Experimenty s jednoduchým spektroskopem

Úvod

Postupy uvedené na této stránce by měly usnadnit začínajícím zájemcům o spektroskopii udělat první experimenty se záznamem spekter a zároveň ukázat, co lze dělat s velmi jednoduchým vybavením za pár korun. Popis výroby jednoduchého spektroskopu z CD nebo DVD disku je uveden zde - Výroba jednoduchjého spektroskopu z CD nebo DVD. Výroba je velmi snadná a jistě ji zvládne každý. Chtěl bych ale upozornit, nikdy !!! přístrojem nehleďte přímo do slunce nebo na velmi jasné zdroje světla při plně otevřené štěrbině. Hrozí vážné poškození zraku.

Jak spektra pozorovat a co lze jednoduchým spektroskopem vidět

V případě, že za sebou úspěšně máte výrobu jednoduchého spektroskopu, můžeme přikročit k experimentům. První věcí, kterou musíme udělat, než začneme pozorovat spektra je nastavení šířky vstupní štěrbiny. Dobrou volbou je začít s šířkou okolo 0.5 mm, pozorujeme-li slabší zdroje světla jako např. zataženou oblohu nebo zářivku z větší dálky. Šířka vstupní štěrbiny přímo ovlivňuje šířku spektrálních linií. Čím je štěrbina uzší, tím jsou uzší i spektrální čáry a lze dosáhnout jejich lepšího rozlišení. Doporučuji vyzkoušet, jak se např. mění vzhled spektra obyčejného denního světla. Toto spektrum obsahuje množství slabých absorpčních linií, jejichž ostrost a tedy i rozlišení je přímo závislé právě na šířce štěrbiny. U úhlově malých zdrojů světla lze štěrbinu zcela otevřít (šířka otvoru 2 i více mm).

Máme-li štěrbinu nastavenu, namíříme spektroskop proti nějakému jasnému zdroji světla (obloha, žárovka apod.). Nyní pootáčíme pomalu hřídelkou, na niž je upevněna mřížka, dokud neuvidíme obraz štěrbiny. Vidíme-li totiž obraz štěrbiny, můžeme pohledem skrze ni snadno zaměřit zdroj světla bez dlouhého hledání. Máme-li zdroj zaměřen, stačí již jen pomalu otáčet hřídelkou směrem k sobě, dokud se nám neobjeví spektrum 1. řádu. Dalším otáčením lze zobrazit i spektra vyšších řádů, jejich intenzita je ale nižší a u slabších zdrojů světla jsou hůře viditelná.

Nyní už nezbývá nic jiného, než se vydat na průzkum domácnosti a blízkého okolí. Obligátně bychom průzkum začali u obyčejné žárovky, nečeká nás však žádné překvapení, uvidíme obyčejné spojité spektrum bez žádných zvláštností.

O poznání zajímavější je pohled na úsporné zářivky. Vyzařují emisní spektrum s izolovanými spektrálními čarami a pásy. Vzhled spektra může být odlišný pro různé typy zářivek, záleží na typu luminoforu kterým je pokryt vnitřek trubice (baňky). Dalším zdrojem emisního spektra, který je v domácnostech poměrně běžný jsou různá orientační světla a indikátory, kde jsou použity doutnavky. Ty jsou plněny neonem a pro jejich spektrum je charakteristické množství intenzivních čar v oranžové až červené oblasti spektra.

Zjímavý je i pohled na obrazovku televizoru nebo monitor počítače, kde je patrné víceméně spojité spektrum s několika izolovanými emisními čarami na červeném konci spektra. Dalším zdrojem který můžeme prozkoumat jsou LED diody. Pomineme-li bílou LED, pak u různě zbarvených diod uvidíme pouze určitou část spektra, ve které dioda září. Vděčnými zdroji pro pozorování jsou různé výbojky. V domácnostech nejsou až tak běžné (mimo zářivek), ale při procházce nočním městem jich objevíme hned několik. Jsou to zejména sodíkové nebo rtuťové výbojky používané v pouličním osvětlení. Dále si můžeme prohlížet reklamní "neonové" trubice které jsou plněny různými plyny nebo jejich směsmi a podle toho vydávající světlo v příslušné barvě.

Má-li někdo doma rtuťovou výbojku, např. v "horském slunci", může si prohlédnout jak vypadá emisní spektrum rtuti. Zde však pozor!!! Výbojka produkuje škodlivé UV záření, proto je dobré v zájmu zachování zdravého zraku vymezit ze zdroje pouze svazek světla který necháme projít skrze obyčejné sklo (např. podložní sklíčko pro mikroskopické preparáty) které z části škodlivé UV záření odfiltruje.

Obrovský prostor pro experimentování poskytují jiskrová spektra, která lze tímto jednoduchým přístrojem také pozorovat. Kromě spektroskopu budeme ještě potřebovat proudový zdroj (postačí 0.5 až 1A). K jeho svorkám připojíme elektrody ze zkoumaného materiálu. V případě, že se jedná o vodivý materiál, lze ho ke svorkám zdroje připojit přímo, v opačném případě se látka rozdrtí na prášek s čistým grafitem a ze směsi se vylisuje tabletka, která je již vodivá a lze ji vodivě spojit se zdrojem. Pak již jen stačí před štěrbinou několikrát škrtnout elektrodami o sebe a zaznamenat spektrum vzniklého výboje.

Jak spektra zaznamenávat

V předchozí kapitole jsme si ukázali co můžeme jednoduchým spektroskopem pozorovat. Co však dělat, chceme-li spektra nějakým způsobem zaznamenat a archivovat. Možností je několik:

Nejlevnější, ale zároveň nejpracnější a nejméně přesnou variantou je ruční překreslení spektra. K tomuto účelu je vhodné si na papír předkreslit obdélník(y) vhodného rozměru s přiřazeným měřítkem podél jeho delší strany, případně rovnou použít milimetrový papír a do tohoto obdélníku zakreslovat spektrální čáry. Důležité je nejenom pokud možno přesně vystihnout polohu čar, ale i jejich intenzitu.

1.štěrbina, 2.rovinné zrcátko, 3. difrakční mřížka (CD), 4.přepážky

Lepší variantou je použití fotoaparátu. Zde se nabízejí dvě možnosti. Použít fotoaparát digitální nebo klasický fotoaparát na kinofilm. V obou případech platí, že použitelný fotoaparát je pouze ten, který umožňuje alespoň nastavení expozičního času a pokud možno i manuální ostření. Není vyloučeno, že s "kompaktem" by bylo možné spektra fotit také, ale bude to asi dost nepříjemná práce s nejistým výsledkem, hlavně tedy s kompaktem na kinofilm. Samozřejmostí je také stabilní umístění spektroskopu a fotoaparátu, vzhledem k delším expozičním časům. Pro fotografování všech níže uvedených pekter jsem použil pouze provizorní uspořádání spektroskopu zobrazenou na obrázku vedle.

Nastavení citlivosti

Veškerá spektra na této stránce byla pořízena fotoaparátem Panasonic DMC FZ3. Ten umožňuje nastavení ekvivalentu citlivosti v rozsahu (80 - 400 ISO). Pro fotografování spekter jsem volil citlivost při dolní hranici, tzn. 80 nebo 100 ISO, vzhledem k nižšímu šumu ve výsledném obrazu.

Nastavení clony

Expoziční škála (pro větší obrázek klikněte)

Clonové číslo je vhodné nastavit spíše nižší, vzhledm k malým intenzitám světla přicházejícím ze slabších zdrojů (např. doutnavky). Záleží však hodně na kvalitě optiky. Veškerá spektra uveřejněná na této stránce byla focena s plně otevřenou clonou, tedy f 2.8

Nastavení času

Nastavení expozičního času záleží na mnoha faktorech jako je clona, šířka štěrbiny apod. V případě použití digitálního fotoaparátu je vhodné vyzkoušet několik expozičních časů při konstantní hodnotě clonového čísla a konstantní šířce štěrbiny, která by měla být vzhledem k dobrému rozlišení spektrálních čar co nejuzší. Jako příklad je uveden obrázek vpravo, kde jednotlivé expozice byly prováděny při ekvivalentní citlivosti 100 ISO, clonovém čísle 2.8, šířce štěrbiny cca 0.3 mm. Jako zdroj světla byla použita kompaktní zářivka 13 W vzdálená 0.5 m. Z obrázku vyplívá jedna zásadní věc. Volba expoziční doby závisí především na tom, co chceme ve spektru pozorovat. Kratší expoziční časy je vhodné použít k fotografování intenzivních spektrálních linií, vzhkledem k tomu, že při delších expozicích dochází k jejich přeexponování. Naopak, chceme-li zaznamenat i velmi slabé linie, musíme exponovat delší dobu, za cenu přeexponování intenzivních spektrálních čar.

Zpracování spekter v grafickém editoru

Spektrum vyfotografované dle výše uvedeného postupu bude vypadat asi tak jako na tomto obrázku. Na obrázku je patrná nedokonalá světlotěsnost použitého uspořádání projevující se jako nežádoucí odlesky v krajích snímku, v horším případě překrývající části spektra. Vzhledem k tomu, že při konstrukci spektroskopu bylo použito pouze CD nebo DVD místo skutečné difrakční mřížky, tak získané spektrum nemá rovné emisní (absorpční) čáry jak je zvykem, ale je tvořeno oblouky. Nic však není ztraceno, pomocí jednoduchého grafického editoru lze vyrobit spektrum s rovnými liniemi a navíc se zbavit "nepohodlných" partií snímku. Postup je následující:

Soubor s obrázkem spektra otevřeme v grafickém editačním programu (PhotoShop, PaintShop, apod.)
Pomocí nástroje výběr označíme část spektra vysokou pouze jeden pixel a širokou tak, abychom obsáhli všechny emisní nebo absorpční linie. Tuto část zkopírujeme do schránky
Nyní jsou dvě možnosti jak dále pokračovat
Vytvoříme nový prázdný obrázek a nastavíme jeho šířku stejnou nebo o něco málo větší, než byla šířka výřezu dle předchozího bodu. Výšku obrázku si muže každý zvolit individuálně dle svých potřeb. Já používám standardně výšku 100 pixelů. Podkladovou barvu je vhodné zvolit černou.
Nyní do připraveného prázdného obrázku vkládáme opakovaně pod sebe vytvořený výřez. Vkládat je nutno přesně, jinak je výsledné spektrum "zubaté". Vhodné je obrázek zvětšit a výřezy pod sebe vkládat podle něktré vybrané linie tak, aby všechny ostatní čáry lícovaly.
Druhý způsob spočívá v přímém roztažení obrázku např. pomocí funkce Resize. Tento způsob však v některých grafických editorech nemusí fungovat zcela uspokojivě, proto je nutné vhodný postup vyzkoušet.
Takto vyrobené spektrum zbývá už jen uložit. Ve většině případů je vhodné ještě před uložením upravit jas a kontrast, případně obrázek mírně doostřit.

Několik postřehů na závěr. Výběru oblasti, která bude ze surového snímku kopírována je nutné věnovat zvýšenou pozornost, protože tento výběr ovlivní výsledný vzhled spektra. Tím, že je vybírána oblast o výšce jednoho bodu, stačí, aby se v některém místě objevil drobný kaz (způsobený např. prachem) a ve výsledném spektru se objeví artefakt čáry, která tam ve skutečnosti vůbec není. Další vada která se na snímku může objevit je způsobena snadnou deformací palastu ze kterého je CD (DVD) vyrobeno - v něktrých částech snímku může dojít k deformaci nebo splynutí čar. Toto je daň za použití provizorního difrakčního prvku jako je CD.

Ukázky spekter

Dále jsou uvedeny ukázky něktrých spekter získaných jednoduchým spektroskopem výše uvedenými postupy. Spektra jsou rozdělena na spektra spojitá, emisní a absorpční.

Spojitá spektra

Bílá LED dioda

Abych se přiznal, byl jsem zvědav co uvidím až přístroj namířím na bílou LED diodu. Vytvořit totiž LED diodu, která bude svítit bílým světlem nebylo vůbec jednoduché, ale vše se nakonec zdařilo a tyto diody jsou v dnešní době již masivně využívány. Při pohledu na spektrum vidíme, že se vývojářům povedlo co zamýšleli a výsledné spektrum je opravdu spojité.

Emisní spektra

Neon

Zdrojem světla pro toto spektrum byla doutnavka umístěná ve vypínači k prodlužovací šňůře. Nikdy jsem neuvažoval nad tím, co tam vlastně svítí. Až při náruživém prolézání bytu s nově vyrobeným spektroskopem jsem zjistil, že toto světélko neprodukuje spojité spektrum a hned bylo vše jasné. Ve vypínači je zabudována doutnavka, která je plněna neonem. Těchto doutnavek se dá s výhodou využít ke kalibraci třeba astrospektrografů v oblasti Ha, vzhledem k množství dostatečně silných emisních čar neonu na červeném konci spektra.

Rtuť

Jako zdroje světla při fotografování tohoto spektra jsem použil UV lampu se rtuťovou výbojkou po odejmutí tmavého křemenného filtru (výroba lampy je popsána v kapitole Konstrukce - "UV lampa pro mineralogy"). Na tomto místě znovu připomínám, že se jedná o zdroj tvrdého UV záření a pro fotografování byl ze zdroje vyveden svazek světla procházející skrze obyčejné čiré sklo, které částečně odfiltruje UV podíl záření. Intenzivní modrá čára leží na vlnové délce 435 nm a je pro rtuť charakteristická.

Hliník

Jiskrové spektrum (napětí 5 V, proud 2A). Jako elektrody byly použity dva hliníkové dráty

Měď

Jiskrové spektrum (napětí 5 V, proud 2A). Jako elektrody byly použity dva měděné dráty. Za povšimnutí stojí tři intenzivní zelené čáry v oblasti okolo 515 nm, které jsou pro měď typické. Při plamenové zkoušce na přítomnost mědi jsou původcem zeleného zbarvení plamene právě tyto spektrální linie.

Železo - legovaná ocel

Jiskrové spektrum (napětí 5 V, proud 2A). Jako elektrody byly použity dva plátky vystřižené z holicích žiletek. Převážná část čar patří železu. Železo se pro množství čar, jejichž vlnové délky jsou dobře známy a tabelovány, často používalo v kvalitativní emisní spektrografii jako standard.

Uhlík

Jiskrové spektrum (napětí 5 V, proud 2A). Jako elektrody byly použity dvě uhlíkové elektrody vypreparované z 1.5 V monočlánků a před použitím vyžíhané v plameni. Zde jsou již vidět jen některé emisní čáry na spojitém pozadí. Při zkratu a oddalování uhlíkových elektrod vzniká po krátkou chvíli i elektrický oblouk, takže spektrum není čistě jiskrové.

Zářivka

Snímek spektra zářivky OSRAM L 13W/826. Světlo zde vzniká výbojem v parách rtuti, převážná část energie je vyzářena v oblasti UV záření (nejvíce na vlnové délce 254 nm), aby byla tato energie využita a abychom získali světlo v přirozené barvě je vnitřní část výbojové trubice pokryta luminoforem, který je buzen právě UV zářením a vydává světlo ve viditelné oblasti. V pravé části spektra si všimněme intenzivní modré čáry na vlnové délce 435 nm jejímž původcem jsou právě páry rtuti. Zcela vpravo na kraji snímku je patrná slabá čára na vlnové délce 405 nm taktéž příslušející Hg.

Absorpční spektra

Sluneční spektrum

Sluneční spektrum s absorpčními čarami prvků vodíku, sodíku, vápníku, železa a mnoha dalšími. Některé čáry se ve spektru objeví až po průchodu zemskou atmosférou (např. čáry kyslíku a v blízké infračervené oblasti i molekuklové pásy oxidu uhličitého). Klepnutím na obrázek získáte náhled v lepším rozlišení s identifikovanými význačnými čarami a jejich vlnovými délkami.