Μια "νέα" ματιά στο φως: φτιάξε το δικό σου φασματοσκόπιο

Μετάφραση Θοδωρής Πιερράτος

Πάρε ένα CD και ένα κουτί από δημητριακά, και τι έχεις; Με λίγη βοήθεια από τον Mark Tiele Westra, το αποκλειστικά δικό σου φασματοσκόπιο! Είναι καιρός να εξερευνήσεις τις ομορφιές των χρωμάτων τα οποία κρύβονται στα πιο καθημερινά αντικείμενα.

Το λευκό φως δεν είναι πραγματικά λευκό, αποτελείται από πολλά διαφορετικά χρώματα. Η σύσταση του φωτός, το φάσμα του, μελετάται με μια συσκευή η οποία ονομάζεται φασματοσκόπιο. Σε αυτό το άρθρο περιγράφουμε πώς κάποιος μπορεί να φτιάξει ένα πλήρως λειτουργικό φασματοσκόπιο χρησιμοποιώντας κάτι παραπάνω από ένα κουτί δημητριακών και ένα CD. Θα χρησιμοποιήσουμε το ιδιόχειρης κατασκευής όργανο για να ταξιδέψουμε στο θαυμάσιο κόσμο των κρυμμένων χρωμάτων πίσω από καθημερινά οικιακά αντικείμενα όπως λαμπτήρες, λάμπες φθορισμού, οθόνες υπολογιστών και φλόγες κεριών. Ας εξερευνήσουμε!!

Πώς να αναλύσετε το φως

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να διαχωρίσετε το λευκό φως στα συστατικά του χρώματα. Ένας τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε ένα πρίσμα, όπως έκανε ο Newton. Λόγω της μεταβαλλόμενης τιμής του δείκτη διάθλασης, διαφορετικά χρώματα ακολουθούν ξεχωριστές διαδρομές μέσα στο πρίσμα, υποχρεώνοντας το φως να διαχωριστεί.

Ένας άλλος τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε ένα φράγμα περίθλασης, το οποίο αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό μικροσκοπικών αυλακώσεων τοποθετημένων παράλληλα πάνω σε μια επιφάνεια, όπως φαίνεται παρακάτω.

Η αλληλεπίδραση των μικροσκοπικών αυλακώσεων με τα φωτεινά κύματα έχει ως συνέπεια διαφορετικά χρώματα να ανακλώνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

Ένα πρίσμα διαχωρίζει το λευκό φως στα χρώματα που το αποτελούν Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Μια μεγένθυση της επιφάνειας ενός CD Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Είναι ευτυχές το γεγονός ότι ο καθένας κατέχει υψηλής ποιότητας φράγμα περίθλασης στο σπίτι του: τα CD. Τα όμορφα χρώματα που φαίνονται όταν φως ανακλάται από την επιφάνεια ενός CD υποδεικνύει ξεκάθαρα ότι αυτό δρα όπως ένα φράγμα περίθλασης. Γιατί όμως; Η εικόνα παραπάνω δείχνει μια μεγάλη μεγένθυνση της επιφάνειας ενός CD. Η μουσική κωδικοποιείται σε στενές κα επιμήκεις κοιλότητες, οι οποίες τοποθετούνται σε ένα μακρύ σπειροειδές αυλάκι πάνω στην επιφάνεια του CD. Τα αυλάκια, τα οποία απέχουν μόλις 1,6μm (1600 nm), λειτουργούν ώς φράγμα.

Κατασκευάζοντας ένα φασματοσκόπιο από κουτί δημητριακών

Κατασκευή ενός ....... φασματοσκόπιου από κουτί δημητριακών. Το CD τοποθετείται με κλίση γωνίας 60° ως προς τον πάτο του κουτιού Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Μπορούμε να αξιοποιήσουμε αυτό το οικιακό φράγμα περίθλασης για να φτιάξουμε το δικό μας φασματοσκόπιο. Αυτό αποτελείται από δύο σημαντικά στοιχεία: ένα CD, το οποίο διαχωρίζει το φως στα διαφορετικά του χρώματα, και μια στενή σχισμή στην αντίθετη πλευρά του κουτιού η οποία παράγει μια στενή δέσμη φωτός. Η σχισμή δημιουργείται στη μια πλευρά του κουτιού χρησιμοποιώντας ένα χοντρό χαρτί και κολλητική ταινία. Ένα κάπως καλύτερο μοντέλο μπορεί να φτιαχτεί χρησιμοποιώντας δυο μικρές λεπίδες από ξυραφάκι , οι οποίες στερεώνονται με τις αιχμηρές πλευρές τη μια απέναντι από την άλλη, όπως φαίνεται στη φωτογραφία. Αν η σχισμή είναι αρκετά ευρεία το φάσμα θα είναι διάχυτο, ενώ αν είναι αρκετά στενή το φάσμα θα είναι πολύ αμυδρό. Ένα πλάτος 0,2 mm φαίνεται να αποδίδει καλά, αλλά κάποιος μπορεί να πειραματιστεί. Η ποιότητα του φάσματος που προκύπτει εξαρτάται από την ποιότητα της σχισμής οπότε πρέπει να κατασκευαστεί με προσοχή.

Στην άλλη πλευρά του κουτιού, ένα CD (ο συγγραφέας χρησιμοποίησε ένα κενό επανεγγράψιμο CD) τοποθετείται με κλίση 60º ως προς τον πάτο του κουτιού. Στην κορυφή κόβουμε μια τρύπα μέσα από την οποία μπορούμε να παρατηρήσουμε το CD. Καλύπτοντας κάθε τρύπα του κουτιού γύρω από το CD, όπως επίσης και τις άκρες του CD με μαύρη ταινία, δεν επιτρέπουμε στο φως να εισέλθει στο κουτί. Για να παρατηρήσουμε ένα φάσμα, η σχισμή κατευθύνεται προς μια πηγή φωτός (όσο πιο κοντινή τόσο καλύτερα), και ο ερευνητής κοιτάζει μέσα από την τρύπα στην κορυφή του κουτιού. Μετακινήστε ελαφρά το κουτί τριγύρω ώστε να έχετε μια αίσθηση για το τι θα κοιτάξετε. Μπορούν να τραβηχτούν φωτογραφίες του παρατηρηθέντος φάσματος χρησιμοποιώντας μια απλή ψηφιακή κάμερα με δυνατότητα φωτογράφησης macro, για κοντινή εστιάση, η οποία θα στερεωθεί στο κουτί με ταινία είτε με λαστιχάκια. Η κάμερα είναι επιθυμητό να έχει χειροκίνητη εστίαση καθώς μπορεί να είναι δύσκολο να επιτευχθεί ένα σαφές φάσμα με αυτόματη εστίαση.

Το φασματοσκόπιο που κατασκευ΄άστηκε από το συγγραφέα. Η φωτογραφία κάτω δεξιά δείχνει τη σχισμή που φτιάχτηκε από ξυραφάκια ξυρίσματος Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Μετρήσεις

Φάσμα από μιας λάμπας πυρακτώσεως Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Ώρα για πειράματα! Η πρώτη μας προσπάθεια είναι να δούμε το φάσμα μιας συνηθισμένης λάμπας πυρακτώσεως. Το αποτέλεσμα φαίνεται παρακάτω. Βλέπουμε ένα όμορφο, συνεχές φάσμα με όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου. Σε έναν τέτοιο λαμπτήρα το φως παράγεται από ένα υπέρθερμο μεταλλικό νήμα.

Δεύτερον, κοιτάζουμε δυο διαφορετικές λάμπες φθορισμού οι οποίες εκπέμπουν και οι δυο λευκό φως. Η πρώτη η οποία είναι μια συνηθισμένη λάμπα φθορισμού, δείχνει έναν αριθμό από σαφείς γραμμές πάνω σε υπόβαθρο συνεχούς φάσματος. Αυτές οι γραμμές εκπομπής (βλέπε το κείμενο παρακάτω) παράγονται από χαμηλής πυκνότητας ατμούς υδραργύρου μέσα στο σωλήνα. Ο υδράργυρος παράγει επίσης υπεριώδες φως το οποίο μετατρέπεται στο συνεχές φάσμα του ορατού φωτός από ένα λεπτό στρώμα φωσφόρου στην εσωτερική πλευρά του σωλήνα.

Φάσμα μιας συνηθισμένης λάμπας φθορισμού Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Η δεύτερη λάμπα φθορισμού (βλέπε παρακάτω) δείχνει ένα πολύ διαφορετικό φάσμα. Ο λόγος είναι ότι οι κατασκευαστές μπορούν να μεταβάλλουν το χρώμα του φωτός χρησιμοποιώντας διαφορετικούς συνδυασμούς φωσφόρων. Η παραπάνω λάμπα χρησιμοποιεί έναν φώσφορο ο οποίος εκπέμπει συνεχές φάσμα, αλλά αυτός ο τύπος λάμπας χρησιμοποιεί τους περίφημους τρίχρωμους φωσφόρους: ένα συνδυασμό τριών φωσφόρων ο καθένας από τους οποίους έχει το δικό του σύνολο γραμμών εκπομπής. Εμείς αντιλαμβανόμαστε το μίγμα των χρωμάτων που προκύπτει ως λευκό.

Φάσμα από έναν λαμπτήρα φθορισμού που χρησιμοποιεί τρίχρωμους φωσφόρους. Εξαιτίας της υπερέκθεσης της κάμερας, μερικές από τις γραμμές φαίνονται να έχουν ελαφρώς διαφορετικό χρώμα από αυτό που έχουν στην πραγματικότητα. Η φωτεινή κίτρινη γραμμή στο κόκκινο τμήμα του φάσματος θα έπρεπε να είναι επίσης κόκκινη Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Ένα μικρό τμήμα της οθόνης ενός φορητού υπολογιστή που δείχνει ένα λευκό έγγραφο του Word παράγει το φάσμα που φαίνεται παρακάτω. Τα τρία έγχρωμα εικονοστοιχεία που φτιάχνουν την εικόνα – κόκκινο, πράσινο και μπλε- είναι ιδιαίτερα διακριτά.

Το φάσμα μιας οθόνης φορητού υπολογιστή Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Πώς σχηματίζονται τα φάσματα

Μερικά από τα φάσματα που μπορεί να δει κανείς με το φασματοσκόπιο από κουτί δημητριακών εμφανίζει ένα συνεχές υπόβαθρο, με τα διάφορα χρώματα να μεταβάλλονται ομαλά από σκούρο κόκκινο μέχρι το σκούρο μπλε. Άλλα περιέχουν σαφείς γραμμές πάνω σε ένα συνεχές υπόβαθρο, σαφείς γραμμές χωρίς υπόβαθρο, ή ακόμη σκοτεινές γραμμές πάνω σε συνεχές υπόβαθρο, όπως το ηλιακό φάσμα (βλέπε παρακάτω). Γιατί υπάρχει όλη αυτή η ποικιλία; Πώς σχηματίζονται τα φάσματα?

Όλα οφείλονται στα άτομα. Ένα ανεξάρτητο άτομο μπορεί να βρεθεί σε διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις, ανάλογα με το αν τα ηλεκτρόνιά του βρίσκονται στις συνηθισμένες τους τροχιές ή έχουν διεγερθεί σε υψηλότερες τροχιές. Ένα άτομο δεν μπορεί να έχει οποιαδήποτε ενέργεια: τα ενεργειακά επίπεδα είναι σαφώς καθορισμένα, και προσδιορίζονται από τη λεπτομερή ατομική δομή. Όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταπηδά από μια τροχιά υψηλότερης ενέργειας σε μια άλλη τροχιά χαμηλότερης ενέργειας, η μεταβολή αντιστοιχεί σε ένα καθορισμένο ποσό ενέργειας το οποίο εκπέμπεται με τη μορφή ενός φωτονίου. Η ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτονίου καθορίζει το χρώμα του.

Επειδή πολλά διαφορετικά άλματα είναι πιθανά, κάθε άτομο μπορεί να εκπέμψει ένα ευρύ σύνολο διακριτών χρωμάτων φωτός. Εάν αυτό το φως διαχωριστεί από ένα πρίσμα ή ένα φράγμα περίθλασης κάθε χρώμα είναι ορατό σαν μια γραμμή εκπομπής στο φάσμα το οποίο λέγεται γραμμικό φάσμα.

Μικρή ποσότητα μαγειρικού αλατιού που τοποθετείται μέσα στη φλόγα ενός κεριού παράγει μια γραμμή εκπομπής του νατρίου Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Για να δούμε το σχηματισμό μια γραμμής εκπομπής, παρατηρούμε τι συμβαίνει όταν βάλουμε λίγο συνηθισμένο μαγειρικό αλάτι (χλωριούχο νάτριο, NaCl) μέσα στη φλόγα ενός κεριού. Η πάνω εικόνα δείχνει το συνεχές φάσμα της ίδιας της φλόγας, η οποία είναι όμοια με αυτή ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως. Όταν βάλουμε λίγο μαγειρικό αλάτι στην άκρη ενός μαχαιριού και το κρατήσουμε μέσα στη φλόγα, μια διάκριτη πορτοκαλί γραμμή εμφανίζεται στο φάσμα, η οποία αντιστοιχεί στην γραμμή εκπομπής του νατρίου (Na, στα 589 nm).

Ένα άτομο δεν εκπέμπει μόνο φως αλλά επίσης απορροφάει φωτόνια της ίδιας ενέργειας με αυτά που εκπέμπει. Εάν φως περάσει μέσα από κρύο, χαμηλής πυκνότητας ατομικό αέριο, τα άτομα του αερίου απορροφούν συγκεκριμένες συχνότητες σχηματίζοντας σκοτεινές γραμμές στο φάσμα, το οποίο ονομάζεται φάσμα απορρόφησης.

Οι τρεις τύποι φασμάτων και η αρχή σχηματισμού τους. Στερεά, υγρά και υψηλής πίεσης αέρια εκπέμπουν συνεχές φάσμα (πάνω). Χαμηλής πυκνότητας θερμό αέριο (στη μέση) εκπέμπει γραμμικό φάσμα. Τέλος, όταν φως συνεχούς φάσματος διέρχεται μέσα από χαμηλής πυκνότητας αέριο, συγκεκριμένα χρώματα του φωτός απορροφούνται αφήνονταςσχηματίζοντας σκοτεινές γραμμές σε ένα φάσμα απορρόφησης Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Αν όμως όλα τα φάσματα σχηματίζονται από άτομα που εκπέμπουν σαφώς καθορισμένα χρώματα, πώς σχηματίζονται τα συνεχή φάσματα; Για ένα μόνο άτομο, ανεπηρρέαστο από εξωτερικές επιδράσεις, οι γραμμές είναι πράγματι σαφείς. Αυτό συμβαίνει σε ένα αέριο χαμηλής πυκνότητας όπως αυτό σε ένα σωλήνα φθορισμού. Σε ένα αέριο υψηλότερης πίεσης, όπως συμβαίνει στον Ήλιο, αλλά επίσης στα υγρά και στα στερεά, υπάρχουν συχνές συγκρούσεις και πολλοί άλλοι μηχανισμοί που έχουν ως συνέπεια οι γραμμές να μην είναι πλέον σαφείς και να γίνονται διάχυτες, σχηματίζοντας ένα συνεχές φάσμα. Οι τρεις τύποι φασμάτων συνοψίζονται στην παρακάτω εικόνα.

Διαφορετικά άτομα (και μόρια) έχουν διαφορετικά φάσματα εκπομπής και απορρόφησης. Αυτή η διαφορά μπορεί να αξιοποιηθεί: απλά βλέποντας το φως που έρχεται από ένα μακρινό αντικείμενο, από τον Ήλιο ή ένα αστέρι για παράδειγμα, μπορούμε να πούμε ποια χημικά στοιχεία είναι παρόντα σε αυτό. Πάνω στη Γη, η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ώστε φωτίζοντας ένα δείγμα (συχνά ένα αέριο) και μετρώντας το φάσμα απορρόφησης, να μπορεί να συναχθεί η σύσταση του δείγματος.

Το ηλιακό φάσμα

Βγάζοντας το φασματοσκόπιό μας έξω, μπορούμε να δούμε το φάσμα του ηλιακού φωτός. Το φάσμα, που δείχνεται παρακάτω, φαίνεται συνεχές με μια πρώτη ματιά. Αν το δούμε όμως πιο προσεκτικά, μπορούμε να εντοπίσουμε αρκετές σκοτεινές γραμμές οι οποίες οφείλονται στην απορρόφηση συγκεκριμένων συχνοτήτων φωτός από άτομα στα εξωτερικά στρώματα του Ήλιου και στη γήινη ατμόσφαιρα. Η εικόνα παρακάτω  δεν αναδεικνύει όλες τις δυνατότητες του φασματοσκόπιου: με γυμνό μάτι οι γραμμές απορρόφησης μπορούν να φανούν με αρκετά μεγαλύτερη λεπτομέρεια.

Οι γραμμές απορρόφησης που παρατηρούμε στο ηλιακό φάσμα έχουν όνομα: γραμμές Fraunhofer. O Joseph von Fraunhofer (1787-1826) ήταν ο πρώτος που μελέτησε συστηματικά αυτές τις σκοτεινές γραμμές, αν και δεν ήταν ο πρώτος που τις παρατήρησε. Συνολικά κατέγραψε πάνω από 570 γραμμές τις οποίες ταξινόμησε και ονόμασε.

Το φάσμα του Ήλιου όπως φαίνεται με το φασματοσκόπιο μας από κουτί δημητριακών. Οι γραμμές αντιστοιχούν σε: (1) υδρογόνο στα 656 nm, (2) νάτριο στα 589 nm, (3) σίδηρο στα 527 nm, (4) μαγνήσιο στα 518 nm, (5) υδρογόνο στα 486 nm, και (6) σίδηρο και ασβέστιο στα 431 nm Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Mark Tiele Westra

Γύρω στα 1860 οι Kirchoff και Bunsen ανακάλυψαν ότι κάθε χημικό στοιχείο συνδέεται με ένα σύνολο φασματικών γραμμών. Συμπέραναν ότι οι γραμμές Fraunhofer στο ηλιακό φάσμα οφείλονταν στην απορρόφηση συγκεκριμένων χρωμάτων του φωτός στα εξωτερικά στρώματα του Ήλιου. Μερικές από τις γραμμές προκαλούνταν από την απορρόφηση του φωτός από άτομα στην ατμόσφαιρα της Γης, όπως του οξυγόνου. Η μελέτη αυτών των γραμμών οδήγησε στην ανακάλυψη του στοιχείου ήλιο στον Ήλιο, γεγονός το οποίο τελικά απέδειξε ότι ο Ήλιος τροφοδοτείται ενεργειακά από πυρηνική σύντηξη.

Μια υψηλής ανάλυσης εκδοχή του ηλιακού φάσματος, η οποία δείχνει μεγάλο αριθμό γραμμών Fraunhofer. Το μήκος κύματος αυξάνει από αριστερά προς τα δεξιά και από κάτω προς τα πάνω Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Εθνικού Αστεροσκοπείου Οπτικής Αστρονομίας, της Ένωσης Πανεπιστημίων για την Έρευνα στην Αστρονομία και του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών

Ευχαριστίες

Είμαι υπόχρεος στον Xiaojin Zhu του Πανεπιστημίου Ουισκόνσιν-Μάντισον, του οποίου ο δικτυακός τόπος (www.cs.cmu.edu/~zhuxj/astro/html/spectrometer.html) μου παρείχε όλες τις πληροφορίες που χρειαζόμουν για να κατασκευάσω το δικό μου φασματοσκόπιο και να ερμηνεύσω τα αποτελέσματα. Στον δικτυακό του τόπο είναι διαθέσιμα περισσότερα φάσματα. Ευχαριστώ επίσης τον Bartjan van der Meer χάρη στον οποίο συμμετείχα σε αυτό το καταπληκτικό επιστημονικό πρόγραμμα

Πηγές

Άρθρο της Wikipedia σχετικά με το ορατό φάσμα

Γενικά άρθρα για τα φάσματα

Άρθρο της Wikipedia σχετικά με το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Άρθρο της Wikipedia σχετικά με τη φασματοσκοπία

Άρθρο της Wikipedia σχετικά με τις γραμμές Fraunhofer

Άρθρο της Wikipedia σχετικά με τις γραμμές εκπομπής

Ο Mark Tiele Westra είναι Υπεύθυνος Ενημέρωσης Κοινού στο FOM-Institute for Plasma PhysicsRijnhuizen, στις Κάτω Χώρες.