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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.
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