Домашний спектроскоп исследователя



В представленной работе показана возможность получения спектров излучения при помощи простого спектроскопа в домашних условиях. Проведен качественный анализ полученных спектров. На примере спектров ионов натрия выполнена верификация результатов работы с литературными данными. Достаточно высокое качество получаемых результатов подтверждается выполнением правил Г. Кирхгофа и Р. Бунзена для спектров металлов. Проведено сопряжение спектроскопа с фотокамерой, а так же его доработка с целью минимизации погрешностей, связанных с несовершенством конструкции.

Ключевые слова: спектроскоп, оптический спектр излучения.

Введение

Спектральные методы исследования широко используются для изучения веществ и процессов [1]. Эти методы связаны по своей природе с процессами поглощения или испускания электромагнитного излучения [2]. Сейчас невозможно представить себе жизнь современного человека без спектроскопии. Это, в первую очередь, медицина, научные исследования [3], контроль качества выпускаемой продукции и исходного сырья на производстве (пищевом, фармацевтическом, металлургии, машиностроении, строительстве). Достижения микроэлектроники были бы невозможны без изучения свойств наноматериалов и гетероструктур этими методами. Таким образом, спектроскопия позволяет решать многие задачи науки, техники и повседневной жизни.

Основные задачи, решаемые с помощью современных спектральных методов:

— идентификация (определение качественного и количественного состава) неорганических и органических веществ;

— установление строения веществ;

— определение энергетических и геометрических параметров атомов и молекул;

— изучение внутри- и межмолекулярных взаимодействий.

В данной работе мы рассмотрим один из видов спектроскопии — оптическую спектроскопию. В частности, остановимся на спектрах излучения. Их принято делить на три типа [2]: сплошной (непрерывный) спектр, линейчатый (атомный) спектр, молекулярный (полосатый) спектр.

Экспериментальная установка

Для наблюдения и качественного исследования различных спектров используется однотрубный спектроскоп призматического типа [4], который состоит из трёх основных узлов (рис. 1): входной щели фиксированной ширины, коллимационной линзы (объектива), составной призмы прямого зрения Амичи.

Рис. 1. Спектроскоп однотрубный

Технические характеристики спектроскопа:

— Ширина входной щели: d = 0.2 мм.

— Фокусное расстояние коллимационной линзы (объектива): F = 110 мм.

— Увеличение оптической системы: Г = 2.4 крат.

— Спектральный диапазон: Δλ = 400 ÷ 800 нм.

Внешний вид прибора изображен на рисунке 2. В исходном виде он малопригоден для решения поставленных задач, поэтому его подвергли доработке, чтобы максимально устранить имеющиеся недостатки. К основным недостаткам прибора можно отнести различные виды паразитной засветки и не высокое качество оптических элементов. Во-первых, проблемы возникают из-за просвета между призмами и корпусом прибора (дополнительно к спектру видно реальное изображение объекта). Данный недостаток устраняется путем заполнения промежутка светонепроницаемым материалом (рис.3).

Рис. 2. Простой спектроскоп

Рис. 3. Устранение промежутка между блоком призм и корпусом

Во-вторых, в процессе съемки спектров оказалось, что корпус спектроскопа имеет светопроницаемость достаточную для того, чтобы на изображении возникала паразитная засветка светло-синего цвета (цвет корпуса спектроскопа) (рис. 4). Дополнительная светоизоляция корпуса (рис. 6) при помощи термоусадочной трубки черного цвета существенно позволила повысить качество получаемых изображений (рис. 5).

Рис. 4. Паразитная засветка спектра

Рис. 5. Спектр после дополнительной светоизоляции корпуса спектроскопа

Для фиксации спектров с целью дальнейшей их обработки, выполнено сопряжение спектроскопа с камерой мобильного телефона. Внешняя обойма для окуляра используется в качестве адаптера для фотокамеры (рис. 7).

Рис. 6. Дополнительная светоизоляция корпуса

Рис. 7. Адаптер спектроскопа для телефона.

Кроме того, оптические элементы спектроскопа имеют не высокое качество, что приводит к появлению на получаемых изображениях спектров артефактов в виде полос, небольших окружностей (вкраплений) и других искажений, не имеющих отношения к природе исследуемого излучения. На изображениях эти артефакты находятся в одних и тех же местах, поэтому для обработки выбираются свободные от артефактов участки изображения. Таким образом, этот недостаток нивелируется и не оказывает существенного влияния на конечный результат.

Для получения качественных снимков необходимо собрать установку так, чтобы изображение спектра занимало максимальную площадь экрана и располагалось параллельно его сторонам. Вначале, спектроскоп в адаптер устанавливается так, чтобы ближайшая к нам нижняя грань призмы была параллельна нижней границе экрана. Процесс контролируется по изображению на экране телефона. На рис. 8 показано неправильное положение спектроскопа в адаптере и удовлетворительное — на рис. 9. На рисунках отчетливо видны механические сколы и повреждения поверхности призмы, что приводит к описанным выше артефактам на спектрах (более мелкие дефекты на этих снимках не видны).

Рис. 8. Грань призмы не параллельна срезу фотографии

Рис. 9. Грань призмы параллельна срезу фотографии

Аналогичным образом устанавливается корректное положение входной щели (рис. 10 и 11).

Рис. 10. Неправильное положение щели относительно призмы

Рис. 11. Правильное положение щели относительно призмы

Дополнительной юстировкой оптической системы добиваемся максимальной площади спектра на изображении.

Таким образом, получена экспериментальная установка, в которой устранены описанные выше недостатки, а так же реализована возможность не только наблюдать спектры, но и сохранять их в виде графических файлов для последующего изучения.

Съемка оптических спектров излучения

Оптические спектры получены для нескольких типов объектов:

— природные объекты излучения — Солнце;

— бытовые объекты излучения — различные виды ламп;

— химические объекты излучения — соли натрия (NaHCO3, NaCl).

Следует отметить, что съемка проводилась при одинаковых настройках камеры, чтобы в дальнейшем иметь возможность сравнивать полученные спектры.

Спектр Солнца занимает весь оптический диапазон.

Рис. 12. Спектр Солнца

Спектры бытовых объектов:

Рис. 13. Спектр лампы накаливания 40 Вт

Рис. 14. Спектр энергосберегающей лампы 20 Вт

Рис. 15. Спектр энергосберегающей лампы 20 Вт

Рис. 16. Спектр светодиодной лампы 13 Вт

Полученные спектры излучения показывают, что трубчатые энергосберегающие лампы имеют полосатый спектр, что связано с составом и давлением газов, их заполняющих. Лампы накаливания имеют максимальную интенсивность спектра в красной области (наибольшие тепловые потери). Спектры этих ламп наименее приближены к спектру природного источника — Солнца, а значит, менее комфортны для использования в быту в качестве осветительных приборов. Спектр светодиодной лампы максимально приближен к естественному дневному освещению. Это видно по максимальному распределению в видимой области интенсивности спектра светодиодной лампы. Низкая интенсивность в красной области обеспечивает минимальные потери на тепловое излучение.

Спектры химических объектов.

Данная установка позволяет снимать спектры объектов, у которых излучение поддерживается длительный (по сравнению со временем съемки) интервал времени, например, Солнце, различные виды ламп. Для таких объектов мы можем делать фотоснимки.

Окрашивание пламени свечи при внесении в пламя солей различных металлов является быстропротекающим (по сравнению со временем съемки) процессом. Интенсивность излучения свечи низкая и требуется выдержка сравнимая по времени или большая, чем время излучения частиц вещества в пламени, поэтому необходима большая серия экспериментов, чтобы зафиксировать изменение цвета пламени и погрешность такой фиксации спектра может быть высокой. В связи с этим, фотосъемка быстропротекающих процессов малоэффективна и лучше, использовать видеосъемку с последующим отбором нужных кадров.

Спектры свечи и химических веществ снимались в темном (изолированном от дневного света) помещении. Из видеопотока отбирались кадры с максимальной интенсивностью излучения ионов.

Рис. 17. Спектр свечи

Качественно сравним расчетные спектры металла [5] (на рисунке 18 представлен линейный спектр Na) с экспериментально полученными спектрами солей.

Рис. 18. Расчетный спектр Na

Рис. 19. Полученный спектр NaCl

Рис. 20. Полученный спектр NaHCO3

Максимумы пиков на рис. 19 и 20 соответствуют значению длины волны 589.2 нм, что хорошо согласуется с расчетным значением для Na 589.6 нм (рис. 18). Высокая интенсивность основной линии Na нивелирует вклад спектра свечи. Полученные результаты подтверждают факты, установленные Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном [6] для спектров металлов:

— каждый металл имеет свой спектр;

— спектр каждого металла строго постоянен;

— введение в пламя горелки любой соли одного и того же металла всегда приводит к появлению одинакового спектра;

— при внесении в пламя смеси солей нескольких металлов в спектре одновременно появляются все их линии;

— яркость спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.

Анализ полученных спектров позволяет говорить об удовлетворительном соответствии экспериментальных спектров и литературных данных.

Заключение

В результате проделанной работы собрана экспериментальная установка для получения оптических спектров излучения. Сборка и настройка экспериментальной установки включали изменение конструкции спектроскопа для устранения выявленных недостатков. Выполнено сопряжение спектроскопа с камерой мобильного телефона без изменения конструкции телефона.

Получены и проанализированы спектры различных объектов, согласующиеся с литературными данными. Результаты представленной работы показывают, что в домашних условиях, с использованием простого спектроскопа и мобильного телефона, который есть практически у каждого, можно проводить физико-химический анализ окружающих объектов и веществ.

Литература:

1. Зайдель А. Н. Основы спектрального анализа — М.: Наука, 1965. — 324 c.
2. Яковлев И. В. Физика. Полный курс подготовки к ЕГЭ — М.: МЦНМО, 2016. — 507 c.
3. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов — М.: Техносфера, 2007. — 368 c.
4. Учебное пособие спектроскоп однотрубный школьный паспорт методические рекомендации. — Текст: электронный. — URL: https://davaiknam.ru/text/uchebnoe-posobie-spektroskop-odnotrubnij-shkolenij-pasport-met (дата обращения: 04.02.2022).
5. Информационная система «Электронная структура атомов». — Текст: электронный. — URL: http://grotrian.nsu.ru/ru/spectrum/4683 (дата обращения: 25.01.2022).
6. Голин Г. М. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.): Справ. пособие. / Г. М. Голин, С. Р. Филонович. — М.: Высш. шк., 1989. — 576 c.