A fény éve az évszázadok fénye

Átírás

1 ELTE Kémiai Intézet október 15. A fény éve az évszázadok fénye Riedel Miklós 1

2 Nick Holonyak LED 1962 kék LED 2014 Hennig Brand A foszfor felfedezése

3 Akkor megint szólt Isten: Legyenek világító testek az égbolton s válasszák el a nappalt az éjszakától. Teremtés könyve, 1, 14

4 Akkor megint szólt Isten: Legyenek világító testek az égbolton s válasszák el a nappalt az éjszakától. Teremtés könyve, 1, 14 Az Ősrobbanástól számítva

5 A fény és a kémia A fotokémia kémia a fény hatására lejátszódó kémiai folyamatokkal, illetve a kémiai folyamatokat kísérő nem termikus gerjesztésű fényjelenségekkel foglalkozó területe. Kémiai reakciók fény biztosíthatja a kémiai reakciók energiaigényét megindíthat reakciókat (klórdurranógáz-reakció) lézerek segítségével a kémiai reakciók femtoszekundumos (10-15 s) felbontásban vizsgálhatók kémiai műszeres analitika (optikai spektroszkópia) hagyományos ezüst alapú fényképezés lángfestés (pirotechnika, tűzijáték) 5

6 Mindennapok műanyagok lebomlása (fotolízis) fotokémiai szmog képződése Biológia és a fény látás UV-sugárzás élettani hatásai D-vitamin képződése fotoszintézis A fény és a kémia Fényelnyelés, fénykibocsátás fény az égési folyamatban izzás, a fekete test sugárzása lumineszcencia festékek szelektív fényelnyelése, fényszóródás kolloidokon 6

7 A fény és a kémia Metán klórozása A metán- és a klórgáz elegye fény hatására exoterm reakcióban reakcióban klórmetánná és hidrogén-kloriddá alakul +

8 A fény és a kémia Ipari technológia Benzil-klorid előállítása toluolból és klórból (gázfázisban) Évi termelés: tonna Fotoszintézis Az előállított szerves anyag tömege kb. 2 x tonna/év

9 John Everett Millais: Őszi levelek (1856 ) fényszóródás kolloidok Tyndall-jelenség klorofill antocián fényelnyelés karotin 9

10 Elektromágneses sugárzás, fény E = h f foton Ultraibolya Látható tartomány Hősugárzás 10

11 Feketetest-sugárzás Folytonos spektrum Planck-féle sugárzási törvény napfény gyertya izzólámpa 11

12 Feketetest-sugárzás 555 nm A szem érzékenysége a napfényhez igazodott 12

13 De La Tour: Magdolna a füstölő lánggal 1640 körül 13

14 Gyertya, mécses, fáklya, izzó testek Feketetest-sugárzás 600 ºC hőmérsékleten a szénhidrogének krakkolódnak A láng fényét a felizzó koromszemcsék adják A láng szélén a hőmérséklet 1600 ºC is lehet gyertyaláng a súlytalanságban oxigén éghető anyag A zónák jól látszanak 14

15 Hasonló elven működik petróleumlámpa karbidlámpa 6 10 gyertya fénye Régebben a lámpák fényerősségét gyertyafényben adták meg Ma SI-egység lumen (lm) hatásfok lumen/watt 15

16 Gázvilágítás 1801 Párizs 1802 Anglia William Murdoch Világító gáz fénykibocsátás hasonló a gyertyához csövön vezetve nyílt láng ég a gáz előállítása - szén, fa száraz lepárlása, később földgáz A párizsi opera világítása 16

17 Bunsen-égő A gáz/levegő elegy előkeveredésével az égés tökéletesebbé válik. A sztöchiometriai gáz/levegő arány esetén a láng világoskék színű. Így érhető el a maximális lánghőmérséklet, de nem világít.

18 Gázvilágítás Hatásfok javítása Gázharisnya (intenzív fehér fény) % MgO, 20% La 2 O 3 and 20% Y 2 O % ThO 2, 1% CeO 2 manapság Y 2 O 3, ZrO 2 Th - és -sugárzás 220 Rn keletkezik -sugárzás Carl Auer von Welsbach ( ) 18

19 Gázvilágítás Bortnyik Sándor: Lámpagyújtó Olaj, vászon, 80 x 60 cm. (Magyar Nemzeti Galéria) 19

20 Villanyvilágítás Alessandro Volta ( ) Volta-oszlop 1800 Cink-, vörösrézlemezek, sóoldattal átitatott kartonvagy bőrkorongok Volta Napóleon A leideni palackot mindig fel kellett tölteni (dörzsöléssel) A Volta-oszloppal viszont sikerült állandó áramforráshoz jutni Később dinamó (Siemens, Jedlik Ányos), erőművek Ez tette lehetővé a villanyvilágítást. 20

21 Izzólámpa Elektromos árammal való izzítás Magas olvadáspontú fémek Nagy ellenállás (a vezetékhez képest) Olvadáspontok o C Platina 1767 Molibdén 2623 Tantál 3017 Ozmium 3033 Volfrám 3422 Szén (szublimál) 3825 Nagyon sokan kísérleteznek vele 21

22 Szénszálas izzólámpa Thomas Edison Joseph Swan ( ) ( ) Oxigéntől védi az üvegbúra és vákuum 600 (!) bambuszfajtából elszenesített gyapotból 4 bizonyult megfelelőnek 1200 óra élettartam Az izzólámpát 1879 szilveszterén mutatták be az újságíróknak 22

23 Izzólámpa volfrámszállal Nehézkes előállítás Scheelit CaWO 4 WO 3 redukció hidrogénnel W-por nem olvasztható meg, szinterelés dróthúzás William Coolidge 1910 Irving Langmuir 1913 vákuum helyett argon és nitrogén kevésbé párolog 23

24 Magyarok és az izzólámpa Szénszálas Volfrámszálas izzó 1,4 lm/watt 7-14 lm/watt Just Sándor ( ) Hanaman Ferenc ( ) 1904 szabadalom 1906 Egyesült Izzó, Tungsram 24

25 Magyarok és az izzólámpa Dupla spirál 1931 K, Na, Si, Al adalék a W-hoz jobb hatásfok Millner Tivadar ( ) Tury Pál Kriptonégő 1936 Kripton rossz hővezető magasabb hőmérséklet jobb hatásfok drága és ritka anyag (10-6 mólszázalék) ötletes kinyerés levegőből Bródy Imre ( ) Ez a tudás (hungarikum) a globalizációval sajnos elveszett 25

26 Napfény 6000 K szem érzékenysége Izzólámpa hőmérséklete 2000 K K Kb. 2% fény, a többi hő Hogyan javítható ez a rossz hatásfok? 26

27 EU irányelv - energiacsökkentés az izzólámpák fokozatos kivonása Helyette halogénizzó kompakt fénycső LED Háztartás - a világítás csak kb. 10% Közvilágítás - lényeges 27

28 Halogénlámpa A hatásfok javítása magasabb hőmérséklet K a volfrám párolgásának (a búra feketedésének) csökkentése gáztér bróm vagy jód hidegebb hely melegebb hely W W párolog WBr n melegebb hely W + nbr megfordítható kémiai reakció 28

29 Halogénlámpa 24 lm/w 3,5% kriptongáz viszonylag nagy nyomáson kvarc vagy keményüveg búra (magas hőmérséklet!) 29

30 Gázkisülés gerjesztés kisülés az energiaszintek közötti elektronátmenet fénykibocsátással jár vonalas színkép hidrogén vas higany 30

31 Gázkisülés 1910 Georges Claude Szín függ a gáz fajtájától Neon vörös Hélium rózsaszín Nitrogén sárgás rózsaszín Szén-dioxid kékesfehér Kripton fehér Argon kék reklámcsövek neoncső Sok UV-sugárzás is ez is hasznosítható 31

32 Fénycső Az anyagok célszerű kiválasztásával az izzólámpához hasonló fényforrás készíthető gázkisüléses lámpa a lámpatestben kis mennyiségű higany és vákuum (inert gáz) van a elektromos kisülés fénykibocsátásra (látható és ultraibolya) készteti a higanyatomokat kis nyomáson sok UV-sugárzás keletkezik (253,7 és 365 nm) a bura belül be van vonva fluoreszkáló anyaggal, amely abszorbeálja az UV-sugárzást és látható fényt sugároz ki Fényhasznosítás lm/w 32

33 Lumineszcencia Gerjesztés fotolumineszcencia biolumineszcencia kemilumineszcencia elektrolumineszcencia nem hőközlés fluoreszcencia foszforeszcencia s 10 s

34 Fénycső a higany spektruma a fénycső spektruma UV-sugárzás fénypor látható fény Vörös Y 2 O 3 :Eu R Zöld MgAl 11 O 19 : Ce,Tb G Kék BaMgAl 10 O 17 :Eu B az UV-fényt az üvegbúra nem engedi át (??) 34

35 Fénycső Komoly gond a színvisszaadás nem egyenletes (folytonos), hanem sávos színkép fényporok Régebben kalcium halofoszfát Ca 5 (PO 4 ) 3 (Cl,F):Sb 3+, Mn 2+ Újabban Ritka földfém LaPO 4 :Tb 3+, Ce 3+ Y 2 O 3 :Eu zöld és kék vörös 35

36 Fénycső színvisszaadás A színkép egyenletességét az Ra index-szel jellemzik Ra index Hány %-ban felel meg a napfénynek Titkos kód 830 Ra = 80 T/K =

37 Kompakt fénycső 1973 General Electric elektronikus előtét 40 khz Nem villog Gyorsan begyújt Előny Fényhasznosítás lm/w Élettartam óra (elvben) Hátrány Beszerzési ára nagy Az elektronika minősége Az olcsó hamar tönkremegy Színvisszaadás (Ra) rossz Kis mértékű UV-sugárzás Higanyt tartalmaz 37

38 Kompakt fénycső környezetvédelem UV-sugárzás károsító hatása UVB UVA Higany kibocsátás a környezetbe 4 5 mg Hg/lámpa újabban 1,0 1,5 mg Hg/lámpa 38

39 Nagynyomású gázkisülő lámpák Higanygőzlámpa Közvilágításban alkalmazzák, visszaszorulóban Színe jellegzetesen sápadt fehér. 50 lm/w Nátriumlámpa Közvilágítási célra a elterjedten használtják gazdaságos, magas élettartama Színe narancssárga, színvisszaadása gyenge. 130 lm/w Fémhalogén lámpa Különböző fémek jodidjai, közvilágítás A fémek kombinációjával kiváló színvisszaadás lm/w 39

40 Fémhalogén lámpa Fém-halogenidek gőzeiben játszódik le az ívkisülés pl.: NaI ScI 3 InI 3 DyI 3 TlI HoI 3 Hatásuk: vonalgazdag színkép jobb a színvisszaadás kb. 10 perc higanylámpa színképe fémhalogén lámpa színképe 40

41 Xenonlámpa Igen nagy fényerő 80 lm/w Ívkisülés Fehér fény, jó színvisszaadás Erősen pontszerű fény Nagy teljesítmény (több 1000 W is) Nagy nyomás (több 10 bar, veszélyes) Filmtechnika Vetítőgépek, projektorok Gépjárművek Fényképezőgép vaku 41

42 LED fényemittáló dióda Light Emitting Diode 1962 vörös 1 lm/w 1960-as évek sárga 1970-es évek narancs 1980-as évek zöld 1992 kék LED Nick Holonyak 2014 Nobel-díj Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi Nakamura Súdzsi 42

43 LED Elektrolumineszcencia e Vezetési sáv gerjesztés energiabefektetés TILTOTT SÁV rekombináció energia szabadul fel pl. foton Vegyértéksáv e elektron + lyuk rekombinációja foton kibocsátás 43

44 LED Gallium-arzenid (GaAs) Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) Gallium-foszfid (GaP) Gallium-nitrid (GaN) Cink-szelenid (ZnSe) Szilícium-karbid (SiC) Indium-gallium-nitrid (InGaN) Gyémánt (C) infravörös 940 nm vörös 630 nm zöld 555 nm zöld 525 nm kék ~500 nm kék 480 nm kék 450 nm ultraibolya 400 nm 44

45 Fehér fény LED-del RGB színkeverés Fényporral (mint a fénycső) Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ Egyre növekvő fényhasznosítás lm/w, de van a 150 lm/w -es is 45

46 Összegezés Hatásfok Kategória Típus lm/w % lángok gyertya 0,3 0,04% gázharisnya 2 0,3% izzólámpa 100 W 14 2,0% halogén 24 3,5% ívlámpa xenon ,4 7,3% fénycső kompakt fénycső % hosszú fénycső % Kisülési lámpák fémhalogén ,5 17% nagy nyomású nátrium % kis nyomású nátrium % LED fehér LED ,5 22% elméleti maximum 555 nm-es zöld fény % 46

47 Összegezés Történet? 47

48 OLED szerves fénykibocsátó dióda - Organic Light-Emitting Diode elektrolumineszcens réteg szerves félvezető vegyület Al-kelát poli(fenilén-vinilén) a pi-elektronok elektronok elmozdulhatnak a legmagasabb betöltött és a legalacsonyabb betöltetlen molekulapályák megfelelnek a (hagyományos) félvezetők vegyérték- és vezetési sávjának Vezető polimer (Nobel-díj, 2000) 48

49 OLED foton e - az elektronok és a lyukak rekombinálódnak a rekombináció során a felszabaduló energia fénykibocsátás az oldalláncok szubsztitúciójával a kibocsátott fény hullámhossza változtatható (legmagasabb betöltött és a legalacsonyabb betöltetlen molekulapálya energiakülönbsége) 49

50 LED Amíg a 20. századot az izzószálas villanykörték fényében láttuk, addig a 21. századot a LED lámpák fogják megvilágítani. 50

51 Lumineszcencia fotolumineszcencia biolumineszcencia kemilumineszcencia elektrolumineszcencia biolumineszcencia elektrolumineszcencia kemilumineszcencia fotolumineszcencia

52 Luminol kemilumineszcencia Megfelelő oxidálószer (pl. hidrogén-peroxid), lúg és katalizátor (vas- és rézvegyületek) hatására ragyogó kék fényt bocsát ki. Kriminalisztika: vérnyomok kimutatása 1. A luminol a lúggal reagál, dianion keletkezik. 2. A hidrogén-peroxidból származó oxigén ezután reagál a luminol-dianionnal. 3. A keletkező szerves peroxid rendkívül instabil, és a nitrogén leadásával nyomban bomlik 3-amino-ftálsavra, melyben egy elektron gerjesztett állapotban van. 4. A gerjesztett állapot foton leadásával alapállapotba kerül, és ez adja a kék fényt.

53 A fényforrások és a kémia 53

54 Köszönöm a figyelmet VÉGE és nézzék meg Hegedűs Kristóf és Riedel Miklós kísérleti bemutatóját 54