K pozorování spekter můžeme použít buď samotný kompaktní disk, jeho úlomek či úlomek disku v krabičce se štěrbinou – jednoduchý spektroskop. Vyberme si nyní libovolný zdroj světla a CD nastavme tak, že pomocí něj uvidíme spektrum. Zkusme nyní diskem různě natáčet (naklánět ho do stran, otáčet s ním kolem osy procházející jeho středem, ...) a vyzkoušejme co nejvíce různých poloh, v nichž můžeme spektrum pozorovat.
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.
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.
Čarový zdroj světla
Typickým čarovým zdrojem světla je lineární zářivka. 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 (úhel a = konst., úhel b je z intervalu (-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 z intervalu (-p/2; +p/2) zachována rovnost, musí platit . Dosadíme-li lč = 0,68mm (červená barva), lf = 0,40 mm (fialová barva), m = 1,67pm zjistíme, že takhle uvidíme maximálně 4 červené a 8 fialových oblastí spektrálních řádů. Tedy teoreticky bychom 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.<< zpět na obsah této kapitoly
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)Pro pozorování slunečního spektra je dobré použít jednoduchý spektroskop. Důvod je prostý. Je automaticky zajištěna (díky samotnému plášti spektroskopu) nerušenost pozorování okolními světelnými zdroji.
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 (mříží # jsou označeny „nejsilnější" Fraunhoferovy čáry). 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 čády 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 (změna umístění mříže z A na B může být způsobena změnou množství světla). Pás vodní páry nacházející se mezi žlutou a zelenou oblastí (pás vodní páry je společně s čarou B nejnápadnějším (nejjasnějším) „objektem"), 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 (velkou vrstvu v porovnání s její velikostí (tloušťkou) během dne. Jinými slovy paprsky musí urazit skrz atmosféru delší dráhu než např. v poledne) ztratí rozptylem velké množství modré složky světla takže je žluto-červené (odmodralé).
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 čády, 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.
<< zpět na obsah této kapitoly
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 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. Celkový efekt wolfram-halogenového cyklu u žárovky představuje při zvýšení světelného toku o asi 30% přibližně dvojnásobný život. ([11], s.113-120)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.
<< zpět na obsah této kapitoly
Pozorování spekter výbojek
Tato kapitola je věnována pozorování vysokotlakých sodíkových a rtuťových výbojek, jakožto hlavních představitelek výbojových světelných zdrojů používaných pro účely veřejného osvětlení (Česká republika patří k zemím s nejvyšším podílem vysokotlakých sodíkových výbojek ve veřejném osvětlení ([11], s.154)). 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.
Dále budeme postupovat podle dříve popsaného návodu (viz Bodový zdroj světla).
Při prvním pohledu si každý jistě všimne že spektrum není spojité, ale je tvořeno výraznými zjasněními v některých barevných odstínech (viz emisní spektrum).
<< zpět na obsah této kapitoly
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).
<< zpět na obsah této kapitoly
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. (b-b0)/1° (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 y0,
tj. (y-y0)/1cm. 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.
<< zpět na obsah této kapitoly
Malá spektrální analýza
Máme-li spektrum nakreslené, můžeme se pokusit o jakousi jednoduchou spektrální analýzu, tj. pokusíme se určit vlnové délky světla, vydávaného pozorovaným zdrojem. U spojitého spektra můžeme určit např. vlnové délky obou pozorovaných konců viditelného spektra, ...; u spekter čarových vlnové délky jednotlivých spektrálních čar. A máme hned několik způsobů, jak to učinit.Jeden z nich je vlastně velmi podobný úloze, při níž jsme určovali mřížkovou konstantu CD, s tím, že nyní známe mřížkovou konstantu a určujeme vlnovou délku světla.
Další spočívá v tom, že víme-li o jaké spektrální čáry jde, můžeme si jejich vlnové délky zjistit z literatury (v příslušných tabulkách).
Možností, jak zjistit vlnové délky jednotlivých spektrálních čar je více a jedna z velmi přesných je použitím monochromátoru.
Po zjištění vlnových délek spektrálních čar vynesme tyto do grafu. Na vodorovné ose bude vlnová délka a na svislé poměrná vzdálenost spektrálních čar (neboli jejich poloha). Pro malé hodnoty úhlu b můžeme získanými body proložit přímku. Jinými slovy vzdálenost dvou spektrálních čar je pro malé hodnoty úhlu b přibližně úměrná rozdílu jejich vlnových délek. Pro ostatní hodnoty úhlu b musíme body proložit funkcí sinb. Pomocí proložené křivky pak z grafu můžeme odečíst vlnové délky neznámých čar.
<< zpět na obsah této kapitoly
Fotografování spekter
Je zřejmé, že naše kresby budou vždy méně přesné než fotografie. Spektra se dají pohodlně fotografovat tak, že kompaktní disk nebudeme držet v ruce, ale nějakým způsobem zajistíme jeho pevné uchycení. Můžeme jej položit na podložku, okno, lavičku, stůl, ... a případně jej vhodně podložit, nebo jej můžeme postavit hranou na podložku (zem, okno, lavička, stůl, ...) a o něco opřít.Chceme-li opět jako v případě našich kreseb určit vlnové délky jednotlivých spektrálních čar, budeme postupovat obdobně. Nejprve si u všech zachycených spektrálních čar pomocí pravítka změříme jejich poměrné vzdálenosti (s co největší přesností, tj. asi 0,25 mm). Ty pak vyneseme do grafu na svislou osu. Vyhledejme si vlnové délky některých známých čar v tabulkách (nebo je změříme přímo na kompaktním disku či pomocí monochromátoru, ...) a ty pak vynesme do grafu na vodorovnou osu. Myšlenka je opět stejná: znázornit graficky závislost vlnové délky spektrálních čar na jejich vzdálenosti od zvoleného bodu (vlnovou délku jako funkci polohy čar).
<< zpět na obsah této kapitoly
<<< zpět