Ako vyrobiť papierový spektroskop s mierkou
Na internete je mnoho návodov ako si pomocou papierovej krabice a CD vyrobiť spektroskop. Všetky však slúžia iba na demonštráciu, že biele svetlo sa pomocou difrakčnej mriežky rozkladá na spektrum farieb. Vytvoril som si preto svoj vlastný, s ktorým sa dá reálne aj merať. V tomto článku je návod na jeho výrobu a ukážky merania. Spektroskop sa dá použiť na manuálne meranie vlnovej dĺžky svetla, alebo v kombinácii s telefónom či kamerou na vyhodnocovanie spektrálnych kriviek, čím sa z manuálneho spektroskopu stáva digitálny spektrometer.
Ako to funguje
Ak rovinná svetelná vlna dopadne na prekážku (ktorej veľkosť je porovnateľná s vlnovou dĺžkou svetla) nastáva na tejto prekážke ohyb svetla. Difrakčná mriežka obsahuje tenké svetlé a tmavé pruhy, ktoré pôsobia ako miniatúrne prekážky. Po prechode svetla svetlými pruhmi nastáva rozptyl svetla vo všetkých smeroch, pričom v určitom uhle sa svetelné vlny skladajú (interferujú). Svetelné vlny v s rôznou vlnovou dĺžkou (farbou) pokračujú po prechode difrakčnou mriežkou v rôznych uhloch. Biele svetlo sa teda na difrakčnej mriežke ohýba a rozkladá na jednotlivé farby dúhy.
Za difrakčnú mriežku môžeme považovať aj kompaktný disk (Cédečko). Obsahuje tenké pruhy na ktorých sú zaznamenané dáta. Na obrázku vyššie je fotografia CD z elektrónového mikroskopu. Rozostup stredov jednotlivých pruhov je 1600 nm čo v prepočte odpovedá hustote difrakčnej mriežky 625 čiar/mm.
Papierová krabica spektroskopu slúži ako tmavá komora, do ktorej cez štrbinu preniká úzky pruh bieleho svetla. Svetlo dopadá na difrakčnú mriežku z CD. Na mriežke nastáva ohyb rôznych vlnových dĺžok (farieb) svetla pod rôznymi uhlami. Keď sa pozeráme cez difrakčnú mriežku (okulár) do tmavej komory, farebné difrakčné čiary sa premietajú v tmavej komore na mierku. Na mierke tak môžeme zmerať vlnovú dĺžku konkrétnej farby svetla. Obrázok vyššie nie je len ilustračný, ale zobrazuje skutočné uhly pre difrakčnú mriežku z CD.
Návod na výrobu spektroskopu
Pomocou voľného oka môžeme v tomto spektroskope sledovať vlnové dĺžky približne od 400 do 700 nm. Rozlíšenie je 10nm. Kto má ostrý zrak, dokáže sa dostať na úroveň 5nm. Presnosť merania absolútnej hodnoty konkrétnej vlnovej dĺžky závisí od počiatočnej kalibrácie.
Stiahneme si PDF súbor a vytlačíme na kancelársky papier A4.
Mierku vystrihneme a odložíme bokom. Zvyšnú plochu podlepíme hrubým čiernym papierom a necháme poriadne zaschnúť.
Z papiera vystrihneme tvar pozdĺž hrubých čiar. Čiarkované čiary jemne prejdeme žiletkou a ohneme. Štrbina pre vstup svetla by mala byť široká približne 0,3mm. Hrany štrbiny by mali byť čo najrovnejšie. Od toho závisí aj kvalita zobrazenia spekrálnych čiar.
Po vystrihnutí tvaru zlepíme všetky časti okrem okuláru.
Ako difrakčnú mriežku použijeme CD (Nie DVD – to má inú hustotu mriežky). Naznačíme si štvorec približne 10x10 mm a nožnicami ho z CD vystrihneme. Strihanie ide jednoduchšie, keď CD trochu nahrejeme pod lampou.
Na stranu potlače nalepíme lepiacu pásku.
Strhneme lepiacu pásku aj s potlačou a dostaneme priehľadný kúsok plastu. Obnaženú plochu očistíme a už sa jej nedotýkame rukami, aby sa nezničila difrakčná mriežka.
Kúsok CD vlepíme do okienka okuláru tak, aby bol oblúčik pôvodného CD rovnobežný so štrbinou. Na okulári je z vonkajšej strany v pravo naznačená orientácia oblúčika. Okienko okuláru privrieme bez lepenia, namierime na žiarivku a skontrolujeme, či sú spektrálne čiary rovnobežné so štrbinou. Pokiaľ sú čiary krivo, upravíme polohu CD miernym natočením, zakiaľ ešte lepidlo úplne nezachlo. Ak je všetko v poriadku, prilepíme napevno aj okienko okuláru.
Samotná mierka by mala byť z tenkého papiera, aby cez neho presvitalo trochu svetla, ktoré umožňuje čítať stupnicu. Kto má možnosť, môže si vytlačiť mierku na priehľadnú fóliu. Mierku musíme nalepiť v správnej pozícii - kalibrovať.
Kalibráciu vykonáme tak, že namierime spektrometer na žiarivku a mierku prilepíme v takej polohe, aby modrá čiara spektra prechádzala čo možno najpresnejšie hodnotou 436 a zelená 546.
S týmto spektroskopom dokážete:
- Pozorovať rozklad bieleho svetla na spektrum farieb
- Pozorovať diskrétne emisné a absorpčné spektrá
- Pozorovať Fraunhofferove čiary
- Zmerať vlnovú dĺžku konkrétnej farby svetla
- Zmerať rozsah vlnových dĺžok ktoré dokáže vidieť konkrétny človek
- Zmerať rozsah vlnových dĺžok ktoré vyžaruje nejaký svetelný zdroj
- Identifikovať zloženie plynových svetelných trubíc
- Identifikovať niektoré prvky pomocou skúšky plameňom
- Identifikovať niektoré kovy pomocou iskrových spektier
- Analyzovať spektrálne krivky ako závislosť intenzity od vlnovej dĺžky
- Určiť hodnotu priepustnosti optických filtrov
- Identifikovať niektoré prvky v atmosfére pomocou absorpcie svetla
- Konvertovať vlnovú dĺžku z nanometrov na frekvenciu alebo Anštrémy
- Zmerať teplotu povrchu slnka alebo niektorých čiernych telies
Vytvorenie spektrálnej krivky z fotky
Tento papierový spektroskop je primárne učený na manuálne meranie, ale ak k okuláru spektroskopu priložíme fotoaparát, môžeme si meranie zaznamenať ako obrázok. Tento obrázok sa dá ďalej digitálne spracovať a vytvoriť spektrálnu krivku (profil), čím sa zo spektroskopu stáva spektrometer. Spektrálna krivka je grafická závislosť intenzity v závislosti od vlnovej dĺžky. Jednoducho povedané, určitá farba svetla má svoju vlnovú dĺžku a intenzita je energia (jas) na tejto vlnovej dĺžke.
Pre spektrálny profil je potrebné vybrať z pôvodného obrázku oblasť mimo mierky. V programe MS Paint nakreslíme na pozícii 400nm a 700nm tenké biele rysky. Orežeme obrázok na šírku rysiek a výšku 1 pixel.
Pomocou príkazu zmena veľkosti roztiahneme výšku obrázku na 200 pix, pri zachovaní šírky. Dostaneme tak dokonale rovnobežné spektrálne čiary.
Na vyhodnotenie jasu spektrálnych čiar existuje viacero programov. Ja som použil ImageJ. Pomocou ikony úsečka nakreslíme horizontálnu čiaru cez celý obrázok. Z menu vyberieme: Analyze – Plot profile. Vykreslí sa krivka priebehu intenzity v závislosti od pozície pixelov. Pokračujeme tlačidlom Save a uložíme namerané hodnoty do textového súboru.
Namerané hodnoty z textového súboru sa dajú spracovať v niektorom tabuľkovom procesore. Ja som použil Excel. Prvý stĺpec je pozícia x v pixeloch. Môj obrázok má šírku od rysky po rysku 1269 pixelov, v rozsahu vlnových dĺžok 700 – 400 = 300 nm. Takže prepočítame pixely na nanometre cez 300 / 1269 = 0,236 nm/pix a pripočítame počiatočnú hodnotu rysky 400 nm.
Druhý stĺpec nameraných údajov vyjadruje intenzitu v odtieňoch sivej, pričom 0 je úplne čierna a 255 je čisto biela. Prepočítame tieto hodnoty na percentá tak, že hodnota 255 tvorí základ 100%. Dostávame relatívnu hodnotu intenzity. Prepočítané hodnoty si zobrazíme do grafu. Ako pozadie grafu vyberieme analyzovaný obrázok spektrálnych čiar. Na obrázku vyššie je porovnanie mojej spektrálnej krivky so špecifikáciou výrobcu úspornej žiarivky Exo-Terra-Natural.
V žiarivkách sa nachádza ortuť s typickým emisným spektrom modrej 436 nm a zelenej 546 nm. Ostatné farby sa dosahujú pridaním ďalších prvkov, dokopy vytvárajú biele svetlo.
Fraunhofferove čiary
Podobným spôsobom som vyhodnotil aj slnečné svetlo. Spektrometer som nemieril priamo do slnka, pretože svetlo bolo príliš intenzívne. Zachytil som rozptýlené svetlo zo zamračenej oblohy.
Použil som fotoaparát s odstráneným cut-of filtrom, takže zachytené svetlo je v rozsahu 300 – 800 nm.
Slnko vydáva spojité spektrum v ktorom sú tmavé pásy – Fraunhofferove čiary. Tie sú výsledkom absorpcie svetla chemickými prvkovavmi prítomnými v chronosfére Slnka a atmosfére Zeme. Vlnové dĺžky absorpcie pre jednotlivé prvky sú všeobecne známe tabuľkové hodnoty.
Meranie teploty čierneho telesa
Absolútne čierne teleso je také teleso, ktoré neodráža žiadne svetlo. Ak budeme takéto teleso ohrievať, začne samovoľne vyžarovať spojité spektrum svetla. Najprv s prevahou infračerveného žiarenia, potom viditeľného svetla a pri vysokých teplotách až ultrafialového žiarenia. Podobne ako keď zahrievame nejaký kov. Pri nízkych teplotách je červený, pri vyšších žltý a pri veľmi vysokých teplotách je rozpálený do biela.
Pre konkrétnu teplotu čierneho telesa existuje v spojitom spektre hodnota maximálnej intenzity pri konkrétnej vlnovej dĺžke. Zo spektrálneho profilu teda zistíme maximum a k nemu priradíme teplotu. V oblasti viditeľného spektra sa však nachádza maximum len pre rozsahy teplôt 3500 – 6500 °C. Súvisí s tým aj určenie teploty svetelného zdroja v Kelvinoch. Teda či v spektre prevažuje teplá červená alebo studená modrá.
Slnko môžeme tiež považovať za čierne teleso, pretože svetlo len vyžaruje a neodráža. Z analýzy slnečného spektra som získal maximum pri 540nm ktoré zodpovedá teplote 5367K čo je v prepočte 5094°C. Povrch slnka má teda teplotu rádovo 5000°C.
Analýza videa zo spektroskopu v reálnom čase
Ak snímame obraz spektroskopu pomocou web kamery, získame video spektra v reálnom čase. Analýza spektra v reálnom čase má zmysel len vtedy, ak sa spektrum v čase mení. Napríklad počas zahrievania žiarivky po zapnutí.
Na vyhodnocovanie videa z web kamery slúži výborný program Theremino Spectrometer. Obsahuje kalibráciu aj rôzne možnosti zobrazenia.
Ďalšou možnosťou je použiť online aplikáciu Spectralworkbench. Jej výhodou je, že ju nie je potrebné inštalovať. Naopak nevýhodou, že kvôli kalibráci je potrebné sa registrovať.
Priamo pre spracovanie v smartfóne existuje pre Android tiež viacero aplikácií, napríklad jednoduchý AspectraMini.
Osobne analýzu spektier pomocou videa príliš nevyužívam. Ak potrebujem zaznamenať zmenu spektra v čase, nastavím fotoaparát na sekvenčné snímanie v pravidelných intervaloch. Ďalšou nevýhodou spracovania obrazu cez kameru je, že ak pohnem kamerou voči spektroskopu, musím znova vykonávať kalibráciu vlnovej dĺžky. Navyše rozlíšenie videa a expozícia sú horšie oproti veľkoformátovej fotografii, čo má vplyv na rozlišovaciu schopnosť spektroskopu.
Spektrá svetelných zdrojov
Nasledujú ukážky spektier rôznych sveteľných zdrojov. Pri veľmi slabom svetle som musel použiť vysoké ISO a preto je v nich veľa šumu.
 |
 |
Zelený Laser s definovanou vlnovou dĺžkou 532nm
 |
 |
Zelená LED dióda
 |
 |
Červený laser
 |
 |
Červená LED dióda
 |
 |
Infralampa
 |
 |
Infračervená LED diaľkového ovládača na TV
 |
 |
RGB LED dióda
 |
 |
Sodíková lampa (Na)
 |
 |
Soľ (NaCl) sfarbuje plameň do oranžova
 |
 |
Neónová tlejivka
 |
 |
Svietiaci spínač predlžovačky
 |
 |
Ultrafialová lampa (UVC)
Iskrové spektrá
Svetlo z vodivých materiálov môžeme vybudiť pomocou iskry. Rôzne materiály produkujú iskry rôznej farby a toto svetlo môžeme analyzovať. Iskry sú však veľmi slabé a miešajú sa z modrým svetlom samotného elektrického oblúka.
Ako zdroj prúdu som použil autonabíjačku 12V / 5A.
 |
 |
Iskrové spektrum Medeného elektroinštalačného drôtu
 |
 |
Oceľový kliniec
 |
 |
Hliník z čajovej sviečky