POZORUJEME SPEKTRA
Tomáš Nedvěd nás zve na pokusy s kompaktním diskem. Budeme se učit pozorovat spektra kolem nás jednoduchými prostředky a také objevíme informace ve spektrech ukryté. Prohlédlneme si spektra běžných světelných zdrojů, povšimneme si jejich nápadných rysů
Informace o autorovi

Co je spektrum?

Očima fyzika na spektrum pohlížíme buď
1) jako na závislost nějaké pozorované (měřené) veličiny na vlnové délce (frekvenci),
nebo
2) jako na vhodně upravený (ve smyslu difrakce) obraz světelného zdroje.
První způsob nahlížení je řekněme spíše matematický a můžeme jím obsáhnout všechny obory elektromagnetického záření. Druhý způsob se zaměřuje jen na viditelnou oblast elektromagnetického spektra. Rozklad světla dle vlnových délek (a tedy na barvy) vzniká při lomu světla do směru odlišného od původního a je patrný i jako odraz do jiného úhlu, než je úhel dopadu, v případě jemně a pravidelně drážkovaných předmětů.
Úhlově tenký zdroj světla dává po rozkladu dle vlnových délek spektrum s dobře oddělenými barvami. Jednobarevným obrazům oné “zdrojové čárky” se říká spektrální čáry.

Mezi běžně pozorovatelná spektra patří  kromě spektra Slunce také spektra slunečního světla (přímého či rozptýleného) filtrovaného ovzduším, tj. za podmínek když je Slunce pod obzorem nebo v malých úhlových výškách, dále spektra světla rozptýleného plochami různých barev, spektra lamp veřejného osvětlení či spektra různých interiérových světelných zdrojů.

Spektra kolem nás pozorujeme různými prostředky, zaměříme se dále  na takové, které si může kdokoliv pořídit,
na kompaktní disky CD. Obrovskou výhodou kompaktních disků před jinými difrakčními mřížkami je jejich dostupnost
pro širokou veřejnost, přičemž jejich fyzikální parametry jsou srovnatelné s mřížkami ve školních fyzikálních laboratořích.

 

Pár pojmů k zopakování

Difrakční mřížka – soustava N identických ekvidistantních štěrbin (vrypů). Může světlo buď propouštět, nebo odrážet. Práce je zaměřena pouze na difrakční mřížku, která světlo odráží, tj. mřížku reflexní (odraznou ).

Difrakční mřížka (“reflexní”) je deska z určitého materiálu, do níž jsou velmi přesně vyryty identické ekvidistantní vrypy. Předpokládejme, že všechny vrypy mají stejnou šířku r a jsou od sebe stejně vzdáleny.
Mezeru mezi dvěma vrypy nazveme proužek (místo neporušeného povrchu desky) a jeho šířku označíme s. Soustavu vryp+proužek nazveme difrakční element.
Vzdálenost stejně položených částí dvou sousedních difrakčních elementů je     m=r+s   ,
kde m je mřížková konstanta (termín mřížková konstanta sám o sobě nic nevyjadřuje a je nutno si zatěžovat mozek se zapamatováním jeho významu – proto je možné užívat termín perioda mřížky, jenž je výstižný a bezesporný).

Pro vytvoření si názornější představy o hodnotě mřížkové konstanty se často používá její převrácené hodnoty 1/m. Ta vyjadřuje počet difrakčních elementů mřížky na jednotku délky. N vyjadřuje celkový počet difrakčních elementů mřížky.

 

 

 

Dopadá-li na reflexní optickou mřížku svazek rovnoběžných paprsků monochromatického světla, pak každý bod mřížky je podle Huygensova principu zdrojem kulových vln, tj. rozbíhavých svazků paprsků (viz obrázek 0-a,).
Jejich interferencí vznikají charakteristická difrakční maxima a minima.

Obrázek -A : Svazek rovnoběžných paprsků dopadá na optickou mřížku a každý bod neporušeného povrchu mřížky je zdrojem kulové vlny, což je znázorněno rozbíhavými paprsky. Pro jev interference je důležité sledovat paprsky mající stejný směr.

 


CD jako difrakční mřížka


Proč zrovna CD?

 

Hlavní myšlenka je taková : náš CD se k dopadajícímu světlu chová jako reflexní mřížka. Jako reflexní mřížka se zhruba 600 vrypy na jednom milimetru .

 

 

Měření mřížkové konstanty v domácích podmínkách

Jednoduchý a velmi výhodný způsob, jak změřit mřížkovou konstantu je například tento :
CD nastavíme tak, že spektrální maxima pozorujeme pod úhlem b = 0°,
neboli na rovinu kompaktního disku se díváme kolmo.
Světlo na disk dopadá pod úhlem a a pro vyjádření mřížkové konstanty pak platí vztah .
Co je tedy velkou výhodou tohoto způsobu měření? Podíváme-li se zblízka na kompaktní disk uvidíme se v něm téměř jako v zrcadle. A právě toho se dá skvěle využít, protože spojnice oka a jeho zrcadlového obrazu je vždy kolmá k rovině CD. Splyne-li tedy pozorované maximum s obrazem panenky oka, máme zaručeno, že úhel b = 0°. Mřížkovou konstantu tak můžeme zjistit určením jediného úhlu. Celá situace je znázorněna na obrázku. Mřížková konstanta je v tomto případě dána výrazem

kde h představuje výšku zdroje světla (Z) nad podložkou a L je vzdálenost kolmého průmětu zdroje světla od průmětu obrazu panenky oka na kompaktní disk. Úhel a tedy určíme ze znalosti vzdáleností h, L a ze znalosti goniometrických funkcí. Při vlastním měření musíme použít zdroj se známou vlnovou délkou, tj. např. sodíkovou výbojku, zářivku,

Pro CD-DA “CASSSE - NOISETTE”,  Mediaphone, ECD 90 236; jsem naměřil následující údaje.
Při měření jsem použil sodíkovou výbojku s vlnovou délkou l = 589,3· 10-9m.

 

 Aritmetický průměr: 1,663 mm; Standardní deviace průměru: 0,02 mm;
Nejistota jednoho měření: 0,03 mm. m = ( 1,66 ± 0,02 ) mm

Takovýmto jednoduchým způsobem se dá mřížková konstanta kompaktního disku měřit v domácích podmínkách
a měl by to každý ze čtenářů zvládnout. Další možností (či spíše variací na dané téma),
jak změřit mřížkovou konstantu m je použít Bunsenův spektrometr, který bývá součástí vybavení školních kabinetů.

 
 

 

 

 

 

 
Měření mřížkové konstanty CD na Bunsenově spektrometru

Optická soustava je sestavena následovně: Zdroj světla osvětluje štěrbinu kolimátoru, jehož objektiv vytváří z rozbíhavého svazku, vycházejícího z osvětlené štěrbiny, svazek rovnoběžný, který pak dopadá na disperzní soustavu. Tu představuje úlomek CD (přesněji 1/4 z CD), upevněný na podstavec místo trojbokého rovnostranného hranolu, jenž byl původní součástí spektrometru. Po průchodu disperzní soustavou vchází rozložené světlo do objektivu dalekohledu (monokulární Keplerův, opatřený nitkovým křížem), kde vytváří v jeho ohniskové rovině obrazy štěrbiny příslušející jednotlivým vlnovým délkám.
Při měření světlo dopadá na CD pod úhlem a a odráží se pod úhlem b.
Pro mřížkovou konstantu m v tomto případě platí

.

Měření mřížkové konstanty CD-DA “CASSE - NOISETTE”, Mediaphone, ECD 90 236 jsem provedl v laboratoři katedry fyziky PdF MU. Jako zdroj světla jsem použil sodíkovou výbojku Na 24 s tlumivkou. Z naměřených úhlů a a b jsem určil mřížkovou konstantu. Každé měření je zaneseno do následující tabulky.

 

 

Tabulka první : Naměřené hodnoty úhlů dopadu a odrazu s příslušnými hodnotami mřížkových konstant pro CD-DA (CASSSE - NOISETTE; ? Mediaphone ECD 90 236,)

 

Aritmetický průměr: 1,667· 10-6 m

Standardní deviace průměru: 0,01· 10-6 m (pravděpodobnostní obsah interval je 0,68)

Relativní nejistota průměru je menší než 1,8%

Nejistota jednoho měření je 0,03 mm.

Při výpočtu jsem použil hodnotu l = 589,3· 10-9m.

m = ( 1,67 ± 0,01 ) mm

 

 

Popis a konstrukce jednoduchého spektroskopu

Účelem jednoduchého spektroskopu je získání jediného úhlově tenkého zdroje světla. Hlavními částmi jednoduchého spektroskopu jsou : štěrbina, disperzní element (úlomek kompaktního disku), a záznamové zařízení (nejčastěji oko). Světlo vstupuje do spektroskopu úzkou štěrbinou – 2, dopadá na kompaktní disk a v závislosti na vlnové délce se odráží směrem nahoru. Zde je otvor, kterým se spektrum sleduje – 1.

 

 

 
Obrázek -D : Schematicky zakreslená anatomie jednoduchého spektroskopu, s vyznačenými optickými dráhami paprsků.

Pro konstrukci jednoduchého spektroskopu je nejlépe použít papírovou krabici tvaru kvádru.Je vhodné, aby nebyla ani příliš velká, ani příliš malá. V boční stěně vystřihneme otvor, který podélně překryjeme dvěmi žiletkami (ostřím k sobě), čímž vznikne štěrbina. Je dobré nastavit šířku štěrbiny (tj. vzdálenost žiletek) až na konci celé práce, nebo zhotovit štěrbinu s volně nastavitelnou šířkou, aby bylo možné získaný obraz co nejvíce “doladit”. Na druhou stranu krabice umístíme úlomek kompaktního disku tak, aby pomyslná tečna ke stopám CD byla rovnoběžná se štěrbinou. Se spodní základnou krabice by úlomek CD měl svírat úhel menší než 45°. V horní části krabice nad úlomkem kompaktního disku vystřihneme otvor, kterým se provádí vlastní pozorování.

A protože smyslem našeho jednoduchého spektroskopu je získání úhlově tenkého zdroje světla, bude nás zajímat, jak úhlově tenký zdroj budeme tím svým spektroskopem pozorovat. Označíme-li x šířku štěrbiny a y vzdálenost štěrbiny od bodu v rovině disku do nějž paprsek ze štěrbiny dopadá, platí pro úhlovou šířku zdroje radiánů (přepočet na stupně získáte vynásobením ). Spektroskopem, jenž má x = 1 mm a y = 100 mm získáme zdroj úhlově tenký zhruba 34´.

 

Pozn.: “ pár užitečných rad ”

? osvědčily se mi krabičky od parfémů ve tvaru kvádru s rozměry cca. 10´ 7´ 4cm

? krabičku nejprve uvnitř začerněme tuší, aby nedocházelo k nežádoucím odleskům od stěn

? osvědčila se mi zhruba milimetrová štěrbina

? doporučuji použít 1/4 CD, kvůli šířce ryté plochy, která je tak maximální

? disk se dá pohodlně “rozčtvrtit” horkým nožem (přičemž nepopraská); lze to také nůžkami

na plech, ale hrozí nebezpečí popraskání

 

Jiná možná sestava spektroskopu je taková, že na místě štěrbiny použijeme lesklý kovový váleček (např. pochromovaný) sloužící jako štěrbina s efektivní šířkou jen několika mikronů. Váleček odráží světlo směrem ke kompaktnímu disku, na kterém je pak pozorovatelné spektrum. Při tomto sestavení spektroskopu však budou horší výsledky. Získáme jím sice zdroj úhlově tenký, ale ne jediný (při pozorování vadí okolní světlo).

Jak pozorovat spektrum?

Bodový zdroj světla

Při vlastním pozorování si ze všeho nejdříve vyberme bodový zdroj světla (např. dostatečně vzdálenou žárovku, plamen svíčky, lampu veřejného osvětlení, kompaktní zářivku, ... ), který je “osamocený”, tzn. žádný jiný zdroj k němu není úhlově blíž než asi 30°. To zhruba odpovídá trojnásobné šířce pěsti při natažené ruce.

To platí zejména pro začátečníky (ale nejen je!), aby se jim nepletly spektrální obrazy jednotlivých světelných zdrojů do sebe. Postavte se čelem ke zdroji světla a do ruky uchopte kompaktní disk. Zdroj světla a kolmice ke kompaktnímu disku určují rovinu dopadu a podél této roviny budeme pozorovat interferenční jevy (v ní leží úhly a a b).

Kompaktní disk nejdříve podržte ve vzdálenosti cca. 30 cm od oka a nakloňte ho tak, že se vám v něm bude zdroj světla zrcadlit (zrcadlový odraz). To je poloha, kdy pozorujeme 0. řád spektra.

Obrázek -A : Schematické znázornění umístění 0. řádu spektra. Pohled shora na kompaktní disk. Vzdálenost disku a oka je cca. 30 cm.

Když nyní přiblížíme oko až těsně k disku (na vzdálenost několika málo centimetrů) uvidíme spektrum.

Můžeme rozlišit případy, kdy budeme měnit (vůči povrchu Země) buď polohu oka (pozorovatele), nebo polohu zdroje anebo (nejčastěji) polohu kompaktního disku.

Výjděme ze zrcadlové polohy (tj. poloha, při níž se úhel a rovná úhlu b, neboli vidíme zrcadlový odraz zdroje světla – nultý řád spektra). Když nyní budeme kompaktní disk naklánět směrem k sobě podél jeho horizontální osy (na kompaktní disk se díváme stále kolměji), bude se úhel a zvětšovat a úhel b zmenšovat. Do našeho oka bude vstupovat nejdříve fialové, pak modré, zelené, žluté a červené světlo příslušné +1. řádu spektra. Podobný jev budeme pozorovat, když ze zrcadlové polohy budeme kompaktní disk odklánět od sebe opět kolem jeho horizontální osy (budeme se na něj dívat stále tečněji). Do oka nám bude opět vstupovat postupně světlo fialové, pak modré, zelené, žluté a červené. To budeme pozorovat - 1. řád spektra.

Obrázek -B : Schematické znázornění 0. a +1. řádu spojitého spektra na kompaktním disku. Pohled shora. Oko se nyní nachází nad +1. řádem spektra ve vzdálenosti asi 11 cm od disku.

Obrázek -C : Základní poloha bodového zdroje světla, CD a +1., 0., a -1. řádu spektra

 

Pokud budeme kompaktní disk naklánět ještě víc (od sebe, či k sobě) a oko přiblížíme k disku na vzdálenost asi 6 cm, spatříme -2. či +2. řád spektra a při dalším naklánění disku a přibližování oka k němu řády vyšší.

 

Čarový zdroj světla

Typickým čarovým zdrojem světla je lineární zářivka (o pozorování lin. zářivek více v čl. 0). K tomu, abychom si mohli prohlédnout spektrum čarového zdroje světla se všemi spektrálními čarami, musíme zajistit, aby tento zdroj byl úhlově tenký. Toho docílíme např. štěrbinou u jednoduchého spektroskopu či pozorováním z dostatečné vzdálenosti při použití samotného CD. Která ta vzdálenost je ale dostatečná? V blízkosti čarového zdroje světla nastavme disk do polohy, v níž na něm uvidíme kterýkoliv (mimo nultého!) řád spektra. Budeme-li se nyní od tohoto čarového zdroje vzdalovat, uvidíme, že v jisté vzdálenosti od něj se z původně spojitého spektra začnou “vynořovat” nejjasnější emisní čáry. A čím víc se budeme od zdroje světla vzdalovat, tím lepší čarové spektrum uvidíme.

 

Kolik spektrálních řádů se dá na samotném CD pozorovat?

Vyzkoušejme situaci, kdy kompaktní disk položíme na nějakou podložku (parapet okna, lavičku, stůl, ...) a budeme jej sledovat v rovině dopadu pod různými úhly (a = konst.,b Î ( -p/2;+p/2) ). Od polohy, v níž vidíme zrcadlový odraz zdroje sledujme všechny záporné řády spektra (úhel b se zmenšuje až k nule a pak dále klesá k mínus p/2, když se díváme z téže strany, ze které na disk svítí zdroj). Musí platit . Aby byla pro všechny úhly b Î ( -p/2;+p/2) zachována rovnost, musí platit . Dosadíme-li lč = 0,68mm (červená barva), lf = 0,40 mm (fialová barva), m = 1,67mm zjistíme, že takhle uvidíme maximálně 4 červené a 8 fialových oblastí spektrálních řádů. Tedy teoreticky bychom tedy měli vidět 4 celé spektrální řády a ještě fialové části dalších 4 řádů. Ty celé spektrální řády jsou skutečně snadno pozorovatelné (i když samozřejmě dochází k jejich částečnému vzájemnému překrývání). Horší situace je s těmi řády vyššími, což může být způsobeno např. menším množstvím světla v daných řádech.

 

Pozorování slunečního spektra

 

Sluneční spektrum je na první pohled spojité (jen tak jej znal Newton), ale při podrobnějším pohledu v něm lze najít absorpční čáry, které vznikly pohlcením (absorpcí) určitých složek spojitého spektra při průchodu chladnější vrstvou plynů. Většina čar slunečního spektra vzniká ve vnějších vrstvách fotosféry. Fraunhofer označil hlavní čáry velkými a malými písmeny latinské abecedy. Toto označení se dochovalo doposud a vedle něho se též užívá označení čar chemickou značkou příslušného prvku. Ve slunečním spektru tak můžeme najít např. řadu čar vodíku označených postupně Ha, Hb, Hg atd., které nesou také Fraunhoferovo označení C, F, f atd. Je to známá Balmerova série (řada) vodíku. Dvojitá čára označená Fraunhoferem D patří sodíku, čáry A a B patří kyslíku, dvojice silných čar K a H na hranici viditelného spektra patří vápníku atd. Některé čáry vznikají teprve až v zemské atmosféře. K nim patří kyslíkové A a B, dále řada pásů vodní páry, ozonu a kysličníku uhličitého. ([ 10] ,s.227-230)

Když namíříme jednoduchý spektroskop štěrbinou směrem k nějakému jasnému místu oblohy (např. ke Slunci), budeme si moci po chvíli experimentování prohlédnout krásné sluneční spektrum s několika nenápadnými absorpčními čarami. Čáry se zvýrazní, když se při pozorování přikryjeme neprůsvitnou látkou. Nevýrazné čáry se také stanou nápadnějšími, když budeme spektroskopem pomalu pohybovat nahoru a dolu (pomalu pohybující se “nic” je často nápadnější než “nic” stojící). Je dobré pokusit se také zvětšovat a zmenšovat šířku štěrbiny.

Za jasného počasí lze pozorovat v 1.řádu spektra Fraunhoferovy čáry A, B, C, D1,2 (dublet není rozlišen!), E, b, F, g, f, h. Jas tohoto řádu je ovšem velký a může ještě oslňovat. Ve 2.řádu spektra jsou viditelné čáry A, B, C, D1,2 (dublet je zde na hranici rozlišení!), E, b, F, g, f, h. Další spektrální řády se již překrývají a nejsou proto příliš vhodné k pozorování.

Za deště je vhodné pozorovat 1. řád spektra, kvůli jeho jasu. Lze pozorovat čáry A, B, C, D1,2, E, b, F, dále pás mezi žlutou a zelenou oblastí a pás mezi oranžovou a žlutou oblastí. Pás mezi žlutou a zelenou oblastí je známý pás vodní páry (tzv. dešťový pás). Jeho přítomnost ve spektru ukazuje na skutečnost, že jsou v atmosféře obsaženy molekuly vody.

Při západu (či východu) Slunce lze jednoduchým spektroskopem uvidět čáry A, B, C, D, E, b, F a dále velmi nápadné jsou tři molekulové pásy. Pás vodní páry nacházející se mezi žlutou a zelenou oblastí , dále pás mezi oranžovou a žlutou oblastí a pás v oblasti červené. Pás v červené oblasti je pás kysličníku uhličitého, kterého je v ovzduší také dost.

Při pozorování slunečního spektra při západu Slunce si můžeme všimnout ještě jedné zajímavosti. Modrá oblast spektra je po západu Slunce výrazně menší než během dne a západ Slunce je červený. To je způsobeno tím, že světlo, které přichází do oka přes velkou vrstvu vzduchu ztratí rozptylem velké množství modré složky světla takže je žluto-červené (odmodralé).

 

 

 

 

Tabulka druhý : Přehled nejvýraznějších Fraunhoferových čar

 

* ... jedná se o skupiny čar

([ 26] ,s. 195-196), ([ 10] , s. 228)

 

Sluneční spektrum se dá pozorovat také tak, že úlomkem disku (nejlépe CD-R) budeme sluneční světlo promítat na zastíněnou plochu (zeď). Kromě zrcadlového odrazu uvidíme i nejjasnější spektrální řády, přičemž získané spektrum bude spojité. Abychom v něm viděli absorpční čáry a molekulární pásy, musíme úlomek disku vhodně prohnout, tj. vytvořit z něj fokusující mřížku. Prohnutí realizujte stlačením vnitřního a vnějšího okraje disku ve snaze vytvarovat jej do paraboly.

Při tomto způsobu pozorování jsem ve slunečním spektru spolehlivě rozpoznal jenom molekulový pás vodní páry a pás kysličníku uhličitého.

 

Pozorování spekter žárovek

 

Žárovky patří k teplotním světelným zdrojům a můžeme je rozdělit na žárovky vakuové a žárovky plněné plynem, a ty pak dále na žárovky klasické a halogenové. Klasické žárovky jsou stále nejrozšířenějším umělým světelným zdrojem světla a k jejich přednostem patří jednoduchá konstrukce, okamžitý start bez blikání, stabilní svícení bez míhání, spojité spektrum vyzařovaného světla, vynikající podání barev, ... V ostrém protikladu k uvedeným výhodám stojí především malý měrný výkon žárovek a jejich relativně krátký život. Jestliže v klasických žárovkách je dominujícím procesem vypařování wolframového vlákna a usazování wolframu na stěnách baňky, pak v halogenových žárovkách se k tomuto procesu přidává působení termochemické transportní reakce wolframu s halogenem. Spektra žárovek se dají dobře pozorovat jak samotným kompaktním diskem, tak i jednoduchým spektroskopem. Jejich spektrum je spojité.

Samozřejmě, že spektrum žárovek můžeme pozorovat i jiným způsobem. Kromě řekněme tzv. klasických způsobů jako je použití hranolu či difrakční mřížky na průchod, můžeme použít i způsoby jiné. Zkusme získat spektrum pomocí textilního kávového filtru. U kávového filtru jsou útek a osnova k sobě kolmé, čímž vzniká pravoúhlá síť. Podíváme-li se přes tento kávový filtr na bodový zdroj světla (např. žárovka v dostatečné vzdálenosti), uvidíme spektrum. Textilní kávový filtr se dá s výhodou použít i při pozorování spekter výbojek. Zajímavý je např. pohled na spektra řady pouličních lamp.

 

 

 

Pozorování spekter výbojek

Tato kapitola je věnována pozorování vysokotlakých sodíkových a rtuťových výbojek, jakožto hlavních představitelek výbojových světelných zdrojů používaných pro účely veřejného osvětlení. Můžeme se s nimi setkat i ve fyzikálních laboratořích, školních fyzikálních kabinetech, ...

Vyberme si osamocenou lampu s výbojkou a postavme se k ní čelem ve vzdálenosti asi 20 m. V této vzdálenosti můžeme výbojku považovat za bodový zdroj, který je zároveň dostatečně jasný. Výbojka a kolmice k CD určují rovinu dopadu a podél této roviny budeme pozorovat interferenční jevy (v ní leží úhly a a b).

Vezmeme si “cédéčko” a v poloze, jako bychom lampu fotili zrcadlovým fotoaparátem ho nastavíme tak, abychom viděli obraz výbojky – nultý řád spektra.

Obrázek -D : Schematické znázornění umístění nultého řádu spektra při pozorování výbojky kompaktním diskem. Pohled shora ze vzdálenosti oka od disku asi 30 cm.

 

Dále budeme postupovat podle dříve popsaného návodu; viz čl. 0, str. *.

Při prvním pohledu si každý jistě všimne že spektrum není spojité, ale je tvořeno výraznými zjasněními v některých barevných odstínech (viz emisní spektrum).

 

 

Pozorování spekter zářivek

 

Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, v nichž se ultrafialové záření výboje transformuje vrstvou luminoforu na viditelné světlo. V závislosti na typu použitého luminoforu lze dosáhnout různého spektrálního složení vyzařovaného světla a různé účinnosti zářivky. Vlastní výboj probíhá v parách rtuti a v inertním plynu (obvykle argon nebo směs argonu s kryptonem). Zářivky lze rozdělit na zářivky lineární a kompaktní. ([ 11] , s.121) Kompaktní zářivky se svým světelným tokem, geometrickými parametry a kvalitou podání barev blíží obyčejným žárovkám a v porovnání s nimi mají podstatně větší účinnost. ([ 11] , s.129)

Lineární zářivky, coby interiérový zdroj světla, nejsou zdrojem bodovým, ale čarovým. Nejlepší bude proto k pozorování jejich spektra použít buď jednoduchého spektroskopu nebo postupovat dle návodu pro pozorování čarových zdrojů, anebo musíme zmíněnou bodovost světelného zdroje zajistit jinak (nejlépe vhodným cloněním).

Obrázek -E : Schematické znázornění umístění nultého řádu spektra při pozorování lineární zářivky kompaktním diskem. Pohled shora ze vzdálenosti oka od disku asi 30 cm.

Obrázek -F :Schematické znázornění 0. a +1. řádu emisního spektra na kompaktním disku. Pohled shora. Oko se nachází nad +1. řádem spektra ve vzdálenosti asi 5 cm od disku.

Pokusme se kreslit

 

Vzhled spekter je vždy vhodné nejen popsat, ale též zachytit graficky. Dobře provedená kresba je vždy názornější než sebelepší popis. Zhotovit pěknou a realitě odpovídající kresbu však není lehké.

Pokusme se nyní nakreslit spojité spektrum. Nejedná se o zcela triviální úlohu, jak by se mohlo zpočátku zdát, protože není jednoduché správně zakreslit zvláště “přechody” mezi jednotlivými barevnými oblastmi. Je vhodné spektrum kreslit do předem připraveného obdélníku o stranách 6´ 2 cm. Kresba spektra by se ve výsledku měla co nejvíce podobat skutečnosti – tj. měla by obsahovat všechny barevné plochy bez patrných tahů pastelek (kreslete proto lehce a doporučuji “dřevěnými” měkkými pastelkami).

Emisní a absorpční spektra zakresleme opět do připravených obdélníků. Naší hlavní úlohou v tomto případě bude vystihnout nejen správné odstíny čar (to v případě emisních spekter), ale hlavně jejich vzájemné vzdálenosti. U absorpčních spekter můžeme ohodnotit “tmavost” jednotlivých absorpčních čar stupnicí od 0 (nejtmavší, nejnápadnější) do 5 (nejsvětlejší, nejhůře pozorovatelná). Nejprve si vyznačte polohu nejjasnějších spektrálních čar a teprve potom zakreslete polohu čar slabších, přičemž stále kontrolujte geometrickou věrnost kresby. Čáry v chybných polohách raději zavčas vymažte. Nejste-li si polohou nějaké slabé čáry jisti, uveďte u její pozice otazník.

Podél jeho delších stran vyznačíme souřadnicové osy. Jeden dílek stupnice nechť je velký jeden centimetr. Na jednu z os vynášíme Db , tj.  (absolutní hodnotu úhlu b0 explicitně určíme z úhlu dopadu a). Jestliže celé spektrum vidíme velké např. 6°, pak každému dílku naší stupnice odpovídá úhel 1°, vidíme-li spektrum 15° velké, pak každému dílku stupnice odpovídá úhel 2,5°, atd. Na druhou osu vynášíme poměrnou vzdálenost spektrálních čar od vybraného bodu, tj. . Na závěr je samozřejmě vhodné kresbu doplnit údaji o zdroji světla, jeho úhlové velikosti, mřížkové konstantě kompaktního disku, řádu pozorovaného spektra a poznámkou o tom, zda bylo spektrum pozorované pomocí jednoduchého spektroskopu či na samotném CD.

 

Zajímavé pokusy s CD

Měření vlnové délky světla

 

Nejjednodušší způsob měření

Při měření vlnové délky světla v domácích podmínkách je vhodné postupovat následovně :

 

 

 

 

 

 

Obrázek -A : Znázornění optických drah paprsků při prvním způsobu měření vlnové délky světla pomocí kompaktního disku

 

CD umístíme na podlahu pod bodový zdroj světla – Z. Může jím být i běžná síťová žárovka (bez lustru). Téměř celý kompaktní disk při měření zakryjeme (nejlépe tmavším papírem). Odkrytý je jenom malý obdélník záznamového pole disku.

Světelný paprsek dopadá na obdélníkovou plošku kolmo (do bodu S). Jestliže tuto plošku pozorujeme (z bodu O) pod měnícím se úhlem b vzhledem ke kolmici dopadu, jeví se nám ploška vždy jinak zabarvená. Tak je tomu u žárovky se spojitým spektrem. Barva plošky se při změně úhlu tedy mění.

Platí , kde m představuje mřížkovou konstantu.

Jestliže chceme najít vlnovou délku, odpovídající zvolené barvě např. červené obsažené ve spojitém spektru žárovky, najdeme takový úhel b, že při pozorování z příslušného směru se nám osvětlená ploška CD jeví právě tak, tj. červeně zabarvená.

Přesnější měření můžeme vykonat, když místo žárovky použijeme jako zdroj světla např. výbojku a na obdélníkové plošce budeme místo celých barevných oblastí pozorovat vždy jednu emisní čáru. Tak můžeme určit vlnové délky jednotlivých spektrálních čar např. výbojek či zářivek.

 

Jiné varianty měření

Měření vlnové délky světla pomocí CD je možné vykonat i ve všeobecnějším uspořádání znázorněném na obrázku Světelný paprsek dopadá na disk pod úhlem a. Příslušné interferenční maximum najdeme pod úhlem b. Pro určení vlnové délky platí .

 

 

 

 

 

 

Obrázek -B : Znázornění optických drah paprsků při druhém způsobu měření vlnové délky světla pomocí kompaktního disku.

 

 

 

 

 

Obrázek :

Znázornění optických drah paprsků při třetím způsobu měření (“z té samé strany”) vlnové délky světla pomocí kompaktního disku

Měření se dá vykonat i při osvětlení “z té samé strany”.

 

 

 

Ve speciálním případě je možné měřit i tak, že CD osvětlíme malým světelným zdrojem (např. žárovkou kapesní svítilny) umístěným v těsné blízkosti oka. Svítilnu opřeme o obočí, takže oko a žárovka se nacházejí na stejné úrovni. Měření potom spočívá v tom, že oko zároveň se žárovkou posunujeme ta dlouho, až se nám “aktivní” pole CD zbarví určitou barvou, jejíž vlnovou délku určujeme. V této situaci je v posledním vztahu a = b, takže .

 

 

 

 

 

 

Obrázek -D : Znázornění optických drah paprsků při čtvrtém způsobu měření vlnové délky světla pomocí kompaktního disku

 

Měření se dá uskutečnit také tak, že oko je při něm umístěné přesně nad “aktivní” ploškou CD .Tentokrát se pohybuje zdroj. Přemísťujeme ho tak, až se nám pozorovaná ploška jeví patřičně zabarvená. Pro určení vlnové délky použijeme vztah .

 

 

 

 

 

 

 

Obrázek -E : Znázornění optických drah paprsků při pátém způsobu měření vlnové délky světla pomocí kompaktního disku

 

Obal CD jako detektor polarizace

Zaměřme se nyní na plastový obal kompaktního disku. Necháme-li na něj dopadat polarizované světlo tj. například světlo odražené od skla, můžeme na plastové vrstvě obalu CD uvidět oblasti stejných barev. Jedná se o zviditelnění míst stejné napjatosti, tj. míst jež jsou podrobeny elastické deformaci. Zvlášť výrazný je tento jev v okolí stlačených či napjatých míst (tj. rohů obalu disku či míst k nimž byly nalisovány jiné části obalu). Pro vylepšení pozorování je vhodné vyložit obal černým papírem či látkou, pokud již není podklad (tj. booklet neboli brožura vkládaná do obalu k disku) průhledného obalu sám o sobě dost černý. V jiném než polarizovaném světle tento jev neuvidíme, tudíž plastový obal CD slouží jako detektor polarizovaného světla.

Tento způsob zviditelňování elastické deformace má významnou aplikaci v technické praxi (např. při zkoumání napjatosti stavebních konstrukcí na modelech zhotovených z plexiskla). Tato metoda se nazývá fotoelasticimetrie. ([ 15] , s.93)

Rtuťová výbojka HQE 40

( film FUJI 200, čas 4s; F 5,6 )

Foceno ve fyzikální laboratoři na PdF MU dne 1.11.1996. Úhlová velikost zdroje byla zhruba 10´. Úhel dopadu a 50°. Na snímku je spektrální maximum druhého řádu. Jsou na něm emisní čáry, jejichž vlnové délky jsou :

404,7 nm ... fialová, 407,8 nm ... fialová, 434,7 nm ... modrá, (435,8 nm ... modrá), 491,6 nm ... modrozelená, (496,0 nm ... modrozelená), 535,4 nm ... zelená, 546,0 nm ... zelená, 577,0 nm ... žlutá, 579,1 nm ... žlutá

– závorka znamená, že uvedená spektrální čára je na pokraji rozlišení.

Vlnové délky spektrálních čar jsem určil z údajů naměřených monochromátorem Jobin– Yvone HR 640, jež jsem vynesl do grafu.

 

 

Graf A : Rtuťová výbojka HQE 40. Na x-ové ose je vlnová délka (pozor vlnové délky jsou zde uváděny v angströ mech; 1A = 0,1 nm), na y-ové ose je poměrné množství záření

 

 

Rtuťová výbojka (MERCURY)

 

( film FUJI 200, čas 8s; F 5,3) Foceno ve fyzikální laboratoři na PdF MU dne 3.5. 1996. Úhlová velikost zdroje byla asi 25´. Úhel dopadu a 50°. Na snímku je spektrální maximum druhého řádu.

 

 

 

 

Tabulka třetí : Tabulka emisních čar rtuťové výbojky

 

Graf B : Závislost vlnových délek jednotlivých spektrálních čar rtuťové výbojky na jejich poloze. Nejistota v poloze jednotlivých spektrálních čar je dána nejistotou jejich změření

 

 

 

 

Tipy pro další pozorování

V této kapitole uvádím tipy na pozorování kterým jsem se již nestačil plně věnovat. Věřím, že čtenáře – pokusníka zaujmou, obohatí a inspirují k další práci.