Spektralfotografie
|
Schon von klein auf war der Verfasser von den
bunten Farben des Regenboges begeistert und versuchte deshalb mit gefundenen
Glasscherben Spektren selbst zu erzeugen. Einige Jahrzehnte später
kann man nun für wenig Geld Gitterfolien kaufen.
Seit der Entdeckung der Spektralanalyse durch Bunsen und Kirchhof haben
sich Generationen von Physikern, Astronomen und Chemiker mit dieser Technik
beschäftigt. Verschiedene chemische Elemente wurden anhand ihrer Spektrallinien
endeckt und auch zum Verständniss des Atombaus hat die Spektroskopie
sehr viel beigetragen. Heutzutage hat zwar die optische Spektroskopie zu
Gunsten anderer Analysenmethoden etwas an Bedeutung verloren trotzdem können
die farbigen Spektren den Experimentatoren immer noch begeistern.
für die Erzeugung von Spektren hat man verschiedene Möglichkeiten,
die populärsten sind die Verwendung von Prismen oder Beugungsgittern.
Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. |
|
Das Licht der zu untersuchenden Quelle beleuchtet
einen schmalen Spalt. Ein Bild dieses Spaltes wird mit einer Linse auf einen
Schirm, den Film oder die CCD der Kamera abgebildet. Wird nun ein Prisma
oder Gitter zwischen Spalt und Linse positioniert entstehen durch Brechung
bzw. Beugung räumlich getrennte Spaltbilder, die zusammen das Spektrum
der Lichtquelle ergeben. Da Beugung und Brechung unterschiedliche physikalische
Phänomene sind ergeben Prismen und Gitter unterschiedliche Spektren..
|
|
|
Die beiden Spektren einer Hg-Dampflampe
(Höhensonne) zeigen den Unterschied. Während das Spektrum
des Prismas am blauen Ende gedehnt und am roten Ende gestaucht ist,
ist die Ablenkung des Gitters linear, und kann sogar berechnet werden.
Eine weiterer Nachteil des Prismas ist die Absorption des Lichtes
durch das Glas, was sich vorallem bei der UV-Linie (366nm) zeigt.
Ein Gitter ist auf einer dünnen Glasplatte oder einer Folie untergebracht
und hat deshalb weniger Absorption. Aber auch das Prisma hat Vorteile,
während beim Gitter das Licht in die verschiedenen Ordnungen
gebeugt wird und somit einiges verloren geht, findet sich beim Prisma
alles einfallende Licht im Spektrum wieder. |
|
|
Für die weiteren Versuche
wurde ein Gitter auf Plastikfolie der >>Firma
Astromedia<< verwendet. Das Gitter hat 1000 Linien pro
Millimeter und ein Bogen von 15 x 30 cm kostet gerade mal 15 €.
Wird ein kleines Stück des Gitter vor das Objektiv einer Kamera
montiert hat man schon ein Spektroskop mit erstaunlich guten Eigenschaften.
Als Kamera wurde eine Nikon D70 verwendet da diese Kamera einen weiten
spektralen Empfindlichkeitsbereich aufweist. Das Objektiv ist ein
Nikkor Macro 50 mm f 2,8. Das Gitter wurde in einen Filterhalter eingeklebt
der auf das Objektiv geschraubt wird. In diesem Aufbau wurde noch
ein Umlenkspiegel verwendet der einen rechtwinkligen Einbau der Kamera
erlaubt. Kamera, Umlenkspiegel und Spalt wurden in einen lichtdichten
Kasten eingebaut der natürlich im Betrieb mit einem Deckel erschlossen
wird.
Nach der Fertigstellung wurde das Spektroskop sofort mit einer Natriumdampflampe
getestet. Die bekannte gelbe Natriumlinie bei 589 nm besteht aus zwei
Linien, die sehr nahe beeinander liegen und oft zum Test des Auflösungsvermögen
heran gezogen werden. |
|
|
Zum Erstaunen des Verfassers
werden die beiden Natriumlinie D2 und D1 einwandfrei getrennt obwohl
sie nur 0,6 Nanometer auseinander liegen.
Ein Nachteil des Aufbaus liegt am begrenzten Belichtungsspielraum
der Kamera. Wird solange belichtet dass auch schwache Linien sichtbar
werden werden die starken Linien überbelichtet und überstrahlt.
Wird umgekehrt kürzer belichtet um eine bessere Auflösung
zu bekommen verschwinden die schwachen Linien.Die beiden Hg-Spektren
zeigen die Verhältnisse. |
|
|
Linienspektren:
Hat man sich nun ein Spektroskop zusammen gebaut kann man alle möglichen
Lichtquellen untersuchen. Am besten eignen sich alle Arten von Gasentladungen,
die meist schöne Linienspektren zeigen. Am aller besten sind natürlich
sogenannte Spektralröhren ( bei Ebay für 10 bis 50 €) mit
ein genau definierten Materialien gefüllt sind. Bei diesen wird die
Entladung meist in einer Kapillare geführt. Der entstehende leuchtende
Strich ist meist so schmall dass auf einen Eingangsspalt verzichtet werden
kann. |
Spektrallampen: |
Wasserstoff: im Spektrum des Wasserstoffes
fällt die rote Ha Linie auf. Mit dieser Farbe strhlen viele Emissionsnebel
im Weltraum |
|
Helium: Durch die markannte gelbe Linie
wurde das Helium erst auf der Sonne endeckt, erst später fand man das
Gas auch auf der Erde |
|
Argon: Die Linien des Argons sind über
das gesammte Spetrum verteilt. |
|
Neon: Das Edelgas Neon hat vor Allem
Linien im roten Bereich. Die rötlich leuchtenden Glimmlampen sind meist
mit Neon gefüllt |
|
Xenon: |
|
Natrium: das markante Dublet bei 589
nm bestimmt das Spektrum des Natriums |
|
Cadmium: Cadmiumspektrallampen haben
gut getrennte Linien im roten, grünen, blauen und im UV-Bereich |
|
Leuchtstoffröhre und Energiesparlampe:
Interessant ist auch der Vergleich der Spektren von Leuchtstoffröhre,
Energiesparlampe, Schwarzlichtröhre und Quecksilberdampflampe.
Alle diese Lampen enthalten Quecksilber. Bei Leuchtstoffröhre,
Energiesparlampe und Schwarzlichtröhre ergeben die aufgetragenen
Fluoreszenzschichten zusätzliche Banden sodass der Farbeindruck
nahezu beliebig eingestellt werden kann. |
Leuchtstofflampe: Die Banden des Leuchtstoffs im roten bestimmen
den Farbton der Leuchtstoffröhre |
|
Energiesparlampe: Der verbesserte Leuchtstoff der modernen
Energiesparlampen sorgt für einen warmem Farbton des Lichtes |
|
Schwarzlichtlampe: Die Schwarzlichtlampe hat eine breite
Bande im Ultravioletten |
|
Quecksilberdampflampe: zum Vergleich das Spektrum einer unbeschichteten
HG-Lampe |
|
|
|
Flamenspektren:
Die Flamenfärbung wird bei einfachen chemischen Analysen
benützt. Bestimmte Elemente verursachen eine Färbung einer
sonst fast farblosen Gasflamme.So färben Natriumverbindungen
die Flamme intensiv gelb, Barium grün, Strontium, Calcium und
Lithium rot und Kalium violett. In der Feuerwerkerei wird das der
Effekt verwendet um z.B. die bunten Sterne der Sylvesterraketen zu
erzeugen. |
Butangasflamme: Spektrum der schwachleuchtenden Gasflame
zeigt die Banden der verbrennenden Kohlenwasserstoffen. |
|
Lithium: die intensivrote Lithiumflamme stammt von den kräftigen
roten Linien |
|
Natrium: |
|
Kalium: Die schwache violette Kaliumlinie wird von der meist
auch vorhanden Natriumlinie überstrahlt und ist nur im Spektrum
zu sehen |
|
Calcium: flüchtige Calciumverbindung färben die
Flame hellrot, die grüne Linie ist nur im Spektrum erkennbar |
|
Barium: Bariumslze färben die Flame intensiv grün
und werden deshalb für grüne Leuchtsätze verwendet |
|
Strontium: Strontiumsalze werden in der Feuerwerkerei zum
Rotfärben der Flame verwendet. |
|
Indium: Das seltene Metall Indium wurde nach seiner (indigo)
blauen Spektrallinie benannt |
|
Kupfer: Kupfersalze färben die Flame grün oder
blau |
|
|
|
|
Kontinuierliche Spektren:
Im Gegensatz zu den Linienspektren der Gase und Dämpfe strahlen
glühende Körper ein kontinuierliches Spektrum aus. |
Glühlampe: die Strukturen im Spektrum der
Glühlampe stammen nicht von der Lampe sondern von den Pixelfilter
des Kamerasensors |
|
Kohlebogenlampe: Im Spektrum des Kohlebogens
findet man Linien verschiedener Elemente, natürlich auch das
allgegenwärtige Natrium |
|
Sonnenspektrum: Das Spetrum des Sonnenlichts
zeigt die dunklen Frauenhofer Linien. Diese Linien entstehen durch
die Absorption des Lichtes durch vorhandene Stoffe. So ist es möglich
die chemische Zusammensetzung der Sonne zu ermitteln. |
|
|
|
1 |
|
|
|