Készíts spektroszkópot!

Amikor spektroszkópról beszélünk, akkor a vizsgált fény spektrumát szeretnénk megfigyelni, azaz a fényforrás hullámhossz szerint rendezett képét. Mivel a fény legtöbbször több hullámhosszú összetevőből áll. A spektroszkóp valamely anyag által ki- vagy átbocsátott fény szétbontására szolgáló készülék. Mindenki látott már prizma által szétbontott fényt, ha mást nem, akkor szivárványt. Biztosan mindenki látta már, hogy a CD lemez "szivárványosan" csillog, ha rá fény esik.

A prizma az összetett fényt a fénytörés elvén bontja összetevő színeire, mert az eltérő törésmutatójú különböző színek más-más útvonalon haladnak a prizmában, és így elválnak egymástól.

A CD a diffrakció, azaz fényelhajlás miatt bontja a fényt összetevő színeire.  A CD valójában egy optikai rács, mert a zenét/adatokat rövid és hosszú mélyedések spirális barázdákban elrendezett sorozatával kódolják. Ezek a barázdák, amelyek egymástól mindössze 1,6 µm (1600 nm) távolságra vannak, optikai rácsként működhetnek. Méretük olyan pici, hogy a fény hullámhosszával összemérhető, így a fény elhajlik, a különböző hullámhosszú, azaz színű összetevők különbözőképpen.

A már említett ESA/GTTP továbbképzésen készítettünk mi is egy spektroszkópot. A Hands-On Universe oldalán fent van egy nagyon részletes ismertető angolul arról, hogyan kell spektroszkópot készíteni otthoni eszközökből. Álljon itt most az én magyar verzióm:

Hozzávalók:

Szükség lesz

• egy papírtörölközős hengerre (minél hosszabb a henger, annál jobb lesz a felbontás, de annál erősebb fényre is lesz szükség, hogy látható legyen a színkép), vagy WC guriga
• egy felesleges CD-re, lehetőleg még nem használtra
• szigetelő szalagra
• sniccerre
• ollóra
• karton papírra

Előkészületek:

Az egész spektroszkópgyártás leglassabb, és leginkább pepecs része következik. A sniccerrel karcoljunk egy vékony vonalat a CD azon oldalára, ahol a festés van. Majd a vágott vonal mentén ragasszuk fel a szigetelő szalagot, és határozott mozdulattal tépjük le. Ha ügyesek vagyunk, akkor a szigetelő szalaggal együtt a CD borítása is vele megy. Nők előnyben.

Nem kell azonban nagyon tökéletesen pucolnunk a CD-t, csak annyira, hogy egy, a papírhenger keresztmetszetébe írható téglalapunk (olyan 4x3cm-es) legyen. Ha viszont osztálynyi gyerek készít spektroszkópot, akkor érdemes úgy számolni, hogy 3 (esetleg 4) kis téglalap is kijön egy CD-ből. (UPDATE: 10 is kijön...)

Így most van egy átlátszó optikai rácsunk. Ez fogja a fényt "színképére hajlítani".

A spektroszkóp házának elkészítése

Ha segít, akkor először nézd meg a leírás végén, hogyan fog kinézni, ha készen van, majd kezd el összeállítani.

A ház alapja a papírtörlős henger. Az egyik végére vékony réssel ellátott tetőt, a másik végére pedig a CD-ből kivágott optikai rács téglalapot fogjuk rakni.

Először másoljuk át a papírtörlő keresztmetszetét kétszer, és vágjuk ki a két körlemezt a kartonból.A résnek nagyon pontosnak kell lennie. Ezt nem tudjuk úgy megoldani, hogy belevágunk a körlemezbe, ezért helyette készítünk egy nagyobb téglalapot, majd két kisebb félkört vágjunk ki kartonból és illesszük a kivágott téglalapra úgy, hogy csak egy rés maradjon, majd ragasszuk e a szigetelő szalaggal. Ha nagyon éles rést akarunk akkor borotválkozó pengét is használhatunk. Kettétörjük, és az éleit egymás felé fordítva alakítjuk ki a rést.

A másik karton körlapra másoljuk fel a CD-ből kivágott, megtisztított téglalapunkat. Majd vágjunk egy ennél kisebb téglalapot ki a karton körlemezből, akkorát, amekkorának az ablakot szeretnénk, hogy legyen. Majd ragasszuk rá a CD-t a körlapra.
Ha ezzel készen vagyunk, akkor a réssel ellátott körlapot ragasszuk fel a papírtörlős hengerre, de a Cd-s körlapot még ne! Be kell forgatnunk még a megfelelő irányba!

Beforgatás, a végső lépés

A beforgatásnál jobb, ha valaki segít, de persze egyedül is megoldható a vonalak tájolása. Nézzünk egy fényforrás felé a CD ablakon keresztül. Forgassuk ezt a körlemezt mindaddig, amíg a színképvonalak a résre merőleges vonalban, vele párhuzamosan állnak.

Ekkor készen van a spektroszkópunk! Próbáljuk meg különböző fényforrásokat megvizsgálni vele: gyetya lángot, gázlángot, villanykörtét, halogént és neont, innentől már csak a képzeletünk szabhat határt.

Mire jó a színkép elemzés?! Mit lehet belőle megtudni?

Egy velős kis összefoglalót másoltam ide innen.

"A modern színképosztályozás a csillagok légköri hőmérsékletén és nyomásán alapul. A hőmérséklet meghatározza a csillag színét és felületegységének fényességét. A nyomás a felszíni gravitációs gyorsulástól, így durván a csillag méretétől függ. A méret és a felületi fényesség megadja a csillag luminozitását, a teljes fényteljesítményét. Ennek ismeretében a távolságra is következtetni lehet.

A fizikusok felfedezték, hogy az izzásig hevített szilárd testek, folyadékok vagy sűrű gázok folytonos spektrumú sugárzást bocsátanak ki mindenféle vonalak nélkül ez a kontinuum. Egy ritka forró gáz azonban csak az atomjaira jellemző bizonyos hullámhosszokon (színeken) sugároz, ilyenkor fényes emissziós vonalakat figyelhetünk meg. Ha hidegebb gáz helyezkedik el valamilyen sugárzó objektum előtt, akkor sötét elnyelési, vagyis abszorpciós vonalak jelennek mega színképben. Minden atomnak vagy molekulának megvannak a saját színképvonalai, amelyek hullámhosszát az elektronjaik energiaszintjei, pontosabban az azok közti különbségek határozzák meg. Ha egy elektron foton elnyelése során magasabb energiaszintre ugrik, akkor abszorpciós vonal, ha pedig foton kibocsátásával alacsonyabb szintre kerül, akkor emissziós vonal jön létre. A színképvonalak nemcsak arról árulkodnak, hogy milyen elemek vannak egy csillag légkörében, hanem arról is, hogy milyen fizikai körülmények között jöttek létre (hőmérséklet, nyomás, elektromos és mágneses tér erőssége, helyi mozgásviszonyok).

Így a színképelemzés segítségével a csillagokról nagyon sok információt szerezhetünk. A folytonos színképen belüli energiaeloszlás utal a csillag légkörének hőmérsékletére. A legtöbb információ azonban a színképvonalak vizsgálatából származik. A vonalak azonosítása és erőssége a kémiai összetétel meghatározását teszi lehetővé, amelyből a csillag korát becsülhetjük meg. A vonalak színképbeli helye, a laboratóriumi hullámhossztól való eltolódás mértéke a Doppler-effektus alapján annak a gáznak a mozgásviszonyait adja meg, ahol a vonal kialakul. A színképvonalon belül az intenzitás lefutása, a vonal alakja, a vonalprofil a csillag légkörét alkotó gázban lévő fizikai körülmények meghatározása mellett a csillag forgásának sebességére, az esetleges pulzációra, csillagszélre, tömegvesztésre, felszíni foltokra, a csillag körüli anyagra, kettősségre és sok másra enged következtetni.

Persze a Földön megfigyelt színkép a csillagtól, a köztünk lévő csillagközi anyagtól és a földi légkörtől együtt származik. A vonalak azonosításánál vigyázni kell erre, el kell különíteni a különböző eredetű vonalakat, sávokat."