Экспериментальное задание, страница 174 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

Используя видеоматериалы сети Интернет, изучите состав люминофоров, которые можно получить в домашних условиях. Выясните, каким способом можно привести люминофор в возбужденное состояние. Пронаблюдайте за свечением люминофора. Подготовьте видеоотчет.

Изучение состава люминофоров, которые можно получить в домашних условиях

Для выполнения эксперимента в домашних условиях можно изготовить простой люминофор на основе борной кислоты и флуоресцеина. Промышленные люминофоры (например, на основе алюмината стронция или сульфида цинка) требуют сложного синтеза, в то время как этот вариант доступен и относительно безопасен.

Необходимые материалы:

1. Борная кислота ($H_3BO_3$): продается в аптеке в виде порошка.

2. Источник флуоресцеина ($C_{20}H_{12}O_5$): стержень от желтого текстовыделителя (маркера). Именно в желтых чернилах чаще всего содержится это вещество.

3. Этиловый спирт: для извлечения красителя.

4. Термостойкая емкость: металлическая ложка, крышка или небольшой тигель.

5. Источник нагрева: газовая плита, спиртовка или горелка (требуется соблюдение мер пожарной безопасности и работа под присмотром взрослых).

Процесс приготовления:

1. Извлеките стержень из маркера и поместите его в небольшое количество спирта, чтобы извлечь краситель. Вы получите ярко окрашенный раствор.

2. Насыпьте в металлическую ложку немного порошка борной кислоты.

3. Добавьте к кислоте несколько капель полученного раствора флуоресцеина и перемешайте.

4. Аккуратно нагревайте ложку над пламенем. Делайте это в хорошо проветриваемом помещении. Смесь сначала расплавится, а затем закипит. Нагрев нужно продолжать до тех пор, пока не испарится вся жидкость и не образуется твердая стекловидная масса карамельного цвета.

5. Дайте полученному веществу остыть. Этот застывший сплав и есть ваш люминофор.

В этом люминофоре молекулы флуоресцеина (активатор) встроены в твердую матрицу из борной кислоты, которая при остывании образует стекло.

Ответ: Простейший люминофор для получения в домашних условиях состоит из борной кислоты ($H_3BO_3$), выступающей в роли основы (матрицы), и флуоресцеина ($C_{20}H_{12}O_5$), являющегося активатором свечения.

Способ приведения люминофора в возбужденное состояние

Люминофор начинает светиться после того, как его атомы или молекулы поглотят энергию и перейдут в возбужденное состояние. При возвращении в исходное, стабильное состояние избыток энергии излучается в виде света. Этот процесс называется люминесценцией.

Для приведения люминофора в возбужденное состояние его необходимо облучить источником энергии. Самый распространенный способ — фотолюминесценция, то есть возбуждение светом. Энергия поглощаемых фотонов ($E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, $\nu$ — частота света) должна быть достаточной для перехода электронов на более высокие энергетические уровни.

На практике это означает, что люминофор нужно "зарядить", посветив на него ярким источником света. Наиболее эффективным для этой цели является ультрафиолетовое (УФ) излучение, так как УФ-фотоны несут больше энергии, чем фотоны видимого света. Для этого идеально подойдет УФ-фонарик ("черный свет"). Также можно использовать яркий свет от светодиодной лампы, вспышки телефона или прямые солнечные лучи.

Ответ: Чтобы привести люминофор в возбужденное состояние, необходимо облучить его светом, который он поглотит. Наиболее эффективным является коротковолновый свет, например, ультрафиолетовое излучение от УФ-фонарика или солнечный свет.

Наблюдение за свечением люминофора

Наблюдение за свечением следует проводить в полной темноте, чтобы глаз мог уловить слабое излучение.

1. Зайдите в темную комнату и подождите, пока глаза привыкнут к темноте.

2. Возьмите полученный ранее люминофор и источник света для возбуждения (например, УФ-фонарик).

3. Направьте свет на люминофор на 10-30 секунд. Если вы используете УФ-фонарик, то вы сразу увидите яркое свечение. Это явление называется флуоресценцией — свечение, которое происходит только под действием источника возбуждения.

4. Выключите фонарик. Люминофор продолжит светиться, но уже не так ярко. Это свечение будет медленно затухать. Такое длительное послесвечение называется фосфоресценцией. Именно это свойство отличает фосфоресцирующие люминофоры от флуоресцирующих веществ.

Люминофор на основе борной кислоты и флуоресцеина будет иметь, скорее всего, зеленоватое послесвечение.

Ответ: В темноте после облучения ярким светом (возбуждения) люминофор демонстрирует фосфоресценцию — собственное свечение, которое медленно затухает в течение некоторого времени (от нескольких секунд до минут).

Подготовка видеоотчета

Видеоотчет должен наглядно демонстрировать все этапы эксперимента. Рекомендуется следующий план:

1. Вступление: Кратко расскажите о цели эксперимента — создать люминофор в домашних условиях и изучить его свойства.

2. Материалы и техника безопасности: Покажите все необходимые компоненты (борная кислота, маркер, спирт) и оборудование (ложка, горелка, УФ-фонарик). Обязательно упомяните о мерах предосторожности: работать в проветриваемом помещении, использовать защитные очки и перчатки, проводить нагрев под контролем взрослых.

3. Процесс изготовления: Заснимите ключевые моменты создания люминофора: извлечение красителя из маркера, смешивание с борной кислотой, процесс нагрева и плавления (можно использовать ускоренную съемку), остывание и получение готового образца.

4. Демонстрация люминесценции: Это самая эффектная часть. Снимайте в полностью темном помещении.

- Покажите, что образец в темноте сам по себе не светится.

- "Зарядите" люминофор, посветив на него УФ-фонариком или вспышкой телефона. Покажите яркую флуоресценцию под УФ-светом.

- Выключите источник света и снимите на видео затухающее послесвечение (фосфоресценцию). Убедитесь, что камера способна снимать в условиях низкой освещенности.

5. Заключение: Подведите итоги. Объясните, что вы наблюдали явление фосфоресценции, и что эксперимент прошел успешно. Можно кратко повторить, за счет чего происходит свечение.

Для наглядности используйте титры или голосовые комментарии, объясняющие ваши действия на каждом этапе.

Ответ: Видеоотчет должен включать в себя следующие разделы: цель эксперимента, перечень материалов с указанием мер безопасности, пошаговую съемку процесса изготовления люминофора, демонстрацию процессов флуоресценции и фосфоресценции в темноте, а также заключение с выводами по проделанной работе.