Název: Pozorování a měření emisních spekter různých zdrojů Autor: Doc. RNDr. Milan Rojko, CSc. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: fyzika, chemie Ročník: 3. (1. ročník vyššího gymnázia) Tematický celek: Vlnová optika Stručná anotace: Žáci pozorují spektra různých zdrojů svým sestaveným mřížkovým spektroskopem a proměřují je poté spektrometrem SpectroVis Plus. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Výukové materiály Pozorování a měření emisních spekter různých zdrojů Pomůcky Optická lavice s držáky, štěrbina, optická mřížka 500 štěrbin/mm, stínítko se štěrbinovým otvorem, spektrometr SpectroVis Plus, stolní lampa se žárovkou, sodíková výbojka, zářivka, event. další zdroje světla. Teorie Některé zdroje, jako například žárovka, dávají spojité spektrum, v němž jsou zastoupeny světla všech barev od fialové po červenou (obr. viz [1]). Jiné zdroje naopak vysílají pouze světlo některých vlnových délek. Takové spektrum složené z barevných čar nazýváme čárové spektrum (obr. viz [2]). Rozklad světla na jeho barevné složky lze realizovat průchodem světla hranolem nebo optickou mřížkou. Optická mřížka je soustava velkého počtu stejně širokých rovnoběžných štěrbin v malé vzdálenosti od sebe. Kvalitní mřížky mají stovky štěrbin na jednom milimetru. Když mřížku osvětlíme rovnoběžným svazkem světla, dojde k interferenci světelných vln procházejících štěrbinami. Na stínítku zachycená maxima jsou velmi ostrá a jsou od sebe vzdálena tím více, čím jsou štěrbiny mřížky blíž u sebe (obr. viz [3]). Při dopadu bílého světla na optickou mřížku je nulté maximum bílé, protože sem dopadají všechny složky světla. V dalších interferenčních maximech je světlo rozložené na barevné složky. Vznikající maxima vyšších řádů jsou symetricky rozložena od nultého maxima. Podmínka pro směr α, v němž jsou od původního směru odchýlena maxima jednotlivých barev, je určena podmínkou, že světelné vlny jsou zde ve fázi. Budou to tedy směry, ve kterých je dráhový rozdíl svazků ze sousedních štěrbin jedna (nebo několik) vlnových délek. Z obr. 1 je vidět, že pro úhel a v trojúhelníku ABC platí: d je vzdálenost štěrbin mřížky (tzv. mřížková konstanta) λ vlnová délka světla α odchýlení maxima1. řádu od směru dopadajícího světla Z uvedeného vztahu vyplývá, ve shodě s pokusem, že nejméně odchýlené světlo je fialové má nejmenší vlnovou délku. Červené světlo je odchýleno nejvíce, jeho vlnová délka je největší. Cíl Pozorovat spektra různých zdrojů světla. Postup práce 1. Na optickou lavici žáci upevní držáky se štěrbinou, optickou mřížkou a stínítko se
štěrbinovým otvorem. Za štěrbinu stínítka pak umísťují různé světelné zdroje a pozorují jejich spektrální složení. 2. Za pomoci USB kabelu spojí počítač se spektrometrem SpectroVis Plus. Do otvoru pro vložení kyvet umístí konec optického vlákna (trojúhelníček na trojúhelníček). Spustíme Logger Pro. Automaticky je nastaveno měření absorbance. Pro naše měření musíme vybrat program Experiment Změnit jednotky Intenzita. Při vlastní měření využijeme další nastavení Experiment Nastavení senzorů Spektrometr. Protože různé zdroje světla jsou různě intenzivní, musíme průběžně upravovat hodnotu Vzorkovací čas. Lze ji měnit od 15 do 1 000 ms. Pro velmi jasné zdroje (denní světlo, sodíková výbojka, žárovka) nastavujeme nižší hodnoty (např. 15 50 ms), v případě slabě žhnoucí žárovky nebo různých výbojových trubic pak hodnoty kolem 800 900 ms. Měření trvá
déle, ale lze proměřit i velmi slabé zdroje. Intenzitu lze upravit i tím, že vzdálíme konec optického vlákna od zdroje světla. Měření žáci spouští tlačítkem Sběr dat. Jestliže se objeví naměřené spektrum, měření ukončí. Výsledky Příklad výsledků: a) Spektrum slunečního světla je spojité, nevykazuje žádná výrazná maxima. Nejintenzivnější je světlo zelené, jež má vlnovou délku 522 nm. Intenzity červených odstínů jsou poměrně slabé, což je způsobeno konstrukcí spektroskopu. b) Spektrum žárovky (plný svit) je spojité, obsahuje všechny barvy od fialové po červenou, ale ve srovnání se slunečním světlem různých intenzit. c) Spektrum žárovky (slabě žhnoucí) také obsahuje prakticky všechny barvy, při nižší teplotě (zde asi 1300 C) je však chudší o odstíny fialové a modré barvy. Čím je vyšší teplota zdroje, tím více se maximum intenzity posunuje ke kratší vlnové délce. d) Spektrum zářivky vykazuje několik zřetelných spektrálních čar. Podle jejich vlnových délek lze určit složení luminoforu na stěně zářivky. e) Spektrum sodíkové výbojky vykazuje jedno maximum o vlnové délce 592,6 nm.
Diskuze Žáci v diskuzi porovnají nepřesnosti měření svým mřížkovým spektroskopem se spektrometrem a tyto hodnoty konfrontují s tabulkovými hodnotami význačných spektrálních čar zdrojů použitých v pokusu. Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti Pracovní list je možno využít jako laboratorní úlohu. V první části studenti sestaví vlastní mřížkový spektroskop, s nímž provádějí vlastní pozorování. Druhá část je demonstračně předvedena učitelem v hodině. Měření vlnových délek světla z Geislerových výbojek. Úlohu lze obohatit měřením změn složení světla po průchodu různými kapalinami (absorpčních spekter). Literatura [1] Dostupné z www: <http://www.itnetwork.cz/maturitni-otazka-fyzika-optika-odraz-a-lomsvetla>. 13.12.2014 [2] Dostupné z www: <http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=41746f6d6f76e120 66797a696b61h&key=1056 >. 13.12.2014 [3] Dostupné z www: <http://vega.fjfi.cvut.cz/docs/sfbe/optika/node10.html>. 13.12.2014
Pracovní list pro žáka Pozorování a měření emisních spekter různých zdrojů Pomůcky Optická lavice s držáky, štěrbina, optická mřížka 500 štěrbin/mm, stínítko se štěrbinovým otvorem, spektrometr SpectroVis Plus, stolní lampa se žárovkou, sodíková výbojka, zářivka, event. další zdroje světla. Teorie Některé zdroje, jako například žárovka, dávají spojité spektrum, v němž jsou zastoupeny světla všech barev od fialové po červenou (obr. viz [1]). Jiné zdroje naopak vysílají pouze světlo některých vlnových délek. Takové spektrum složené z barevných čar nazýváme čárové spektrum (obr. viz [2]). Rozklad světla na jeho barevné složky lze realizovat průchodem světla hranolem nebo optickou mřížkou. Optická mřížka je soustava velkého počtu stejně širokých rovnoběžných štěrbin v malé vzdálenosti od sebe. Kvalitní mřížky mají stovky štěrbin na jednom milimetru. Když mřížku osvětlíme rovnoběžným svazkem světla, dojde k interferenci světelných vln procházejících štěrbinami. Na stínítku zachycená maxima jsou velmi ostrá a jsou od sebe vzdálena tím více, čím jsou štěrbiny mřížky blíž u sebe (obr. viz [3]). Při dopadu bílého světla na optickou mřížku je nulté maximum bílé, protože sem dopadají všechny složky světla. V dalších interferenčních maximech je světlo rozložené na barevné složky. Vznikající maxima vyšších řádů jsou symetricky rozložena od nultého maxima. Podmínka pro směr α, v němž jsou od původního směru odchýlena maxima jednotlivých barev, je určena podmínkou, že světelné vlny jsou zde ve fázi. Budou to tedy směry, ve kterých je dráhový rozdíl svazků ze sousedních štěrbin jedna (nebo několik) vlnových délek. Z obr. 1 je vidět, že pro úhel a v trojúhelníku ABC platí: d je vzdálenost štěrbin mřížky (tzv. mřížková konstanta) λ vlnová délka světla α odchýlení maxima1. řádu od směru dopadajícího světla Z uvedeného vztahu vyplývá, ve shodě s pokusem, že nejméně odchýlené světlo je fialové má nejmenší vlnovou délku. Červené světlo je odchýleno nejvíce, jeho vlnová délka je největší. Cíl Pozorovat spektra různých zdrojů světla. Postup práce 1. Na optickou lavici žáci upevní držáky se štěrbinou, optickou mřížkou a stínítko se
štěrbinovým otvorem. Za štěrbinu stínítka pak umísťují různé světelné zdroje a pozorují jejich spektrální složení. 2. Za pomoci USB kabelu spojí počítač se spektrometrem SpectroVis Plus. Do otvoru pro vložení kyvet umístí konec optického vlákna (trojúhelníček na trojúhelníček). Spustíme Logger Pro. Automaticky je nastaveno měření absorbance. Pro naše měření musíme vybrat program Experiment Změnit jednotky Intenzita. Při vlastní měření využijeme další nastavení Experiment Nastavení senzorů Spektrometr. Protože různé zdroje světla jsou různě intenzivní, musíme průběžně upravovat hodnotu Vzorkovací čas. Lze ji měnit od 15 do 1 000 ms. Pro velmi jasné zdroje (denní světlo, sodíková výbojka, žárovka) nastavujeme nižší hodnoty (např. 15 50 ms), v případě slabě žhnoucí žárovky nebo různých výbojových trubic pak hodnoty kolem 800 900 ms. Měření trvá
déle, ale lze proměřit i velmi slabé zdroje. Intenzitu lze upravit i tím, že vzdálíme konec optického vlákna od zdroje světla. Měření žáci spouští tlačítkem Sběr dat. Jestliže se objeví naměřené spektrum, měření ukončí. Výsledky a) Popis spektra slunečního světla: b) Popis spektra žárovky (plný svit): c) Popis spektra žárovky (slabě žhnoucí): d) Popis spektra zářivky: e) Popis spektra sodíkové výbojky:
Diskuze Literatura [1] Dostupné z www: <http://www.itnetwork.cz/maturitni-otazka-fyzika-optika-odraz-a-lomsvetla>. 13.12.2014 [2] Dostupné z www: <http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=41746f6d6f76e120 66797a696b61h&key=1056 >. 13.12.2014 [3] Dostupné z www: <http://vega.fjfi.cvut.cz/docs/sfbe/optika/node10.html>. 13.12.2014