Soojuskiirgus ja luminestsents

Soojuskiirgus on elektromagnetiline kiirgus, kus aatomite ergastumine toimub soojusenergia arvel. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda kiiremini selle aatomid (või molekulid) liiguvad, kas kulgevad või võnguvad. Liikumise käigus võivad aatomid omavahel põrkuda ja selle tulemusena võib mõni elektron aatomis minna tuumast kaugemale. Toimub aatomi ergastamine ja sellele järgnev elektromagnetlaine kiirgamine.

Hõõguvate tahkiste ja vedelike kiirgusspekter on pidev. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda suurem on kiiratava valguse intensiivsus ja seda lühemalaineline on kiiratav valgus (J.4.31).

Samal temperatuuril kiirgavad tumedad kehad rohkem valgust kui heledad kehad.

Soojuskiirgus võib olla kas silmale nähtamatu infravalgus või nähtav valgus. Seda kiirgavad kõik kehad, mille temperatuur on kõrgem absoluutsest nulltemperatuurist (0 K). 

Infravalgust näevad mitmed öise eluviisiga röövloomad, näiteks lõgismadu, kelle näos olevad soojusandurid lubavad tal jahti pidada ka täielikus pimeduses. On esinenud juhtumeid, kus tapetud lõgismadu on ka pärast surma salvanud inimest kätte, kui see on käe mao pea lähedale pannud. Nimelt käivitavad infrapuna sensorid lõgismaol automaatselt hammustamisrefleksi. Ja kuna roomajate refleksid hääbuvad pärast surma aeglaselt, ongi õnnetusi juhtunud.

Infravalguse toimel põhineb ka termograafia, mille abil tehakse kindlaks näiteks elamute soojuslekke kohad. Nendest kohtadest väljub ka infravalgust, mille muudavad inimesele nähtavaks termokaamerad.

Infravalguse kasutamisel põhineb ka öönägemisseadmete, kontaktivabade termomeetrite ja liikumisandurite töö.

Ultraviolettvalguses helendavad mineraalained.

Luminestsents on elektromagnetiline kiirgus, kus aatomite ergastamine toimub teiste energialiikide, mitte soojuse arvel. Kuna luminestsentskiirguse tekkimiseks pole vajalik kõrge temperatuur, siis on luminestsentsi nimetatud ka "külmaks valguseks". Luminestsentsi korral on aatomil mitmeid võimalusi ergastumiseks. Luminestsentsi liigitamine ergastamisviiside järgi on toodud tabelis.

Tabel 4.2. Luminestsentsi liigid

Luminestsentsi liik

Ergastamisenergia allikas

Fotoluminestsents

Ultravalgus

Katoodluminestsents

Kiirete elektronide juga

Radioluminestsents

Radioaktiivne kiirgus

Elektroluminestsents

Elektriväli

Kemoluminestsents

Keemiline reaktsioon

Bioluminestsents

Biokeemiline reaktsioon

Erinevalt soojuskiirgusest ei lõpe luminestsents kohe pärast ergastamise lõppu, vaid kestab veel mingi aja, kuigi järjest nõrgenedes. Öeldakse, et luminestsentsi korral esineb järelhelendus. See võib kesta ainult mõni miljondik sekundit, aga ka mitmeid tunde. Kõik oleneb ainest, mis kiirgab.

Luminestsentsi kasutatakse näiteks päevavalguslampides ja kompaktpirnides ehk säästupirnides. Neis on lambi sisepind kaetud luminestseeriva aine ehk luminofooriga. Torus on elavhõbeda aur, millest elektrivoolu toimel kiirgub ultravalgust. See ergastab luminofoori aatomeid ja tekib luminestsentskiirgus, mis valgustab ümbrust. Sellistes lampides muudetakse valgusenergiaks kuni 80 % kulutatud elektrienergiast. Hõõglampide korral muutub valguseks kuni 15% elektrienergiast.

Luminestsentskiirgus on ka näiteks kollaste tänavalaternate valgus, kus kiirgab naatriumi aur. Ka vanemate televiisorite ja arvutite kineskoopkuvarid annavad luminestsentskiirgust, mis tekib nende sisepinnal oleva luminofoori pommitamisel kiirete elektronidega.

Luminestsents leiab kasutamist veel paljudes eluvaldkondades: ainete kristallstruktuuri ja keemilise koostise analüüsimisel, laserites, haiguste diagnoosimisel proovide põhjal, dokumentide ja rahade turvaelementides, toiduainete kvaliteedi kontrollimisel, mere naftareostuse uurimisel, süvamereloomadel vaenlaste peletamiseks või saagi ligimeelitamiseks jne.

Miks muundub luminestsentslampides palju suurem osa juurdeantavast energiast valguseks kui hõõglampides?

Soojuskiirguse korral antakse ergastav energia ainele tervikuna, st pannakse kiiremini liikuma aine aatomid. Osa sellest energiast läheb elektronide ergastamiseks. Luminestsentsi korral antakse aga ergastav energia enamasti otse elektronidele.

Teame, et mingi keha liigutamiseks on vaja anda talle kineetilist energiat, mis on võrdeline keha massiga. Kuna aatomid on palju massiivsemad elektronidest, siis on selge, et aatomite energia suurendamiseks on palju rohkem välist energiat vaja kui elektroni energia suurendamiseks.