В статье автор описывает процесс создания спектрометра с высоким разрешением, а также приводит описание эксперимента по сравнению солнечного и лунного света.
Ключевые слова: спектрометр, дифракционная решетка, спектрограмма, линии Фраунгофера.
У меня есть телескоп, и в безоблачные ночи я иногда наблюдаю звезды. Во многих книгах по астрономии написано, что Луна светит отражённым светом Солнца. А если предположить, что спутник Земли не просто гигантское зеркало? Может быть, на Луне есть свои источники света? Чтобы проверить это, нужно сравнить свет Солнца и свет Луны.
Для изучения источников света используют спектрометр. Этот прибор разделяет белый свет на различные цвета в соответствии с длиной световой волны.
В интернете есть много описаний, как собрать спектрометр из картонной коробки, стеклянной призмы и веб-камеры. Но такие приборы не очень точны. Для моего эксперимента необходимо сконструировать гораздо более точный спектрометр с высокой чувствительностью и разрешением около 0,5 нанометров. С его помощью можно будет запечатлеть спектр лунного света и идентифицировать в спектре солнечном некоторые фраунгоферовы линии.
Цель работы : сконструировать спектрометр высокого разрешения и провести эксперимент по сравнению солнечного и лунного света.
Задачи работы :
– Конструирование спектрометра;
– Проведение эксперимента по сравнению солнечного и лунного света.
Теоретическая часть
Солнце считается самым важным источником света. Исаак Ньютон был первым, кто выяснил, что белый солнечный свет состоит из других цветов.
К середине XVII столетия о световых лучах уже было известно, что они прямолинейны, при пересечении не влияют друг на друга, подчиняются законам отражения и преломления. Оставалась главная загадка: что же такое свет, как он распространяется, почему иногда окрашивается в разные цвета?
Для ответов на эти вопросы потребовалось несколько столетий и создание новой картины мира. В середине XVII века были открыты явления, противоречащие известным закономерностям. Одно из них обнаружил Франческо Мария Гримальди. Наблюдая тени, которые отбрасывают разные предметы, освещенные через маленькое отверстие, ученый заметил, что свет не всегда распространяется прямолинейно. Он может изменять направление и огибать препятствия. Например, когда свет проходит через узкую щель, часть лучей попадает в область, где должна быть тень. Это явление Гримальди назвал дифракцией (от лат. difractus — «разломанный») [1].
Дифракция света — это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения пpи прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или пpи oгибaнии малых препятствий. Условие проявления дифракции: d < , где d — размер препятствия, — длина световой волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.
Дифракционная решетка — оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучок света по длинам волн является ее основным свойством.
Самым простейшим и распространённым примером отражательных дифракционных решёток в быту является компакт диск. На его поверхности есть дорожка в виде спирали с шагом 1,6 мкм между витками. Примерно треть ширины (0,5 мкм) этой дорожки занята углублением (это записанные данные), рассеивающим падающий на него свет, примерно две трети (1,1 мкм) — нетронутая подложка, отражающая свет. Таким образом, компакт-диск — отражательная дифракционная решётка с периодом 1,6 мкм.
Дисперсия света (разложение света) — экспериментально открыта Исааком Ньютоном в 1672 году. Ньютон заметил радужную окраску вокруг звезд, которая видна при наблюдении в телескоп. Это наблюдение заставило его поставить опыт и создать новый прибор — спектроскоп. Ньютон направил пучок света на призму. Для получения более насыщенной полосы круглое отверстие он заменил на щелевое. При помощи трехгранной призмы ему удалось разложить солнечный свет на семь различных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Эти цветные составляющие белого цвета называются «спектр». Встречаясь с призмой, свет отклоняется (или преломляется), при этом все цвета, его составляющие, отклоняются по-разному. Красный цвет при прохождении через призму отклоняется меньше остальных. Сильнее всего преломляется фиолетовый цвет. Различным цветам соответствуют волны разной длины. Самые длинные — волны красного цвета, а самые короткие — фиолетового [2].
В наше время в телескопах используют сложные приборы, называемые спектрографом. Их устанавливают за фокусом объектива телескопа. Раньше во всех спектрографах для разложения света использовали призмы, но теперь призмы заменили на дифракционную решетку, которая так же разлагает белый свет в спектр. Данный спектр называют дифракционным спектром.
Непрерывный спектр. Непрерывная последовательность цветов, переходящих один в другой, возникающая при разложении света за счет преломления в призме, является непрерывным спектром. Непрерывные спектры дают раскаленные твердые тела, жидкости или плотные газы. Свет звезды разлагается на непрерывный спектр, пересеченный линиями поглощения.
Линейчатый спектр поглощения. На фоне непрерывного спектра звезд можно наблюдать темные линии поглощения. Излучение более горячего тела, с непрерывным спектром проходя через разреженную холодную среду, образует линии поглощения. Первые наблюдения линейчатых спектров поглощения в спектре Солнца проделал Уильям Волластон в 1802 году. Но он не смог дать им объяснения. Позже эти линии были названы «фраунгоферовыми» в честь немецкого физика Йозефа Фраунгофера, которому в 1814 году удалось объяснить их появление [3].
Линейчатый спектр излучения. Если внести в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли, то при наблюдении пламени в спектроскоп видно, как на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии (газы и пары).
В 1834 г. английский физик и химик Уильям Генри Фокс Толбот высказал идею, что каждая светлая линия в спектре излучения является характерной для излучающего ее элемента. Спектр излучения у каждого элемента свой, не совпадающий со спектром ни одного другого химического элемента. Эта идея позволила впоследствии немецким химикам Густаву Роберту Кирхгофу и Роберту Вильгельму Бунзену разработать спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Линейчатые спектры излучения оказались своего рода портретами атомов. По ним, как по отпечаткам пальцев подозреваемого в криминалистике, можно узнать, что за атомы образуют данное вещество [4].
Полосатые спектры — спектры, состоящие из отдельных полос, характерные для спектров испускания и поглощения молекул. Молекулярные спектры, оптические спектры испускания и поглощения, а также комбинационного рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным между собой молекулам. Молекулярные спектры имеют сложную структуру. Типичные молекулярные спектры — полосатые, они наблюдаются в испускании и поглощении и в комбинационном рассеянии в виде совокупности более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях, распадающихся при достаточной разрешающей силе применяемых спектральных приборов на совокупность тесно расположенных линий.
Экспериментальная часть
Проектную работу по созданию спектрометра разбили на этапы:
– конструирование спектрометра;
– калибровка прибора.
После завершения настройки спектрометра был проведен эксперимент по сравнению солнечного и лунного света.
Конструирование спектрометра
В интернете много публикаций о том, как используя DVD диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. В данной работе была поставлена задача повышения точности собранного прибора. На Рисунке 1 приведена схема спектрометра:
Рис. 1. Схема спектрометра
Луч света через сменную оптическую щель попадает на дифракционную решетку, которая разделяет белый свет на спектр. Полученный спектр фиксируется фотокамерой. Для фиксации спектра была выбрана профессиональная зеркальная камера Canon 100D с матрицей 18 мегапикселей (5184 на 3456 пикселей).
Изготовление корпуса
Корпус прибора выполнен из фанеры, так как было необходимо, чтобы он выдерживал вес профессионального фотоаппарата с матрицей высокого разрешения. После раскройки листа по необходимым размерам была выполнена сборка корпуса (Рисунок 2).
Рис. 2. Сборка корпуса спектрометра
Затем корпус спектрометра был выкрашен и внутри, и снаружи акриловой краской черного цвета для уменьшения помех и отражений (Рисунок 3).
Рис. 3. Вид готового корпуса
Создание щелей спектрометра и крепежа для них
В дюралевых пластинах были просверлены отверстия диаметром 8 мм. Половинку лезвия опасной бритвы приклеили к пластине, располагая режущую кромку по центру отверстия. В отверстие вставили щуп толщиной 50 мк, плотно прижимая вторую половину лезвия и приклеивая ее. Аналогично были изготовлены щели 100 мк, 200 мк и 300 мк (Рисунок 4).
Рис. 4. Щель спектрометра
Создание дифракционной решетки
Для изготовления дифракционной решетки был взят DVD диск. Диск расслоили на две половины и разрезали на части, которые после промывания спиртом поместили в рамку (Рисунок 5).
Рис. 5. Дифракционная решетка из DVD диска
Калибровка спектрометра
Для калибровки (настройки) спектрометра было выполнено несколько экспериментов:
– сжигание поваренной соли над пламенем свечи;
– исследование спектра лампы дневного света.
Опыт с поваренной солью
Для проверки работоспособности собранного прибора был проведен эксперимент с поваренной солью. Небольшое количество соли (NaСl) сжигали над пламенем свечи. При сжигании в спектрограмме должны появиться линии натрия. И действительно при исследовании спектра линии были обнаружены (Рисунок 6).
Рис. 6. Спектрограмма пламени свечи при сжигании поваренной соли
Убедившись в работоспособности прибора, мы перешли к следующему опыту.
Исследование спектра лампы дневного спектра
Калибровка или настройка спектрометра была выполнена с помощью лампы дневного света (ртутной газоразрядной лампы), внутри которой есть пары ртути, и ее линии отражаются в спектре. Затем в программе Theremino Spectrometer [5] к линиям ртути (436 нм и 546 нм) привязали шкалу. И дальше все исследования проводили относительно данной шкалы (Рисунок 7).
Рис. 7. Спектрограмма ртути с привязанной шкалой
Проведение эксперимента по сравнению солнечного и лунного света
Главная цель создания нашего спектрометра — сравнение солнечного и лунного света. Для этого необходимо получить спектры солнечного и лунного света и затем провести их сравнение.
Получение спектра солнечного света
Солнце снимали в сентябре 2023 года около 11 часов утра. Была солнечная погода с переменной облачностью. При направлении спектроскопа непосредственно на Солнце спектр засвечивался даже при самой маленькой оптической щели в 50 микрон. Нам удалось зафиксировать солнечный спектр (Рисунок 8), направив прибор на небо рядом с Солнцем, однако диафрагму фотоаппарата все равно пришлось выставлять на минимум.
Рис. 8. Спектр солнечного света с линиями Фраунгофера
Получение спектра лунного света
Спектр Луны снимали 30 августа 2023 года во время суперлуния, когда полнолуние совпало с перигеем — моментом наибольшего сближения Луны и Земли. В идеале, снимок Луны нужно было производить в полной темноте, но нам это не удалось, поэтому спектр получали в условиях светового загрязнения. Диафрагму фотоаппарата пришлось открывать почти полностью, а выдержку ставить на 20 секунд. И тем не менее, снимок лунного спектра далеко не идеален (Рисунок 9).
Рис. 9. Спектр лунного света
Сравнение солнечного и лунного спектров
Как видно на Рисунке 9, в нашем снимке лунного спектра сложно различить солнечные линии Фраунгофера, хотя астрономы их наблюдали и заметили, что линии поглощения на спектре Луны соответствуют линиям солнечного спектра. Это одно из доказательств того, что Луна светит отражённым светом Солнца. По всей видимости, чувствительности нашего спектрометра не хватает, чтобы отчётливо запечатлеть линии Фраунгофера в спектре Луны. Сравнение полученных спектров солнечного и лунного света приведено на Рисунке 10.
Рис. 10. Сравнение спектров солнечного и лунного света
Другое доказательство того, что Луна светит отражённым светом Солнца заключается в том, что спектры небесных светил очень похожи (Рисунок 10). Хотя есть различия, обусловленные тем, что Луна отражает только 7 % солнечного света, к тому же отражение волн спектра происходит неравномерно. Например, Луна почти полностью поглощает инфракрасное излучение Солнца, поэтому говорят, что «Луна светит, но не греет».
Судя по спектрам на Рисунок 10, наибольшая интенсивность излучения Солнца находится в зелёно-жёлтом участке спектра. То есть, Солнце — больше зеленоватое, а не жёлтое или красноватое, как нам представляется. А в спектре спутника Земли наиболее интенсивный участок — жёлто-красный!
И все-таки, почему в отражённом свете Луны зеленоватый спектр солнца становится жёлто-красным? Дело в том, что коэффициент отражения Луны увеличивается в диапазоне 600–700 нм! Луна отражает примерно в два раза больше красного, чем голубого! Таким образом мы подтвердили, что Луна светит отраженным светом Солнца.
Заключение
В ходе проектной работы был сконструирован спектрометр высокого разрешения. С помощью него были запечатлены спектры солнечного и лунного света и получены доказательства того, что Луна светит отражённым светом Солнца.
Эксперимент по фотографированию спектра Луны выявил недостатки конструкции нашего спектрометра. Для наблюдения за спектром спутника Земли необходимо увеличить чувствительность прибора. Возможно, стоит оборудовать спектрометр фокусирующей линзой для увеличения интенсивности светового потока.
Однако мой прибор обладает компактными размерами и его можно использовать как учебный стенд для изучения законов дифракции, или в бытовых условиях для исследования источников света. Уже проведены исследования продуктов горения свечей, а в дальнейшем планируется приступить к анализу качества продуктов питания. И это показывает, что спектр применения прибора очень широк.
Литература:
- Аксенова, А. Д. Энциклопедия для детей. Физика. Том 16, Часть 1 — Москва: Аванта+, 2002.
- Аксенова, А. Д. Энциклопедия для детей. Физика. Том 16, Часть 2 — Москва: Аванта+, 2002.
- Спектр и спектральный анализ. Основы астрономии. Астрофизика и ее понятия: https://astrogalaxy.ru/045.html
- Транковский С. Оптика и спектроскопия. Некоторые термины и понятия. —Наука и жизнь. — 2014. — № 10. — С. 15–16.
- Сайт программного обеспечения Theremino: https://www.theremino.com/
