Mierzymy otaczający nas świat

Domowy spektroskop

Mierzymy otaczający nas świat

Domowy spektroskop

Angela Turricchia
Laboratorio per la Didattica Aula Planetario
Comune di Bologna, Włochy

Ariel Majcher
Centrum Fizyki Teoretycznej PAN
Warszawa, Polska

przedstawiamy Państwu proste do wykonania urządzenie dające możliwość przekonania się, że różne źródła światła nie świecą w ten sam sposób. Proponujemy dwie wersje: podstawową, którą można wykonać z elementów znajdujących się w zasięgu ręki i „lux”, też prostą, ale wykonaną ze specjalnie przygotowanych elementów.

Spektroskop za pomocą siatki dyfrakcyjnej rozszczepia docierające do nas światło na składowe w postaci widma, którego przykład jest przedstawiony poniżej:

Domowy spektroskop

Instrukcja do ćwiczenia (pdf)

Program nauczania/Przedmioty:
Szkoła ponadgimnazjalna
Podstawa programowa: światło i jego rola w przyrodzie
temat: analiza spektralna

Do wykonania spektroskopu będziemy potrzebować:

1. Obudowa:

- wersja podstawowa: tubka tekturowa z wnętrza rolki ręczników papierowych, kawałek cienkiej tekturki np. z pudełka po herbacie, ryżu, itp.

- wersja „lux”: można użyć kartonowej tuby do noszenia rysunków.

Oprócz tego potrzebna będzie nieprzezroczysta taśma klejąca (ja użyłem taśmy izolacyjnej), do zrobienia szczeliny wygodnie jest użyć taśmy dwustronnie klejącej, chociaż nie jest to absolutnie konieczne.


Rys. 1: Materiały potrzebne do wykonania spektroskopu. Z lewej z płyty CD, z prawej - z siatki dyfrakcyjnej

2. Szczelina:

w wersji postawowej: tekturowe pudełko,
w wersji „lux”: nieużywana żyletka (uwaga na bezpieczeństwo dzieci!).

3. Siatka dyfrakcyjna:

wersja podstawowa: tutaj zrobiliśmy prawdziwe odkrycie. Bardzo dobrą siatkę dyfrakcyjną można uzyskać z plastikowych krążków, które na ogół chronią ostatnią, dolną płytę CD w opakowaniach, w których kupujemy je w sklepie. Chodzi o takie „rolki” albo „ciastka” z CD, które są dostępne np. w supermarketach. Uwaga: nie każde opakowanie zawiera taki dodatkowy ochronny krążek, ponadto nie każdy taki krążek się do tego nadaje. Musi on się mienić tęczowo, gdy patrzymy na niego pod światło. Trzeba więc uważać, co się kupuje.

W ten sam sposób mozna wykorzystać zwykłą płytę CD lub DVD, jednak wcześniej trzeba się pozbyć warstwy farby. Najlepiej to zrobić za pomocą taśmy klejącej:

Zdrapujemy kawałek brzegu	Przyklejamy taśmę
Odrywamy taśmę razem z farbą	Płyta pozbawiona warstwy farby

wersja „lux”: prawdziwą siatkę dyfrakcyjną można kupić tanio np. w wydawnictwie Zamkor (www.zamkor.pl). Potrzebna będzie siatka o zdolności rozdzielczej około 500 linii/mm.

4. Narzędzia:

solidne nożyczki, najlepiej takie gospodarcze, ostry nóż (np. taki specjalny do cięcia papieru), ołówek, linijka.

Wykonanie spektroskopu

Obudowa:

na tekturce z pudełka odrysowujemy ołówkiem dwa koła odpowiadające kształtem obu końcom rolki od ręczników papierowych. Trzeba po prostu przyłożyć oba końce rolki i odrysować kontur. Wycinamy, zostawiając odrobinę z każdej strony. To będą nasze dekle:

Rys. 2: Wycięte dekle, na prawym odrysowany kształt żyletki.

Szczelina:

- wersja podstawowa: potrzebne będzie jeszcze jedno tekturowe kółko, które jednym cięciem nożyczek rozcinamy na pół. Dobrze jest też obciąć zewnętrzne brzegi. Wtedy łatwiej i precyzyjniej przykleimy szczelinę do rusztowania. W drugim kółku wycinamy na środku prostokąt (niezbyt szeroki, ale powinien mieć ok. 80% średnicy krążka) i przyklejamy obie połówki pierwszego koła do drugiego tak, źeby powstała wąska szczelina o równoległych bokach (bardzo dobrze sprawdzi się w tym momencie taśma dwustronnie klejąca). Szerokość szczeliny w moim spektroskopie jest nieco mniejsza niż 1 mm, ale tu można eksperymentować. Węższe szczeliny wymagają silniejszych źródeł światła, z kolei zbyt szeroka szczelina nie pozwoli na obserwacje widma słonecznego. Następnie dekiel dokładnie oklejamy nieprzezroczystą taśmą tak, aby poza szczeliną nie przepuszczał światła.


Rys. 3: Elementy szczeliny i gotowa szczelina tekturowa.

- wersja „lux”: postępujemy dokładnie tak samo, tylko do szczeliny zamiast tektury używamy żyletki przecinając ją na pół wzdłuż większego boku na mniej więcej równe części i przyklejamy ją do dekla z wyciętym prostokątem tak, aby jej ostrza utworzyły wąską szparę:


Rys. 4: Elementy szczeliny i gotowa szczelina żyletkowa.

Siatka dyfrakcyjna:

W drugim tekturowym dekielku wycinamy nożykiem większy prostokątny otwór. Nożyczkami wycinamy z plastikowego krążka prostokąt o wymiarach większych, niż wycięcie, ale takich, żeby nie wystawał poza obręb dekielka. To będzie nasza siatka dyfrakcyjna. Przyklejamy ją taśmą do kółeczka z wyciętym otworem w taki sposób, aby zasłoniła go sobą całkowicie. Na koniec, podobnie jak poprzednio, oklejamy tak wykonaną siatkę dyfrakcyjną nieprzezroczystą taśmą, aby poza prostokątem na środku stała się nieprzepuszczalna dla światła.


Rys. 5: Elementy siatki i gotowa siatka dyfrakcyjna.

Montaż:

Dekiel z siatką przyklejamy za pomocą taśmy do jednego końca tubki po ręcznikach papierowych, pamiętając o tym, żeby zapewnić światłoszczelność w łączonych miejscach. Jeśli tego nie dopilnujemy, wtedy dostrzeżenie widma może być bardzo trudne zwłaszcza, jak będziemy patrzeć w kierunku Słońca. Szczelinę przykładamy do drugiego końca rolki i patrzymy na żarówkę jak przez lunetę od strony siatki. Patrząc trochę pod kątem, czyli trochę „nad” lub „pod” źródłem światła powinniśmy zobaczyć widmo. Następnie obracając dekiel ze szczeliną ustalamy pozycję, w której kierunek linii siatki jest równoległy do szczeliny – przy takiej orientacji widmo jest widoczne najwyraźniej:


Rys. 6: Złe i dobre ustawienie siatki dyfrakcyjnej względem szczeliny spektroskopu

Przy pomocy taśmy przytwierdzamy dekiel w takiej pozycji i nasz spektroskop jest już gotowy:

Rys. 7: Wygląd gotowego spektroskopu.

Czas wykonania po przygotowaniu wszystkich potrzebnych materiałów nie przekracza pół godziny.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Teraz można oglądać różne źródła światła. Jeśli jest ono dostatecznie silne – zobaczymy czasami drugi rząd widma, a jeśli zamiast gołym okiem będziemy patrzeć przez aparat (najlepiej, gdy zarówno spektroskop, jak i aparat są na statywie) wtedy zabawka przekształca się w spektrograf i można zarejestrować różne widma na kliszy lub matrycy CCD.

Przykładowe widma:

klasyczne żarówki mają widmo ciągłe (w tym miejscu uwidacznia się charakterystyka obrazu cyfrowego, gołym okiem przejście między kolorami jest płynne):

Rys. 8: Widmo żarówki klasycznej.

podobnie żarówki halogenowe:

Rys. 9:Żarówka halogenowa i jej widmo.

żarówki energooszczędne mają wyraźne linie widmowe:

Rys. 10: Widmo żarówki energooszczędnej.

podobnie jarzeniówki nowego typu:

Rys. 11: Widmo jarzeniówki nowoczesnej

jarzeniówki starego typu także mają linie widmowe, ale na tle widma ciągłego:

Rys. 12: Widmo jarzeniówki starego typu

Natomiast uliczne lampy sodowe mają widmo takie typu, jak jarzeniówki nowoczesne:




Rys. 13: Widma ulicznej lampy sodowej.

podobnie lampy rtęciowe:

Rys. 14: Widma lampy rtęciowej.

Przy zachowaniu szczególnej ostrożności można patrzeć również na Słońce – ze względu na to, że widmo i tak jest widoczne pod pewnym kątem do kierunku źródła nigdy w zasadzie nie patrzy się bezpośrednio na źródło, a poza tym patrzymy przez wąską szczelinę, która redukuje ilość przechodzącego dalej światła. W spektroskopie w wersji "lux" wyraźnie widać .

Rys.15: Fotografowanie prążków Fraunhofera

Uważając na to, aby spektroskop się nie zapalił można spróbować zobaczyć widmo płomienia gazu ziemnego w kuchence gazowej, świecy, czy ogniska podczas wakacyjnej wyprawy.

Wesołej zabawy!!