Мобильная лаборатория естествоиспытателя

ЛАБОРАТОРИЯ СПЕКТРОСКОПИИ
И СПЕКТРОМЕТРИИ

Автономный модуль, позволяющий работать со спектрами – фотографировать их, обрабатывать снимки и проводить измерения по полученным фотографиям.

1. Теория

Исторические сведения

Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который в своём труде «Оптика», вышедшем в1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не вносятся призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света – преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом.

Следующий этап наступил через 100 лет, когда Уильям Волластон в 1802 году наблюдал тёмные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814 году эти линии независимо обнаружил и подробно описал Фраунгофер (сейчас линии поглощения в солнечном спектре называются линиями Фраунгофера), но не смог объяснить их природу. Фраунгофер описал свыше 500 линий в солнечном спектре и отметил, что положение линии D близко к положению яркой жёлтой линии в спектре пламени.

В 1854 году Кирхгоф и Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа, первого из инструментальных спектральных методов – одних из самых мощных методов экспериментальной науки.

Рис. 1. Спектроскоп Кирхгофа-Бунзена, 1860. Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110.

Рис. 2. Аппарат для спектроскопии, 1869. Henry Enfield Roscoe, Ph.D., On Spectrum Analysis, New York, National Library of Medicine.

В 1859 году Кирхгоф опубликовал в журнале «Ежемесячные сообщения Берлинской академии наук» небольшую статью «О фраунгоферовых линиях». В ней он писал:

«В связи с выполненным мною совместно с Бунзеном исследованием спектров окрашенных пламен, благодаря которому стало возможным определить качественный состав сложных смесей по виду их спектров в пламени паяльной лампы, я сделал некоторые наблюдения, приводящие к неожиданному выводу о происхождении фраунгоферовых линий и позволяющие по ним судить о вещественном составе атмосферы Солнца и, возможно, также ярких неподвижных звезд…

…окрашенные пламена, в спектрах которых наблюдаются светлые резкие линии, так ослабляют проходящие через них лучи того же света, что на месте светлых линий появляются темные, если только за пламенем находится источник света достаточно большой интенсивности, в спектре которого эти линии обычно отсутствуют. Я далее заключаю, что темные линии солнечного спектра, не обязанные своим появлением земной атмосфере, возникают из-за присутствия в раскаленной атмосфере Солнца таких веществ, которые в спектре пламени на том же самом месте дают светлые линии. Следует принять, что совпадающие с D светлые линии в спектре пламени всегда вызываются находящимся в нём натрием, поэтому темные линии D солнечного спектра позволяют заключить, что в атмосфере Солнца имеется натрий. Брюстер нашёл в спектре пламени селитры светлые линии на месте фраунгоферовых линий А, а, В; эти линии указывают на присутствие калия в солнечной атмосфере».

Типы спектров

По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть дискретными (линейчатыми) и непрерывными (сплошными), а также комбинированными.

Примерами линейчатых спектров могут служить масс-спектры и спектры связанно-связанных электронных переходов атома; примерами непрерывных спектров – спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров – спектры излучения звёзд, где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения или большинство звуковых спектров.

Другим критерием типизации спектров служат физические процессы, лежащие в основе их получения. Так, по типу взаимодействия излучения с материей, спектры делятся на спектры излучения (эмиссионные спектры), спектры поглощения (адсорбционные) и спектры рассеивания.

Рис. 3. Два представления оптического спектра: сверху – «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу – как зависимость интенсивности от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения Солнца. Отмечены линии поглощения бальмеровской серии водорода.

Спектры излучения

– непрерывные: твёрдые, жидкие вещества и сжатые газы;
– линейчатые: вещества в газообразном атомарном состоянии (пары, газовый разряд), излучение на строго определённых частотах – серия Бальмера;
– полосатые: молекулы, изолированные друг от друга.

Исследуются спектры излучения с помощью прибора спектрографа (рис. 1).

Рис. 4. Схема спектрографа.

Спектры поглощения

Газы, а также твёрдые тела и жидкости поглощают наиболее интенсивно свет тех длин волн, которые испускают в нагретом состоянии. Исследуются такие спектры с помощью прибора спектрофотометра (рис. 2).

Рис. 5. Схема спектрофотометра.

Применение электронных спектров

По интенсивности полос электронных спектров можно судить о концентрации данного вещества в растворе.

2. Изготовление спектроскопа

Модуль состоит из двух достаточно самостоятельных программ. Первая – обычный упрощенный графический редактор для обработки фотографий спектров, полученных с помощью того или иного спектроскопа. Вторая – программа обработки данных по фотографиям, позволяющая строить кривые по спектрам, выбирать линии сравнения и строить калибровочные графики с линеаризацией по точкам.

Кроме того, для фотографирования необходимо изготовление спектроскопов из дифракционных решеток (покупных, таких как P040 Diffractor Cosmos) или компакт-дисков.

Про самодельные спектроскопы см.:

• www.rwpbb.ru/test/spectr3.html
• www.optcorp.com/pdf/RigelSystems/RS-Spectroscope%20man.pdf
• www.starlab.ru/showthread.php?t=20656&page=6 и др.

Рис. 6. Фотографирование спектра на планшете с помощью спектроскопа.

Рис. 7. Самодельная установка для фотографирования спектра на смартфон.

Наиболее полное описание работы со спектрами для химии дано в статье:
Bazanos P. Construction of a simple spectroscope. Application in Chemistry (users.sch.gr/pbazanos/spectroscopy/en/files/spectroscopy2.pdf).
Отсюда взято описание способа изготовления спектроскопа, дающего достаточное качество спектров для учебных работ.

Материалы:

1. Цилиндр от бумажных полотенец диаметром примерно 6 см (или склеенный самостоятельно)
2. Цилиндрическая пластиковая бутылка минеральной воды 0,5 л
3. Диск DVD
4. Бритва
5. Лист плотного картона
6. Алюминиевая лента
7. Клейкая лента
8. Ножницы
9. Тонкое лезвие
10. Цифровая камера с блендой

Используя тонкое лезвие, осторожно отделите верхний слой диска (обложка) от нижнего (слой, где записываются данные). Сохраните нижний слой.
С помощью клейкой ленты тщательно очистите полученный диск.
Наконец у вас есть чистый диск с некоторым цветом на нем. Удалить цвет, погружая диск в тарелку с небольшим количеством спирта.
С помощью ножниц, вырежете кусок около 4см×4см, как это показано на рисунке. Этот фрагмент диска будет служить в качестве дифракционной решетки.
Изготовление цилиндра корпуса С помощью тонкого лезвия разрезаем бумажный цилиндр с наклоном на одном конце около 45 градусов, чтобы соответствовать объективу камеры. Рекомендуется окрасить внутреннюю поверхность цилиндра в черный цвет для уменьшения отражения на стенках цилиндра. Изготовление насадки С помощью тонкого лезвия разрезаем пластиковую бутылку на высоте около 8 см от основания, сохраняем часть бутылки с основанием. В центре основания проделываем окно примерно 2см×1см, чтобы соответствовать размеру щели.
Теперь соответствовать спектроскопии для камеры и съемки фотографий источников света. Свет, попадающий в щель, формирует спектр на ПЗС камеры.

Изготовление тонкой щели

1. Делаем рамку из жесткого картона размером 4см×2см и открытое окно 3см×0.5см в центре него.
2. Разламываем безопасную бритву, чтобы получить два лезвия.
3. Прилаживаем лезвия на окна рамки с острыми гранями, расположенными друг к другу. Мы можем легко сделать щель 0,1 мм - 0,2 мм в ширину.
4. Покрываем щель алюминиевой лентой так, чтобы центральное отверстие составило 8 мм в длину. Причина, по которой мы сделаем это - чтобы уместиться перед щелью кюветы, что составляет 10 мм в ширину.

Изготовление бленды

1. Делаем круговой диск из твердого картона такого размера, чтобы хорошо укладывался в бленду.
2. Проделываем окно в центре диска размером 3см×2см.
3. С помощью клейкой ленты закрепляем дифракционную решетку на окне диска.
4. С помощью клейкой ленты закрепляем диск в бленду.

Сборка насадки

1. Закрепляем рамку с тонкой щелью в верхней части окна пластиковой бутылки.
2. Покрываем конструкцию алюминиевой лентой, заботясь, чтобы не оставлять источников попадания света, за исключением тонкой щели.
3. Мы ставим перед щелью подставку для кювет ручной работы.

Подгонка цилиндра к бленде

1. Приделываем цилиндр к бленде
2. Покрываем конструкцию алюминиевой лентой, заботясь, чтобы не оставлять источников попадания света и для стабилизации.

Сборка спектроскопа

Присоединяем к насадке цилиндр, вставляя цилиндр в насадку. Если детали стыкуются неплотно, увеличиваем толщину цилиндра, обертывая ленту вокруг него. Таким образом, мы завершаем сборку спектроскопа, который будем регулировать на камере.

Если обратить спектроскоп к источнику света и посмотреть в дифракционную решетку, мы должны увидеть спектр света источника. Возможно, будет необходимо повернуть насадку влево - право для лучшего результата.

Окончательная сборка

Присоединяем спектроскоп к камере и делаем фотографии источников света. Свет, попадающий в щель, образует спектр на матрице камеры.

3. Фотографирование и обработка спектров

Для фотографирования используется камера планшета (передняя или задняя) и спектроскоп, изготовляемый пользователем по одной из приведенных схем. Также предусмотрена возможность загрузки фотографий, сделанных с помощью цифрового фотоаппарата. При фотографировании спектра вызывается камера устройства и делается снимок, который помещается не в галерею планшета, а в созданный проект.

Для ряда исследовательских задач сами фотографии спектров уже могут служить достаточным результатом (например, при фотографировании окрашенного разными веществами пламени в химии или спектров разных типов бытовых ламп в физике).

Обработка спектров

Кнопка «Обработка» выполняет обработку изображений проекта. При этом вызывается редактор, в котором осуществляются такие действия:

1. Отражение/поворот. Все спектры фотографируются так, как удобнее, но фотографии размещаются при обработке так, чтобы красная часть спектра была справа, а синяя – слева.
2. Обрезка.
3. Повышение яркости (выполняется вручную, слайдером – настройки яркости).

Обработанные фотографии проекта помещаются во внутреннюю папку приложения, откуда и могут быть извлечены для анализа – переданы на стационарный компьютер или пересланы по электронной почте.

4. Анализ спектров (на стационарном компьютере)

Для анализа спектров используется программный модуль, который позволяет отрыть несколько фотографий из папки проекта с обработанными спектрами и по изображениям построить сравнительный график.

Рис. 8. Окно программы CellPhone Spectrometr для анализа спектров (сравниваются два спектра).

Для анализа используется программа CellPhoneSpec.exe или аналогичная.

Функционал модуля построения сравнительных графиков предусматривает такие действия:

• Выбор рисунков в папке для построения графиков (по умолчанию загружаются все рисунки) – иногда бывает необходимо исключить какие-то из изображений;
• Задание крайних значений – синего и красного – вручную по графикам (калибровочная шкала позволит это сделать точнее, но можно выбирать точки «на глазок»);
• Расчет точек графиков и экспорт в процессор электронных таблиц.

Полученные кривые сохраняются в виде графических файлов, а данные, полученные при обработке фотографий – в виде файлов электронных таблиц.

5.  Исследовательские задачи

Название задачи вызывает страницу проекта с описанием эксперимента, материалов и оборудования, необходимых для его проведения, и задач, которые эксперимент решает. На сцене предусмотрен запуск модуля фотографирования и обработки спектров (с сохранением фотографий в папку именно этого проекта). Из этого окна можно также вернуться к списку задач и выбрать другую задачу – или выйти.

Примеры опытов, которые могут быть проведены:

Качественные и полуколичественные опыты:

1. Сравнение спектров разных осветительных приборов (ламп накаливания, люминесцентных ламп, фотовспышек, ртутных ламп фар автомобилей и натриевых ламп уличных светильников, мониторов компьютеров и др.).
2. Сравнение спектров пламени, окрашенного солями разных веществ.

Количественные опыты:

1. Химическое равновесие: определение константы ионизации метилового.
2. Качество воды: Определение содержания ионов хлора в воде.

Статьи

1. Спектр ru.wikipedia.org/wiki/Спектр
2. Mark Tiele Westra A fresh look at light: build your own spectrometer.
   // Science in School, #4 – Spring 2007, p. 30-34.
   www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer
3. Nataša Gros, Tim Harrison, Irena Štrumbelj Drusany and Alma Kapun Dolinar Spectrometry at school: hands-on experiments.
   // Science in School, #14 – Spring 2010, p. 42-47.
   www.scienceinschool.org/2010/issue14/spectrometer
4. Дж. Уолкер Спектры уличных светильников как иллюстрация к основным принципам квантовой механики.
   «В мире науки» 1984 г., №3, с. 94.
5. Martin Horejsi Five things you should put on your iPad Camera.
   nstacommunities.org/blog/2012/12/04/five-things-you-should-put-on-your-ipad-camera
6. Спектры. Спектроскоп своими руками (видео).
   www.youtube.com/watch?v=di0_fB8i5iU