Научная статья на тему 'Способы исследования люминофоров на базе школьного кабинета физики'

Способы исследования люминофоров на базе школьного кабинета физики Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
1226
149
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА / ПРОЕКТНАЯ РАБОТА / ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА / ЛЮМИНОФОР / ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ / БОРНАЯ КИСЛОТА

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Шаймухаметова Э.Р.

В статье представлен опыт работы учителя физики и его учеников 8-го класса над проектной работой, посвященной исследованию оптических свойств порошкообразных люминофоров на основе борной кислоты. В работе показано, каким образом можно проводить исследования оптических свойств твердых веществ на базе школьной лаборатории по данной теме. Статья будет полезна учителям физики или химии и их ученикам, если они решат создавать и исследовать люминофорные порошки. Также статья будет полезна учителям естественнонаучных дисциплин в качестве примера междисциплинарной научно-исследовательской работы для ознакомления с опытом организации проектной деятельности учащихся среднего звена при переходе на новые ФГОС ООО.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Шаймухаметова Э.Р.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Способы исследования люминофоров на базе школьного кабинета физики»

его нравственному и эстетическому развитию и становлению.

В. А. Сухомлинский писал: «Учение -это лишь один из лепестков того цветка, который называется воспитанием в широком смысле этого понятия. В воспитании нет

главного и второстепенного, как нет главного лепестка среди множества лепестков, создающих красоту цветка. В воспитании всё главное - и занятие, и развитие разносторонних интересов детей вне занятия.

Список литературы:

1. Тутолмин А.В. Нравственно-эстетическое воспитание школьников / Глазов. гос. пед. ин-т. -Глазов, 2003.

2. Астраханцева С. В., Рукавица В. Ю., Шушпанова А. В.. Методическое основы преподавания декоративно прикладного творчества. - Ростов н/Д: Феникс, 2006.

3. Загвязинский В.И. Педагогическое творчество учителя. - М., 2001.

4. Куцакова Л. В. Конструирование и художественный труд. Программа и конспекты занятий. - М.: 2007.

5.Сухомлинский В. А. Биобиблиография / Сост. А. И. Сухомлинская, О. В. Сухомлинская. -К.: Рад. шк., 1987.

УДК 37.016::53

СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЮМИНОФОРОВ НА БАЗЕ ШКОЛЬНОГО КАБИНЕТА ФИЗИКИ

Шаймухаметова Э.Р., 2016 Лицей-интернат для одаренных детей с углубленным изучением химии, учитель физики, п. Дубровка Республика Татарстан

Аннотация: В статье представлен опыт работы учителя физики и его учеников 8-го класса над проектной работой, посвященной исследованию оптических свойств порошкообразных люминофоров на основе борной кислоты. В работе показано, каким образом можно проводить исследования оптических свойств твердых веществ на базе школьной лаборатории по данной теме. Статья будет полезна учителям физики или химии и их ученикам, если они решат создавать и исследовать люминофорные порошки. Также статья будет полезна учителям естественнонаучных дисциплин в качестве примера междисциплинарной научно-исследовательской работы для ознакомления с опытом организации проектной деятельности учащихся среднего звена при переходе на новые ФГОС ООО.

Ключевые слова: Научно-исследовательская работа, проектная работа, лабораторная работа, люминофор, люминесценция, борная кислота,

В данной статье представлены результаты научно-исследовательской работы,

проведенной учениками 8 класса Назыповой Аделиной и Полушиным Дмитрием под руководством учителя физики Лицея-интерната для одаренных детей с углубленным изучением химии Шаймухаметововй Эльвиры Рамилевны. В работе изучено влияние состава активаторов люминофоров и его концентрации, температуры готового люминофора и наличия магнитного поля на длительность, яркость, спектр и поляризацию свечения люминофоров на основе борной кислоты.

Статьи школьников, посвященные этой

проблеме можно разделить на две группы: реферативные работы, сделанные на базе обычных школ, и исследовательские проекты, сделанные на базе крупных научных центров и ВУЗов. Все эти работы, практически, посвящены именно синтезу люминофора, практически без последующего качественного и количественного изучения.

Целью проектной работы учеников 8 и 9 классов лицея № 1575 г. Москвы [1], опубликованной в журнале «Первое сентября -физика», являлось составление альбома, в котором собран интересный и доступный материал о таком явлении, как люминесценция, и проведение опытов по

созданию люминофора. В работе ученика 10 класса Астафурова М. из СУНЦ им. Колмогорова [2] изучались особенности люминесценции на основе комплексных соединений редкоземельных металлов. В работе приведена методика синтеза определенного люминофора на базе редкоземельных металлов.

В работе группы учеников 10 класса из гимназии № 116 г. Санкт-Петербурга [3] изучались спектрально-люминесцентные

свойства растворов квантовых точек CdTe разных размеров. Исследователями показано, что спектрально-люминесцентные свойства растворов квантовых точек теллурида кадмия зависят от размера нанокристаллов: чем больше размер, тем больше длина волны положения пика поглощения и люминесценции.

Для работы над данной темой мы ограничились инструментарием школьной лаборатории, чтобы ученики и учителя, интересующиеся люминесценцией, могли повторить и расширить наши исследования.

Люминофор - это вещество, способное преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение [4]. В настоящее время эти вещества широко используются во многих областях науки и техники. Изучение физических свойств люминофоров является важной задачей для науки, так как это позволит создавать наиболее эффективные люминофоры для конкретной отрасли техники.

Целью нашей работы являлось изучение влияния различных факторов на оптические свойства люминофоров на основе борной кислоты. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Изучить влияние составов активатора и матрицы на цвет фотолюминесценции;

2) Изучить влияние типа источника света для возбуждения люминофора;

3) Изучить влияние составов активатора и матрицы на длительность и яркость свечения полученного люминофора;

4) Изучить влияние температуры люминофора на длительность и яркость свечения полученного люминофора;

5) Изучить спектр люминофора с помощью светофильтров;

6) Изучить наличие поляризации свечения;

7) Изучить влияние магнитного поля на свечение люминофора.

Люминесценция - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения [4]. Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов атомов или молекул из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального их возбуждения могут служить различные факторы: внешнее излучение, температура, химические реакции и др [5]. Первоначально понятие люминесценция относилось только к видимому свету. В настоящее время оно применяется к излучению в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах.

Многие формы природной люминесценции были известны людям очень давно. Например, свечение насекомых (светлячки), свечение морских рыб и планктона, полярные сияния, свечение минералов, гниющего дерева и других разлагающихся органических веществ. В настоящее время к природным формам прибавилось много искусственных способов возбуждения люминесценции. Твёрдые и жидкие вещества, способные

люминесцировать, называют люминофорами.

Люминофор - это вещество, способное преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение. Фотолюминофор — определенная разновидность люминофоров, которые обладают свойствами сохранения накопленной энергии при возбуждении, и её отдачи, с обладанием собственного послесвечения какой-либо продолжительности после прекращения возбуждения в виде светового излучения [4].

В настоящее время эти вещества широко используются во многих областях науки и техники. Например, неорганические люминофоры применяют в люминесцентных лампах, электронно-лучевых трубках, для изготовления рентгеновских экранов, служат индикаторами радиации и др. Органические люминофоры применяют для изготовления ярких флуоресцентных красок,

люминесцирующих материалов, используют в чувствительном люминесцентном анализе, химии, биологии, медицине и

криминалистике.

Подготовка образцов, материалы и

оборудование

В качестве матрицы для люминофора использовалась борная кислота. В качестве

активаторов: хвойный концентрат, лимонная кислота, уксус, салициловая кислота, ацетилсалициловая кислота, винный уксус, алюминиевые квасцы. В качестве оборудования мы использовали следующее: спиртовку, штатив, пробирки, шпатель, секундомер, оптические фильтры (красный, синий, зеленый), поляризаторы, постоянные магниты и планшетный регистратор данных (измерение уровня освещенности и датчик ультрафиолетового излучения) Ет81етТаЬ1е1.

Синтез люминофоров на основе борной кислоты и органических реагентов достаточно

прост и его можно осуществить в домашних условиях. Рецептов много [6,7], и все они сводятся к тому, чтобы в борную кислоту добавить некоторое количество органического ингредиента и нагреть смесь до относительно высокой температуры, остудить и растереть в порошок. Как правило, боратные люминофоры обладают довольно сильной, но не продолжительной цветовой эмиссией в сине-зелёной области, а с некоторыми веществами световое излучение захватывает и жёлто-оранжевый участок спектра.

Рис. 1. Проведение эксперимента

Результаты исследований

Влияние состава люминофора на видимые оптические свойства

1.

и длительность свечения порошка люминофора. В таблице 2 приведены данные о возможности наблюдения свечения различных (наиболее ярких) люминофоров через светофильтры.

В таблице 1. приведены

экспериментальные данные о влиянии вида активатора боратной матрицы на цвет, яркость Табл. 1. Влияние вида активатора на цвет, яркость и длительность свечения

Активатор Цвет Яркость Длительность свечения, сек

Хвойный концентрат Оранжево-желтый Средняя 4-5

Лимонная кислота Зелено-желтый Высокая 7-8

Салициловая кислота Желтый Низкая 3-4

Ацетилсалициловая кислота Белый Средняя 4-5

Винный уксус Белый Низкая 2-3

Алюминиевые квасцы Желтый низкая 2-3

Табл. 2. Результаты экспериментов по наблюдению свечения через светофильтры

Активатор/Светофильтр Красный Зеленый Синий

Хвойный концентрат частично гасится не гасится частично гасится

Лимонная кислота гасится не гасится частично гасится

Ацетилсалициловая кислота гасится гасится частично гасится

По полученным данным можно сказать, что цвет, длительность и яркость свечения люминофора напрямую зависит от активатора, которым была дополнена матрица.

Влияние концентрации активатора на видимые оптические свойства

Влияние концентрации активатора на видимые оптические свойства изучено для

сочетания борная кислота (матрица) и лимонная кислота (активатор). Измерение освещенности, создаваемого люминофором, проводилось с помощью планшетного регистратора данных Ет81етТаЬ1е1. Освещенность постепенно убывает с течением времени. В таблице 3 и на рис. 2 и 3 приведены

освещенности в 0.25 Лк. По полученным данным можно сделать вывод, что наблюдается линейная зависимость

освещенности и длительности свечения люминофора от концентрации активатора лимонной кислоты, добавляемой в боратную матрицу.

результаты эксперимента при фоновой

Табл.3. Зависимость освещенности и длительности свечения от концентрации активатора

Концентрация активатора Освещенность, Лк Длительность свечения, сек

6% 1.5 15

13% 1.1 12

26% 0.8 8

39% 0.25 0

Ч

л н и

0

1 I <и

э

<и со и

о

1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 Концентрация активатора, %

Рис. 2. Зависимость освещенности излучения люминофора от концентрации для системы борная кислота(матрица)/лимонная кислота (ативатор).

18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

0,

10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 Концентрация активатора, %

45,00

Рис. 3. Зависимость длительности свечения люминофора от концентрации для системы борная кислота(матрица)/лимонная кислота (ативатор).

Авторами был замечен интересный момент: в ультрафиолетовом диапазоне выявлена задержка максимума светимости на 1-2 секунды. Влияние температуры люминофора на

Сам максимум составляет 1 мВт/м при оптические свойства

фоновой составляющей 0.35 мВт/м2. Выявлено резкое увеличение яркости и

длительности свечения при помещении люминофора на снег. Сосуд с порошком люминофора на основе борной кислоты и хвойного концентрата был помещен на подложку из снега взятого с улицы при температуре -5 °С (в комнате было +25 °С). С течением времени по мере таяния снега

яркость и длительность свечения взятого люминофора уменьшалась. Измерение освещенности, создаваемого люминофором, проводилось с помощью планшетного регистратора данных Ет81етТаЬ1е1. Результаты эксперимента приведены в таблице 4 и на рисунках 4 и 5.

Табл. 4. ^ Зависимость освещенности и длительности свечения от температуры

Время, мин Освещенность, Лк Длительность свечения, с

0 2 15

1 1,5 12

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2 1,2 9

5 1,1 7

10 1 5

По результатам исследований можно сделать вывод о том, что зависимость длительности свечения люминофора от времени нагревания снега, в который помещен люминофор,

(матрица)/ хвойный концентрат (активатор) имеет нелинейный характер: сначала изменение величины происходит резко, а с течением времени кривая выходит на плато.

для системы борная кислота

2,5

к

2 ♦

л

5 о1,5

н н

е1 Э 1

е в

£0,5

о

0

0 2 4 „ 6 8 10 12

Время, мин

Рис. 4. Зависимость освещенности излучения люминофора от времени нагревания снега, в который помещен люминофор, для системы борная кислота (матрица)/ хвойный концентрат (активатор)

16

и

я, 14

и

н е 12

Т

е в 10

о

Л т 8

о

о н 6

Л

ч е 4

т

и ч 2

Ч

0

0 2 4 6 8 10 12

Время, мин

Рис. 5. Зависимость длительности свечения люминофора от времени нагревания снега, в который помещен люминофор, для системы борная кислота (матрица)/ хвойный концентрат (активатор)

Влияние магнитного поля на оптические свойства люминофора

В ходе работы установлено, что магнитное активаторами по-разному. Результаты этих

поле влияет на длительность и яркость исследований приведены в таблице 5. Яркость

свечения люминофоров с разными у всех составов увеличивалась в среднем на

0.2-0.3 Лк. С помощью поляризаторов было поляризации у свечения люминофоров,

установлено наличие естественной помещенных в магнитное поле.

Табл. 5. Влияние магнитного поля на длительность свечения

Активатор Длительность свечения Длительность свечения В

БЕЗ магнитного поля, магнитном поле, сек

сек

Хвойный концентрат 4-5 5-7

Лимонная кислота 7-8 5-6

Салициловая кислота 3-4 5-6

Ацетилсалициловая кислота 4-5 7-8

Выводы

В работе изучено влияние температуры, магнитного поля и различных концентраций активаторов (хвойный концентрат, лимонная кислота, уксус, салициловая кислота, ацетилсалициловая кислота, винный уксус, алюминиевые квасцы) на физические свойства люминофоров на основе борной кислоты.

1. При увеличении концентрации активаторов светимость и время свечения люминофора уменьшаются.

2. Наиболее яркое и длительно свечение получается при сочетании матрицы из борной кислоты и активатора из лимонной кислоты.

3. Температура люминофора влияет на его оптические свойства: в изученном интервале температур (от 0 до комнатной) наблюдается уменьшение светимости и времени свечения при повышении температуры.

4. Магнитное поле влияет на оптические свойства изучаемого люминофора: при помещении порошка люминофора между постоянными магнитами наблюдается увеличение яркости свечения и уменьшение времени свечения.

5. Наблюдается поляризация свечения при помещении люминофора (активатор -лимонная кислота) в магнитное поле.

Список литературы

1. Чопорова Ж.В., Коростелев М.Ю. Чудо люминесценции // Физика - Первое сентября. - 2013. - № 10. - электронный ресурс.

2. Астафуров М.О. Люминесценция органических соединений и особенности люминесценции комплексных соединений редкоземельных элементов http://mtemat.msu.ru/structure/chairs/kafedra-himii/tvorcheskie-issledovatelskie-raboty-po-himii/tvorcheskie-issledovatelskie-proektnye-raboty-po-himii-za-2013-god/astafurov-mihail-lyuminestsentsiya-organicheskih-soedinenij-i-osobennosti-lyuminestsentsii-kompleksnyh-soedinenij-redkozemelnyh-elementov/

3. Смирнов Д., Смирнова О., Хуторян А. Исследование условий формирования и оптических свойств гибридных структур на основе полупроводниковых квантовых точек и пластин графена http://openbooks.ifmo.ru/ru/file/1232/1232.pdf

4. Ландсберг Г. С. Оптика. — 6-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — 647 с.

5. https://ru.wikipedia.org

6. http ://cheml ight.ucoz. ru/load/luminophory_bornoy_kisl oty_nekotorye_receptury/1-1-0-28

7. http://chemlight.ucoz.ru/load/cintez_ljuminoforov_na_osnove_bornoj_kisloty_i_organicheskikh_rea gentov/1-1-0-8

УДК 37.016::53

ПРОЕКТНАЯ РАБОТА: АНИЗОТРОПИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Шаймухаметова Э.Р., 2016 Лицей-интернат для одаренных детей с углубленным изучением химии, учитель физики, п.

Дубровка Республика Татарстан

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.