Vess egy új pillantást a fényre: készítsd el a saját spektroszkópod

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna

Végy egy CD lemezt és egy gabonapehely dobozt. Mark Tiele Westra útmutatását követve elkészítheted belőlük a saját spektroszkópod. Itt az ideje annak, hogy felfedezd a csodás színeket, amelyeket a legközönségesebb tárgyak is magukban rejtenek.

A fehér fény valójában nem fehér, hanem sokféle színből áll. A fény összetevőit – a spektrumot – a spektroszkóp nevű eszközzel tanulmányozhatjuk. Ebben a cikkben leírjuk, hogy hogyan készíthetsz el egy működőképes spektroszkópot egyCD lemez, egy gabonapehely doboz és néhány más apróság felhasználásával. Ezzel a magad által készített eszközzel megcsodálhatod azokat a színeket, amelyeket a mindennapi tárgyaink, például egy villanykörte, egy fénycső, a számítógép monitorja vagy egy gyertya lángja rejtegetnek a számodra. Felfedezésre fel!

Hogyan válasszuk a fényt összetevőire

A fehér fényt többféle módszerrel választhatjuk szét különböző színű összetevőkre. Egyik lehetőség az, hogy prizmát használunk, ahogy azt Newton is tette. Mivel eltérő a törésmutató a különböző színek esetében, ezért ezek más-más útvonalon haladnak a prizmában, és így elválnak egymástól.

A másik lehetőség, ha úgynevezett optikai rácsot használunk, amelyet egy felületen elhelyezkedő igen sok egymással párhuzamos barázda alkot, amint azt az alábbi ábra mutatja.

A fényhullámok kölcsönhatásba lépnek a kis barázdákkal, és ennek következtében a különböző színek eltérő irányokba verődnek vissza.

A prizma összetevőire bontja a fehér fényt Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Egy CD lemez felszínének 6250-szoros nagyítása Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Szerencsére mindenkinek rendelkezésére áll otthon egy igen jó minőségű optikai rács: egy CD lemez. Azok a gyönyörű színek, amelyeket akkor láthatunk, amikor a fény visszaverődik a CD lemez felszínéről, világosan mutatják, hogy a lemez optikai rácsként viselkedik. De miért? A fönti illusztráció megmutatja, hogyan néz ki egy CD lemez felszíne erős nagyításban. A zenét 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.

A gabonapehely-doboz spektroszkóp elkészítése

A gabonapehely-doboz spektroszkóp elkészítése. A CD-t 60 °– os szögben illesszük a doboz aljára Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Jó hasznát vesszük ennek az otthon is fellelhető optikai rácsnak a spektroszkópunk elkészítésénél. A spektroszkóp két fontos elemet tartalmaz: a CD-t, amely a fényt különböző színű összetevőire bontja, és egy szűk rést a doboz ellentétes oldalán, amely csak egy keskeny fénysugarat enged át. A doboz egyik oldalán készítsük el a rést vastag papír és ragasztószalag felhasználásával. Egy kicsit csinosabb modellt kaphatunk, ha egy egyszer használatos borotvapenge két darabját ragasztjuk be élükkel egymás felé, ahogy azt a kép mutatja. Ha a rés túlságosan széles, a spektrum elmosódott lesz, ha pedig túlságosan keskeny, akkor a színkép halvány lesz. A szerzőnek a 0,2 mm széles rés vált be, de lehet még további kísérleteket folytatni. A színkép minősége a réstől függ, ezért azt gondosan készítsük el.

A doboz másik oldalára ragasszuk be a CD-t (a szerző üres újraírható lemezt használt) úgy, hogy a doboz aljával 60º-os szöget zárjon be. A doboz tetejére vágjunk egy lyukat, amelyen keresztül nézhetjük a CD-t . Sötét ragasztószalaggal ragasszunk be minden lyukat a CD körül, amelyen keresztül beszökhet a fény. Amikor tanulmányozni akarjuk a színképet, a rést fordítsuk a fényforrás felé (minél közelebb helyezzük el, annál jobb), és a megfigyelő nézzen bele a doboz  tetején lévő lyukba. A doboz kis mozgatásával pontosan állítsuk be a spektrumot. A spektrumot le is fényképezhetjük olyan digitális kamerával, amelyiknél van ‘makro’ beállítási lehetőség, vagyis képes közeli tárgyakat fényképezni. Előnyös, ha a kamera fókuszát kézzel állíthatjuk, ugyanis automata fókusszal nehéz éles spektrumot kapni.

A szerző által készített spektroszkóp. A jobboldali alsó kép mutatja, hogy a rés borotvapengékből készült Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Mérések

Egy hagyományos izzólámpa színképe Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Eljött a kísérletezés ideje. Először vizsgáljuk meg egy hagyományos izzólámpa színképét! Az eredményt az alábbi képen mutatjuk be. A következő kísérletben nézzük meg két különböző fluoreszkáló fényforrás színképét! Mindkettő fehér fényt bocsát ki.

Az első, hagyományos fénycső színképében egy folytonos spektrum előtt éles vonalakat láthatunk. Ezt az emissziós színképet (a magyarázatot lásd később a szövegben) a csőben lévő kis sűrűségű higanygőz bocsátja ki. A higany ultraibolya fényt is kibocsát, amelyet a cső belső felületére felvitt vékony foszfor réteg látható fénnyé alakít át

Egy hagyományos fénycső színképe Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

A másik fluoreszkáló fényforrás színképe (ld. lent) nagymértékben különbözik az előzőtől. Ennek az az oka, hogy a gyártók a foszfor háromféle módosulatát használják a fénycsőben. A háromféle módosulat arányától függ  az előállított fény színe. Az illusztrációként használt lámpa folytonos spektrumot bocsát ki, ebben a típusban un. háromszínű foszfor van: a foszfor háromféle módosulata, amelyek mindegyike a rá jellemző emissziós színképvonalakat bocsátja ki. Ezeknek a színeknek a keverékét érzékeljük fehér fényként.

Háromszínű foszfor felhasználásával készített fénycső spektruma. Mivel a kamera túlexponálta a képet, némelyik színképvonal színe eltér a valóditól. A vörös tartományban látható élénk sárga vonalnak is minden bizonnyal vörösnek kellene lennie Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Egy laptop képernyőjén megjelenített Word dokumentum fehér részének spektrumát láthatjuk az alábbi képen. A pixeleket alkotó három szín, amelyekből a fehér szín létrejön – a vörös, a zöld és a kék – élesen elkülönülnek egymástól.

Egy laptop képernyőjének színképe Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Hogyan jön létre a színkép

A spektroszkópunkkal látható színképek között van olyan, amelyben a színek folytonosan követik egymást a sötétvöröstől a sötétkékig. Más színképeknél éles vonalakat láthatunk egy folytonos háttérrel vagy háttér nélkül, vagy sötét vonalakat folytonos háttér előtt, mint például a Nap színképében (ld. lejjebb). Mi a magyarázata ennek a sokféleségnek? Hogyan jön létre a színkép?

Ez mind az atomok miatt van. Minden egyes atom többféle energiájú állapotban lehet, attól függően, hogy az elektronjai alapállapotban vannak-e vagy magasabb energiájú gerjesztett állapotban. Egy atomnak nem lehet akármennyi az energiája: az energiaszintek szigorúan meghatározottak, az atom szerkezetétől függnek. Amikor az elektron egyik pályáról a másikra ugrik, akkor pontosan meghatározott mennyiségű energiát sugároz ki egy foton formájában. A kibocsátott foton energiája határozza meg a színt.

Mivel sokféle ugrás lehetséges, mindegyik atom sokféle színt tud kibocsátani. Ha ezt a fényt prizmával vagy optikai ráccsal felbontjuk, a spektrumban minden szín vonalként jelenik meg, az ilyen kibocsátási színképet vonalas színképnek nevezzük.

A gyertyalángba juttatott konyhasó a nátrium kibocsátási színképének jellegzetes vonalát hozza létre Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Megfigyelhetjük a vonalak létrejöttét egy kibocsátási színképben, ha közönséges konyhasót (vagyis nátrium-klorridot, NaCl) szórunk egy gyertya lángjába. A felső kép magának a gyertya lángjának a színképe, amely ugyanolyan, mint egy hagyományos izzólámpáé. Amikor egy kés hegyén egy kevés konyhasót beletartunk a gyertyalángba, a színképen jól elkülönülő narancssárga vonal jelenik meg, amely megfelel a nátrium esetében a kibocsátási színkép legjellegzetesebb vonalának (Na, 589 nm).

Egy atom nemcsak fény kibocsátására képes, hanem a kibocsátott fotonokkal megegyező energiájú fotonok elnyelésére is. Ha a fény hideg, kis sűrűségű gázon halad keresztül, a gázt alkotó atomok meghatározott frekvenciájú fényt nyelnek el, ezért a spektrumban sötét vonalak jelennek meg, amelyeket elnyelési vonalaknak nevezünk.

gázok folytonos színképet bocsátanak ki ( felső kép). A kis sűrűségű forró gázok (középső) vonalas színképet. Végül, amikor a folytonos spektrumú fény kis sűrűségű hideg gázon halad keresztül, meghatározott színű fényösszetevők nyelődnek el, így keletkeznek az elnyelési színkép sötét vonalai Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Azonban ha a színképek úgy keletkeznek, hogy az atomok egymástól élesen elkülönülő színeket bocsátanak ki, hogyan jöhet létre folytonos spektrum? Egyetlen atom esetében, ha nem éri semmilyen külső hatás, a színképvonalak valóban élesen elkülönülnek egymástól. Egy fénycsőben lévő kis sűrűségű gáz esetében ez történik. Egy nagyobb nyomású gáznál, például a Napban vagy folyadékoknál és szilárd anyagoknál az atomok gyakran ütköznek egymással és más hatások is fellépnek, amelyek eredményeként a vonalak elmosódottá válnak. Így alakul ki a folytonos spektrum. A következő ábrán a háromféle spektrum összegzését láthatjuk.

A különböző atomoknak (és molekuláknak)  különböző kibocsátási és elnyelési színképük van. Ezt a különbséget ki lehet használni: csupán a fény vizsgálata segítségével meg tudjuk mondani, hogy egy távoli égitest, például a Nap vagy más csillag milyen kémiai elemekből épül fel.

A Földön a színképelemzés módszerét úgy használják, hogy fényt bocsátanak keresztül egy mintán (gyakran gázon) és az elnyelési színkép vizsgálatával határozzák meg a minta összetételét.

A Nap színképe

Ha kivisszük a spektroszkópot a szabadba, megvizsgálhatjuk a Nap színképét. A színkép, mint ahogy az alábbi képen is megfigyelhető, első pillantásra folytonosnak látszik. Azonban ha jobban megnézzük, néhány sötét vonalat vehetünk észre, amelyek azért jönnek létre, mert a Nap külső rétegeit és a Föld légkörét alkotó atomok elnyelnek bizonyos frekvenciájú fényösszetevőket. Az alábbi kép nem mutatja meg tökéletesen, hogy mire képes a gabonapehely-doboz  spektroszkópunk: szabad szemmel sokkal jobban lehet látni a sötét vonalakat.

A Nap színképében megfigyelt elnyelési vonalak neve Fraunhofer vonalak. Joseph von Fraunhofer (1787-1826) volt az első, aki szisztematikusan tanulmányozta ezeket a vonalakat és pontosan kimérte a helyüket, bár nem ő vette őket észre először. Összesen több mint 570 vonalat térképezett föl, amelyeket csoprtosított és elnevezett.

A Nap színképe, ahogy a gabonapehely-doboz spektroszkópunk mutatja. A vonalak a következő elemeknek felelnek meg: (1) hidrogén 656 nm-nél, (2) nátrium 589 nm-nél, (3) vas 527 nm-nél, (4) magnézium 518 nm-nél, (5) hidrogén 486 nm-nél és (6) vas és kálcium 431 nm-nél Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

1860 körül Kirchoff és Bunsen felfedezte, hogy minden egyes elemhez színképvonalak sorozata tartozik. Azt a következtetést vonták le, hogy a Fraunhofer vonalak azért jönnek létre, mert a Nap külső rétegei elnyelnek bizonyos színeket. A sötét vonalak más részét a Föld légkörét alkotó atomok, például az oxigén atomok fényelnyelése okozza. Ezeknek a vonalaknak a tanulmányozása vezetett el a hélium felfedezéséhez a Napban, amely végül bebizonyította, hogy a Nap magfúzió során termeli az energiát.

A Nap színképének nagy felbontású változata, amely a Fraunhofer vonalakat erős nagyításban mutatja. Balról jobbra, majd felülről lefelé haladva nő a hullámhossz National Optical Astronomy Observatory/Association of Universities for Research in Astronomy/National Science Foundation szíves hozzájárulásával

Köszönetnyilvánítás

Hálás vagyok Xiaojin Zhu-nak a University of Wisconsin-Madison-ról, akinek a web oldala (www.cs.cmu.edu/~zhuxj/astro/html/spectrometer.html) biztosította a számomra azokat az információkat, amelyek a spektroszkóp elkészítéséhez és az eredmények értelmezéséhez szükségesek voltak. Ezen a web oldalon további színképek is láthatók. Köszönöm Bartjan van der Meer-nek, hogy segített nekem ennek a fantasztikus természettudományos project-nek az indításánál.

Források

Wikipedia cikk a látható színképről

Általános információk a színképről

Wikipedia cikk az elektromágneses spektrumról

Wikipedia cikk a spektroszkópiáról

Wikipedia cikk a Fraunhofer vonalakról

Wikipedia cikk a kibocsátási vonalakról

Mark Tiele Westra a FOM-Institute for Plasma Physics Rijnhuizen szóvivője Hollandiában.