczne.Artwork studio/Shutterstock Budowa LED. Działanie ­diody opiera się na rekombinacji nośników ładunku. Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach, gdy energia tracona przez elektrony zamienia się w promieniowanie elektromagnetyczne.

W dawnych czasach jedynym, ale za to pewnym źródłem światła było słońce. Nastanie poranka budziło świat do życia. Nocami można było liczyć na słabe światło księżycowe, ale jeśli akurat trwał nów, zapadała autentyczna ciemność (nie licząc słabiutkiego blasku gwiazd). Jedyną nadzieją na nieco lepsze oświetlenie nocne stawał się ogień, najpierw pojawiający się przypadkiem, gdy gdzieś wybuchał pożar, a potem człowiek wpadł na pomysł, aby go podtrzymać. Na otwartej przestrzeni było to ognisko, natomiast w pradawnych jaskiniach, w których mieszkali ludzie, znaleziono liczne ślady pochodni. Wykonywano je z drewna smolnego, pochodzącego z drzew iglastych przesyconych żywicą. Zazwyczaj okręcano je na jednym końcu włóknami lnu moczonymi w oleju lub smole. Dawały one niewiele charakterystycznego żółtego światła, a płomień silnie kopcił. Wynikało to oczywiście z niepełnego spalania materiału organicznego.

Kolejnym etapem ewolucji oświetlenia sztucznego był kaganek, czyli gliniane albo metalowe naczynie, do którego nalewano tłuszczu roślinnego lub zwierzęcego. W tłuszczu zanurzano jeden knot lub więcej, które wykonywano z lnu, papirusu albo innych włókien roślinnych. Knot z natury jest nasiąkliwy, dlatego też tłuszcz wnika między włókna i wędruje w górę dzięki zjawisku kapilarnemu. Płomień powoduje jego ogrzanie i parowanie, dzięki czemu pali się tylko to, co dotarło do czubka knota, a tłuszcz w kaganku pozostaje tylko jako rezerwa. Kaganki bardzo rozpowszechniły się w regionie śródziemnomorskim, ponieważ właśnie tam wytłaczano oliwę.

Następnym źródłem światła stały się świece. Robiono je kiedyś z wosku, ale materiał ten był dość drogi, dlatego niewielu mogło sobie pozwolić na jego zakup. Nieco później zaczęto produkować świece ze stearyny, którą uzyskiwano z tłuszczów roślinnych lub zwierzęcych zmieszanych z roztworem ługu sodowego (NaOH). Dziś wykonuje się je niemal wyłącznie z bardzo taniej parafiny, będącej produktem ubocznym destylacji ropy naftowej (destylacja polega na podgrzaniu mieszaniny i skropleniu par; w ten sposób rozdziela się poszczególne substancje, bo mają one inne temperatury wrzenia). Świeca była poręczna w użyciu, ale nadal nie stanowiła efektywnego źródła oświetlenia.

Lampa naftowa

Przełomem stała się lampa naftowa. Jej wynalazek zawdzięczamy polskiemu farmaceucie Ignacemu Łukasiewiczowi. Zajmował się on m.in. procesem destylacji oleju skalnego, jak w tamtych czasach nazywano występującą obficie na Podkarpaciu ropę naftową. Otrzymywana w procesie destylacji frakcyjnej nafta okazała się doskonałym, względnie bezpiecznym materiałem palnym. Był to impuls do stworzenia lampy, której prototyp Łukasiewicz przedstawił we Lwowie w marcu 1853 r. W tym samym roku 31 lipca zestaw lamp naftowych wykorzystano w lwowskim szpitalu podczas pilnej nocnej operacji. Wcześniej wszystkie zabiegi wykonywano tylko za dnia. Lampy projektu Łukasiewicza dość szybko rozpowszechniły się na Podkarpaciu, a potem w całej Europie. Ich konstrukcja ewoluowała, nowsze projekty dawały więcej światła, ale też zużywały więcej paliwa. Dopiero wynalezienie żarówki elektrycznej, ale przede wszystkim powszechna elektryfikacja spowodowały stopniowe wyparcie lampy naftowej jako źródła oświetlenia.

Żarówka elektryczna

Na pytanie, kto wynalazł żarówkę, zwykle ludzie odpowiadają: „No jak to kto. Oczywiście Thomas Edison”. Tymczasem historycy wynalazczości doliczyli się aż 22 osób, które już przed Edisonem opisywały jakąś konstrukcję, która przetwarzała prąd elektryczny na światło. Jednak zanim powstała żarówka, jaką znamy dziś, należało dokonać wielu odkryć. Pierwszym z nich było zademonstrowanie, że przepływ prądu przez przewodnik powoduje jego szybkie ogrzanie do bardzo wysokiej temperatury, a co za tym idzie – emisję światła. Było to w roku 1761. W 1802 r. znany fizyk i chemik Humphry Davy połączył 2 tys. ogniw, aby przepuścić uzyskany prąd przez cienki pasek wykonany z platyny. Uzyskał światło, ale było ono dość słabe. W połowie XIX w. zamknięto element żarowy w bańce szklanej, z której usunięto powietrze. W tym przypadku chodziło o to, aby uniknąć reakcji utleniania, która dość szybko prowadzi do przepalenia włókna metalowego. Nie od razu elementem żarowym był metal – eksperymentowano np. ze zwęglonymi włóknami bambusowymi. Niestety większość ówczesnych konstrukcji dawała niewiele światła, a do tego jasność dość szybko spadała.

Dopiero na początku XX w. Węgier Sandor Just wspólnie z Chorwatem Franjo Hanamanem uzyskali patent na żarówkę, w której funkcję elementu świecącego pełniło włókno wykonane z wolframu. Metal ten ma bardzo wysoką temperaturę topnienia (niemal 3700ºC), a więc jest bardzo trwały. Włókno wolframowe zamykano w bańce szklanej wypełnionej gazem obojętnym, takim jak azot albo argon. Było to rozwiązanie lepsze niż stosowanie próżni, ponieważ ograniczało parowanie metalu. Węgierska firma Tungsram pierwsza zaoferowała komercyjną wersję żarówki elektrycznej. Niemal równolegle powstała niemiecka firma Osram, która produkowała żarówki z włóknem wykonanym ze stopu osmu i wolframu (stąd nazwa, która w Polsce budziła wtedy uśmiech).

Żarówki elektryczne stały się rewolucją, choć tak naprawdę są bardzo mało efektywne. Około 95% energii elektrycznej ulega przetworzeniu w ciepło, a tylko 5% zostaje wyemitowane jako światło. Mówiąc wprost: standardowa żarówka to w zasadzie grzejnik, a światło jest produktem ubocznym. Jako ciekawostkę warto dodać, że nazwisko Edisona, a dokładniej mówiąc, jego pierwszą literę upamiętniono w symbolu gwintu żarówek – stąd mamy najczęściej stosowany E27, a poza tym E10, E14, E40 i kilka innych. Liczba po literze E oznacza zewnętrzną średnicę gwintu w mm.

Oświetlenie gazowe

Przez większość XIX w. do oświetlania mieszkań stosowano niemal wyłącznie lampy naftowe czy kaganki. Do oświetlania ulic i innych miejsc publicznych zaczęto w tym czasie używać gazu. Sam płomień spalanego gazu jest jednak zbyt słaby, aby posłużył do oświetlenia większej przestrzeni. Przełomem technologicznym był wynalazek Carla von Auera. Ten austriacki uczony przez wiele lat badał pierwiastki ziem rzadkich. Podczas swoich eksperymentów zauważył, że tlenki lantanowców wprowadzone do płomienia emitują bardzo jasne światło. Wpadł więc na pomysł, aby nasączyć solami itru i ceru kawałek tkaniny bawełnianej. Gdy po raz pierwszy wprowadzi się ją do płomienia gazowego, sole przekształcają się w odpowiednie tlenki metali, a bawełna ulega spaleniu. Powstająca tzw. koszulka Auera zaczyna wtedy emitować bardzo przyjemne ciepłe światło. Występuje tu zjawisko tzw. kandoluminescencji, czyli bardzo jasnego świecenia pewnych substancji (tutaj: tlenków itru i ceru) w płomieniu. I właśnie opatentowane w 1885 r. koszulki Auera zaczęto pod koniec XIX w. instalować w latarniach ulicznych. Latarnie gazowe stanęły we wszystkich większych miastach na świecie. We Wrocławiu było ich niemal 4 tysiące, a w Paryżu – ponad 43 tys. Istniały przez kilkadziesiąt lat, ale z czasem wyparło je oświetlenie elektryczne. Dziś latarnie gazowe można jeszcze spotkać w niektórych miejscach – stanowią one przede wszystkim atrakcję turystyczną. W Poznaniu obok autentycznej odnowionej latarni gazowej przy skwerze Łukasiewicza jest pomnik latarnika, który każdego wieczora zapalał, a rankiem gasił wszystkie latarnie. Dziś koszulki Auera można nadal spotkać w turystycznych lampach gazowych zasilanych propanem-butanem z kartuszy albo butli.

Od drugiej dekady XIX w. do oświetlania głównych postaci na scenie teatralnej zaczęto stosować światło wapienne (ang. limelight). Emitowane ono jest przez żarzący się blok wykonany z tlenku wapnia (CaO), ogrzewany do wysokiej temperatury płomieniem palnika wodorowo-tlenowego. Pod koniec XIX w. zostało wyparte przez elektryczne lampy łukowe. Jako ciekawostkę warto dodać, że sama nazwa (w języku angielskim) pozostała jednak do dziś. „To be in the limelight” oznacza „być w centrum uwagi”.

Neony

W połowie XIX w. niemiecki mechanik i szklarz Heinrich Geissler skonstruował wyposażoną w dwie elektrody szklaną rurkę wypełnioną gazem będącym pod niewielkim ciśnieniem. Pod wpływem przyłożonego napięcia gaz w rurce świeci, a barwa światła zależy od rodzaju tego gazu. Rurkę Geisslera można uznać za prototyp dzisiejszych lamp neonowych. Na początku XX w. Francuz George Claude skonstruował lampę wyładowczą wypełnioną neonem. Zasada jej działania jest prosta: pod wpływem prądu elektrycznego następuje ruch obecnych w gazie jonów, które – zderzając się z obojętnymi atomami – powodują ich jonizację, a w efekcie świecenie. Jeśli mamy do czynienia z prądem stałym, świeci tylko katoda, wokół anody jest ciemno. Gdy lampę podłączymy do prądu zmiennego, rozświetli się całe wnętrze rurki. Aby światło było bardziej jednolite, wewnętrzną stronę szkła pokrywa się cienką warstwą luminoforu, czyli substancji wykazującej luminescencję lub fosforescencję. Kolor neonu zależy przede wszystkim od tego, czym jest on wypełniony. Jeśli użyjemy neonu pierwiastkowego, uzyskamy barwę pomarańczowoczerwoną, argon da kolor fioletowy, a ksenon – niebieskofioletowy. Barwa światła w każdym przypadku zależy od różnicy energii elektronów na różnych poziomach energetycznych atomu. Każdy rodzaj atomu emituje fale elektromagnetyczne o charakterystycznej długości fali, a więc o konkretnej barwie. Oczywiście kombinacja rozmaitych składników gazu w rurce neonowej, jak też luminoforu, pozwala na uzyskanie w zasadzie dowolnego koloru emitowanego światła. Prostota konstrukcji, łatwość tworzenia np. liter lub prostych obrazków pozwoliły na zastosowanie neonów jako elementów reklam. Dziś nie są aż tak popularne, ale od lat 20. XX w. do końca lat 70. stanowiły nieodłączny element wystroju miast. Niektóre z nich były prawdziwymi dziełami sztuki. Teraz moda na neony wraca i pojawiają się ponownie w przestrzeni miejskiej, ciesząc oczy.

Lampy jarzeniowe, czyli świetlówki

Kiedyś bardzo popularne, dziś powoli odchodzą do lamusa. Lampy jarzeniowe emitują światło dzięki wyładowaniom elektrycznym wzbudzającym atomy rtęci, której pary są zamknięte w szczelnej rurze szklanej. Ponieważ wytwarzane światło w dużym stopniu jest promieniowaniem ultrafioletowym, wewnętrzna strona rury jest pokryta warstwą luminoforu, który przetwarza promieniowanie UV na widzialne. Wyładowania wewnątrz świetlówki możliwe są dzięki umieszczonym na końcach elektrodom wolframowym. Jeśli dobierze się odpowiedni skład gazów oraz luminofor, można uzyskać szeroką gamę barw. Do uruchomienia lampy jarzeniowej potrzebny jest w układzie elektrycznym zapłonnik, zwany popularnie starterem. Drugim niezbędnym elementem jest statecznik, który ogranicza natężenie płynącego prądu. Jeśli tego statecznika brak, natężenie prądu rośnie, a jarzeniówka szybko ulega zniszczeniu.

Świetlówki nie są zbyt zdrowe dla oczu. Emitują częściowo promieniowanie UV, a ich światło ma nieciągłe widmo, a więc źle oddaje kolory. Występuje tam również efekt stroboskopowy wskutek tętnienia strumienia świetlnego. Efekt stroboskopowy powstaje wtedy, gdy oświetlimy światłem migającym lub tętniącym obiekty będące w ruchu, szczególnie obrotowym. Uzyskujemy wówczas wrażenie spowolnienia, a nawet zatrzymania ruchu. Może to być szczególnie niebezpieczne, gdy np. w warsztacie oświetlamy tokarkę lampą jarzeniową. Jeśli wrzeciono obraca się z częstotliwością 100 obr./sek, będziemy mieli wrażenie, że jest ono nieruchome. Nie można też zapomnieć o tym, że wewnątrz świetlówek znajdują się pary silnie toksycznej rtęci. Dlatego ich utylizacja musi być prowadzona ze szczególną ostrożnością. W żadnym wypadku nie wolno ich wyrzucać do zwykłych śmietników.

Lampy sodowe, rtęciowe, halogenowe

Na niektórych drogach lub miejskich ulicach i w parkach spotykamy lampy emitujące charakterystyczne pomarańczowożółte światło. Są to lampy sodowe – bardzo efektywne źródła światła znane już od lat 30. XX w. Niestety, mają ograniczone zastosowanie, ponieważ powodują bardzo silne zafałszowanie kolorów otoczenia, szczególnie zieleni (która wydaje się prawie czarna). Wynika to z faktu, że liście pochłaniają niemal wszystkie długości fali emitowanych przez lampy sodowe, podczas gdy w świetle dziennym odbijają zieloną barwę, która jest składową światła białego, a nie występuje w świetle lampy sodowej. Istnieje też nowsza wersja takich lamp o nazwie biała soda. W tym przypadku światło jest zbliżone do białego, ale efekt ten jest okupiony zdecydowanym zmniejszeniem skuteczności świetlnej. Białą sodę stosuje się we wnętrzach sklepów, w szczególności na stoiskach z mięsem. W tym świetle mięso ma naturalną barwę różową, podczas gdy inne rodzaje światła powodują, że wygląda zdecydowanie mniej apetycznie (jest np. sinawe).

W lampach rtęciowych także świecą pary pierwiastka. Ponieważ barwa światła jest niebieskawa, zafałszowująca kolory otoczenia, bańkę lampy pokrywa się od wewnątrz luminoforem emitującym światło czerwone, co zdecydowanie poprawia charakterystykę świetlną urządzenia.

Najnowszy typ lampy wysokoprężnej nosi nazwę metalohalogenkowej. Wewnątrz bańki znajdują się pary rtęci, argonu oraz halogenków metali (związków metali z bromem lub jodem). W tym przypadku mamy światło bardzo zbliżone do białego, a jego temperatura barwowa może mieć wartości od 3 tys. K aż do 20 tys. K. Lampy metalohalogenkowe są bardzo trwałe, wytrzymują nawet 20 tys. godz. świecenia.

Przyszłość oświetlenia

Obecnie na rynku możemy spotkać co najmniej kilkadziesiąt typów lamp elektrycznych. W większości z nich przetwarzanie prądu elektrycznego na światło nie jest zbyt efektywne, co powoduje sporą emisję ciepła. Dlatego od dawna poszukuje się sposobów na poprawę wydajności i obniżenie kosztów. W drugiej połowie XX w. skonstruowano powszechnie dziś stosowaną diodę elektroluminescencyjną, znaną jako LED. Pierwsze modele emitowały tylko światło podczerwone, niewidoczne dla ludzkiego oka. Są one nadal stosowane – m.in. w pilotach do sterowania sprzętem elektronicznym. LED-y emitujące światło widzialne powstały niewiele później. Dość szybko stwierdzono, że łącząc je w trójki (niebieska, zielona i czerwona), można uzyskać światło zbliżone do białego. Jednak przełomem było skonstruowanie diody elektroluminescencyjnej, która emitowała prawdziwe światło białe. LED-y są dziś najbardziej efektywnym źródłem światła dostępnym komercyjnie. Są one zdecydowanie trwalsze niż inne źródła, a do tego pobierają minimalne ilości energii.

Najnowszą wersją diody elektroluminescencyjnej jest OLED (organic light-emitting diode). W tym przypadku emisję światła zapewniają mniej lub bardziej złożone związki organiczne. OLED to wynalazek z końca lat 80. XX w. Obecnie stosowane są głównie do produkcji ekranów telewizyjnych oraz telefonicznych. Panele OLED znajdują powoli także zastosowanie jako nowoczesne źródła światła, choć na razie są montowane niezbyt często ze względu na stosunkowo wysoką cenę.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Czym jest światło?

Z fizycznego punktu widzenia światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, choć potocznie nazywamy tak tylko tę część promieniowania, którą widzimy. Musimy pamiętać, że ma ono naturę dualną, ponieważ w niektórych przypadkach opisujemy je jako strumień cząstek elementarnych, zwanych fotonami.

Światło jest emitowane przez każde ciało, które ma temperaturę większą od 0 K. Jest to tzw. promieniowanie termiczne. Ogrzanie obiektu materialnego powoduje przyśpieszenie ruchu jego atomów. Posiadany nadmiar energii wypromieniowują one w postaci fali elektromagnetycznej, a jej barwa zależy od temperatury.

Z kolei gdy elektrony w atomie zostaną wzbudzone (np. działaniem prądu elektrycznego) i przejdą na wyższy poziom, to potem wracają na poziom podstawowy, a nadmiar energii emitowany jest w postaci światła o konkretnych długościach fali. Tak właśnie działają m.in. lampy jarzeniowe, rtęciowe oraz lasery.

Warto wiedzieć, że prędkość światła w próżni (oznaczana jako c, ok. 300 000 km/s) jest największą prędkością możliwą do osiągnięcia. W każdym innym ośrodku prędkość światła będzie mniejsza. Wynika to z oddziaływania fali elektromagnetycznej (czy też fotonów) z atomami tego ośrodka. Przykładowo w diamencie szybkość ta wynosi 125 000 km/s, czyli jakieś 0,4 c.

***

Barwa światła

Wybierając źródła światła, spotykamy się często z określeniami związanymi z jego barwą. Warto pamiętać, że barwa ta nie jest skorelowana z natężeniem, tylko z właściwościami spektralnymi, czyli tzw. temperaturą barwową. W przypadku świecy wynosi ona ok. 1900 K, dla lampy sodowej jest to ok. 2000 K. Temperatura barwowa wschodu i zachodu słońca wynosi 2–3 tys. K, podobne wartości ma światło emitowane przez zwykłe żarówki. Wszystko to są barwy ciepłe. W przypadku temperatur 3300–4000 K mówimy o białym świetle neutralnym. Wartości powyżej 5 tys. K nazywamy barwą zimną. Warto wiedzieć, że czyste niebo ma temperaturę barwową aż 10 tys. K. Zauważmy, że ciepłota barw jest odwrotnie skorelowana z temperaturą – im zimniejsza barwa, tym wyższa temperatura barwowa.

Wybierając oświetlenie, warto pamiętać, że barwa ciepła pasuje do wypoczynku, natomiast zimniejsze sprzyjają koncentracji, ale działają też nieco bardziej agresywnie. Jeśli mamy wątpliwości, powinniśmy wybrać barwę neutralną, z oznaczeniem 3500–4300 K.

***

Fototerapia

Światło służy nie tylko do oświetlania i umilania nam życia. Czasem może być kluczowe dla zdrowia. Już od jakiegoś czasu w medycynie stosuje się leczenie światłem, czyli fototerapię. Dziś wiemy, że szczególnie efektywnie działa ono w przypadku depresji sezonowej, wywołanej niedoborem światła słonecznego w okresie zimowym. Badania wskazują, że leczenie światłem trwające 3–4 tyg. często daje trwałe efekty. Jeśli wykorzystujemy światło dzienne, mówimy o helioterapii, natomiast gdy sztuczne źródła światła – o aktynoterapii. Zazwyczaj stosuje się cykliczną ekspozycję na światło białe, choć w ostatnich latach coraz więcej badań prowadzonych jest przy użyciu światła barwnego emitowanego przez LED-y.

Od dawna stosowana jest też fototerapia noworodka. Polega ona na naświetlaniu (najczęściej światłem niebieskim) dziecka, u którego po urodzeniu stwierdzono żółtaczkę. W tym przypadku światło powoduje rozpad nadmiarowej bilirubiny, która po fotooksydacji i izomeryzacji, czyli zmianie przestrzennej konfiguracji cząsteczki, zostaje wydalona z moczem.

01.05.2020 Numer 5/2020
Reklama

Czytaj także

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną