Roland Pleger DVD-Spektrometer - Maker FaireSpektrograf, Spektrometer und Spek-troskop...

KurzinfoZeitaufwand:eine Stunde

Kosten:ab 1 Euro

Schwierigkeitsgrad

leicht schwer

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SpektroskopiePraxis

DVD-SpektrometerDVDs sind nicht nur optische Speichermedien. Sie eignen sich auch als

Beugungsgitter in der Spektroskopie. Dabei wird das Licht einer Lichtquelleentsprechend seiner unterschiedlichen Lichtwellen als Farbspektrum dargestellt.Mit ein wenig Basteleifer baut man ein preiswertes optisches Instrument, das den

Vergleich mit professionellen Instrumenten nicht zu scheuen braucht.

Roland Pleger

Zutaten

–ˇschwarze Pappe (Stärke: 300 g/m2, etwa 40 Cent)

–ˇHaushaltsschere

–ˇKlebestreifen

–ˇTapeziermesser oder scharfe Klinge

–ˇAlleskleber (starker Kleber)

–ˇDVD-Rohling (unbespielt, etwa 40 Cent)

–ˇausgedruckte Papiervorlage

–ˇSmartphone oder (Kompakt-)Kamera (optional)

–ˇschwarzes Isolierband (optional)

ACHTUNG!Sicherheitshinweis: Wählen Sie für das Experimentieren einen

Laserpointer mit möglichstgeringer Leistung. Die Gefahr,

unbeabsichtigt in den Strahl zublicken, ist hoch. Spiegelnde

Flächen reflektieren Laserlicht in alle Richtungen.

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Bereits Isaac Newton zeigte durch Experimen-te mit einem Glasprisma, dass weißes Lichtaus verschiedenen Farben zusammengesetzt ist.Licht lässt sich als elektromagnetische Welle be-schreiben. Die Regenbogenfarben entsprechenelektromagnetischer Strahlung unterschiedlicherWellenlängen. Es überstreicht einen Wellenbe-reich von weit mehr als 14 Größenordnungen. Erbeginnt bei den Längstwellen des Wechselstrom-netzes mit einer Wellenlänge von sechs Kilome-tern. Es folgen die vom Radiogerät bekanntenLang-, Mittel-, Kurz- und Ultrakurzwellen miteiner Wellenlänge im Meterbereich. Danach kom-men die Mikrowellen, Submillimeterwellen unddie Infrarotstrahlung. Der Wellenbereich dessichtbaren Lichts wird auch als optisches Fensterbezeichnet. Nur Wellenlängen zwischen 0,7 μmbis 0,4 μm nimmt unser Auge wahr. Rot, Orange,Gelb, Grün, Blau und Violett – wie man es am Re-genbogen beobachten kann. Genauso wie dielangwellige Infrarotstrahlung ist auch das kurz-wellige ultraviolette Licht für den Menschen un-sichtbar. Hartes UV-Licht geht über in die hoch-energetische radioaktive Röntgen- und Gamma-strahlung.

Ein optisches Gerät

Für die Darstellung eines solchen Lichtspektrumsverwendet man ein spezielles optisches Instru-ment, den Spektrografen. Damit erkennt der Be-obachter, aus welchen unterschiedlichen sicht -baren Lichtwellen sich eine Lichtquelle zusammen-setzt. Ein selbstgebautes Gerät dient uns dabei alsBasis für erste eigene Versuche. Mit Hilfe einesAufnahmegeräts wie beispielsweise einer Digital-kamera und einer Analysesoftware wird der Spek-trograf später zu einem Spektrometer aufgewer-tet, dessen Spektren sich am PC vermessen lassen.Auf diese Weise analysiert man unterschiedlicheVerfahren der Lichterzeugung. So verfügt eineKerze über ein ganz anderes Spektrum als eineEnergiesparlampe oder LED. Mit etwas Übung las-sen sich Aussagen über die atomare Zusammen-setzung der Lichtquellen treffen. Chemische Elemente verraten sich durch charakteristischeKennlinien (Fraunhofer Linien). Mit ihrer Hilfe bestimmen Astronomen die Zusammensetzungvon Sternatmosphären. Die dafür verwendetenSpektrografen funktionieren nach dem gleichenPrinzip wie unser Selbstbaugerät.

Im Link findet sich die Papiervorlage für einenSpektrograf. Der Ausdruck wird auf schwarzePappe aufgeklebt und entlang der Linien ausge-schnitten. Alle Kanten sollte man sorgfältig faltenund die Falz mit einem stumpfen Gegenstand(etwa dem Scherengriff) präzise nacharbeiten. Miteiner Skalpellklinge oder einem Tapeziermesserschneidet man an der Oberseite ein Fenster fürdas DVD-Gitter aus, an der Unterseite wird einSpalt in die Pappe geschnitten. Dieser sollte nichtbreiter als 0,5 Millimeter sein, die Länge ist dage-gen unkritisch. Anschließend wird die Vorlage zueiner Röhre gefaltet und sorgfältig verklebt.

Beugungsgitter im Haushalt

Wer ein Glasprisma und die Auffächerung von wei-ßem Licht in Regenbogenfarben kennt, ist miteinem Beugungsgitter schnell vertraut, das eben-falls Licht in ein Spektrum zerlegt. Als lichtbeugen-des Gitter eignet sich das Material eines DVD-Roh-lings. Kommerziell beschriebene DVDs sind wegenihres festen, silberfarbigen Schutzlacks schwerer zuverarbeiten – dafür aber Rohlingen in Bezug aufdie Stabilität der Gitterstruktur überlegen. Aufeiner DVD liegen die Spuren mit 0,74 μm Abstand

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SpectralWorkbench.org

nach

obe

n

nach oben falten

nach unten falten

nach

ob

en

nach oben

Die originale Bauanleitung:PublicLaboratory.org/wiki/foldable-spec

Public Lab FoldableMini-spectrometer

PublicLaboratory.orgCERN Open Hardware License 1.1

ausschneiden

auss

chne

iden

Unser Papiermuster basiert aufeiner freien Vorlage der Wissen-schaftsseite Publiclab.org, die sich mit dem Selbstbau einfacherMessinstrumente be schäf tigt. EinePDF-Vorlage zum Ausschneidensteht über den c’t-Link bereit.

Unter Spektroskopie versteht man dasZerlegen einer Eingangsgröße und dieSortierung entlang einer Skala.

Das kann beispielsweise eine Sub-stanz sein, die in einem Massenspek-trometer in Atome mit unterschied -licher Masse zerlegt wird. Ist die Ein-gangsgröße Licht, so erfolgt die Auf-spaltung ebenfalls entsprechend derFrequenz oder Wellenlänge.

Ursprünglich wurde dazu das sicht -bare Licht mit einem Prisma in seineWellenlängen zerlegt. Später weiteteman das Konzept deutlich aus undspricht heutzutage von einer beliebi-

gen Interaktion der Strahlungsener-gie als Funktion seiner Wellenlänge.Die optischen Geräte lassen sich inSpektrograf, Spektrometer und Spek-troskop unterscheiden.

Oft sind die Begriffe austauschbar.Genau genommen zeigt ein Spektro-skop das Spektrum an, ein Spektro-graf zeichnet es auf und ein Spektro-meter misst es quantitativ aus.

Ohne ein Smartphone oder eineDigital kamera liefert die Papiervor -lage somit nur ein Spektroskop. Denndas Bild wird weder aufgezeichnet,noch qualitativ ausgemessen.

Unterscheidungen

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mehr als doppelt so dicht wie bei einer CD. DerBeugungswinkel der DVD ist entsprechend größer.Der Beugungswinkel α hängt von der Wellenlängeλ und der Gitterkonstanten d ab: sin(α) = n x λ / d.Rotes Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm wirdstärker gebeugt als blaues Licht mit einer Wellen-länge von 350 nm. Bei einer normalen DVD beträgtdie Gitterkonstante 740 nm und der Winkelbereicherstreckt sich von 60 bis 30 Grad. Bei einfacher Beu-

gung (Beugung erster Ordnung) nimmt n den Wert1 ein.

Der beobachtbare Wellenlängenunterschied Δλ(also der gerade noch auflösbare Abstand zwi-schen zwei Beugungslinien) hängt von der Zahl derbeleuchteten Linien ab. Wir erhalten ihn, indem wirdie Wellenlänge λ durch die Anzahl der zum Spek-trum beitragenden Gitterlinien m teilen:

Δλ = λ / m.

Die Anzahl der Gitterlinien bestimmt das theoreti-sche Auflösungsvermögen. Auf einem Zentimeterfinden auf der DVD etwa 10ˇ000 Gitterlinien miteinem Gitterabstand von 1 μm Platz. Damit lassensich Spektrallinien mit einem Abstand von bis zu0,05 Nanometern trennen. Diese Werte sind abernur unter idealen Bedingungen möglich, in derRealität wird unsere Apparatur den Wert um etwaeine Größenordnung verfehlen.

Die Reflexionsfolie eines DVD-Rohlings wirddurch eine Polycarbonatschicht vor Beschädigung

geschützt. Mit einer Haushaltsschere wird der Roh-ling in vier gleichgroße Stücke geschnitten.

Dabei bilden sich erfahrungsgemäß anden Schnittstellen zahlreiche Risse –

keine Sorge, wir bekommen trotz-dem genug Material für unser Gerät.Mit Hilfe eines Messers gelangenwir an den Bruchkanten leicht zwi-schen Schutzschicht und Daten-schicht der DVD und heben beideSchichten voneinander ab. Die

Wahl des richtigen Rohlings ist hiervon Bedeutung. Bei einigen Exem-

plaren bleibt die Spiegelschicht aufdem Datenträger haften und lässt sich

auch durch den Einsatz von Klebestreifennicht entfernen. Zudem besitzen einige DVD-

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SpektroskopiePraxis

Um die Funktionsweise eines Beugungsgit-ters zu verstehen, eignet sich ein einfacherVersuchsaufbau mit einem Laserpointerund einem CD- oder DVD-Rohling. Ein Laserstrahl wird auf den Rohling gerichtet,der vorher von seiner Reflexionsschicht befreit wird. Auf dem schräg angeordnetenSchirm erscheint mittig der Strahl nullterOrdung, zugleich erscheinen aber auchoberhalb und unterhalb weitere Reflexe.Der Grund dafür sind die Datenspurrillen,die als Beugungsgitter wirken. Der Abstandder Rillen zueinander beträgt bei einer CD1,7 μm. Rotes Laserlicht besitzt eine Wel-lenlänge von 0,65 μm. Die Werte setzen wirin unsere Formel ein: sin(α) = 1 x 0,65 μm /1,7 μm – wir erhalten α = 22 Grad. Dem-

nach beugt die CD unser rotes Laserlichtbei der ersten Ordnung um 22 Grad, waswir an unserem Versuchsaufbau bestätigenkönnen. Ein blauer Laser besitzt eine kürze-re Wellenlänge, weshalb seine Beugungnur 14 Grad beträgt. Besteht unsere Licht-quelle aus weißem Licht, also aus vielenverschiedenen Farbwerten (Licht unter-schiedlicher Wellenlängen), dann sehen wirbunte Striche, die sich nach ihrer Wellen-länge aufteilen. Die dazugehörige Formellautet: sin(α) = n x λ/D. Der Parameter n istdie Ordnung und λ die Wellenlänge, dieGitterkonstante D gibt den Abstand der Git-terlinien an. Befinden sich auf einem Milli-meter Fläche 1000 Linien, entspricht dieGitterkonstante dem Wert 1 μm. Je mehr

Linien zur Beugung beitragen, umso besserist die Auflösung des Gitters – in Analogiezu einem optischen Prisma, dessen Auflö-sung mit seiner Basislänge ansteigt. α istder Ablenkungswinkel, um den ein Licht-strahl abgelenkt wird, sobald er auf das Git-ter trifft. Anders als bei einem Prisma lassensich bei einem Gitter Beugungen unter-schiedlicher Ordnung beobachten, die dieWerte n = 0, 1, 2 … annehmen.

Für die Ordnung n = 0 verhält sich derStrahl wie erwartet: sin(α) = 0, damit istdann auch der Winkel α gleich null undder Strahl passiert das Gitter ohne eineRichtungsänderung und unabhängig von der Wellenlänge.

Aufbau eines Beugungsgitters

DVD

1,2

mm

0,6

mm

0, 54 μm

Aufbau eines DVD-Rohlings

Auf einem Zentimeter finden 10ˇ000 Gitterlinien Platz.Hierbei ist die Anzahl der Linien wichtig, nicht ihrAbstand. Damit lassen sich theo retisch Spektrallinienmit einem Abstand von 0,05 nm trennen. Der Gitter -abstand ist genauso klein wie bei echter Laborbeu-gungsfolie. Bei guter Vorauswahl des DVD-Roh materialsist auch die Beu gungsintensität vergleichbar, beiverschwindend kleinen Kosten im Vergleich zumkommerziellen Produkt.

Beugungsgitter überall: AuchWeih nachtsschmuck erzeugt

schillernde Farben durch Beu -gungsgitter. Das Licht fällt vonlinks auf die Dekoration. Unter

einem kleinen Beugungs -winkel wird zunächst blaues

Licht reflektiert, dann mitzunehmenden Winkel grünes,gelbes und zuletzt rotes Licht.

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Rohlinge einen lilafarbenen Farbauftrag, in dem sichdie Strukturinformationen befinden. Solche Modelleeignen sich leider nicht für unseren Spektrograf. Wir haben in der c’t-Hacks-Redaktion sehr gute Erfahrungen mit den DVD-Marken von Maxwell (z.ˇB.Saturn und MediaMarkt) und Medion (Aldi) ge-macht. Aufgrund ihres Aufbaus lassen sich DVD-Rohlinge einfacher zerlegen als CD-Rohlinge, da sichdie Datenspuren in der Mitte des Rohlings befinden.

Die Qualität der Prägung und damit das Beu-gungsverhalten lässt sich mit unserem Laserpoin-ter-Experiment leicht überprüfen. Richtet man denLaserstrahl auf die Scheibe, dann sollten auf derProjektionsfläche Beugungsstrahlen erster Ord-nung in einem Winkel von 45 Grad zum ungebeug-ten Strahl nullter Ordnung auftauchen. Wenn auchihre Intensität mit der des Hauptstrahls vergleich-bar ist, so steht das selbstgemachte Beugungsgit-ter auch kommerziellen Produkten in nichts nach.

Auch Goethe machte Fehler

Johann Wolfgang von Goethe betrachtete eineweiße Wand durch ein Prisma und erkannte Farb-säume an den dunklen Übergängen. Daraus leiteteer eine eigene Farbentheorie ab. Ein Fehler wie sichspäter herausstellte – er hatte dabei nicht bedacht,dass sich die Farben bei großen Flächen wieder zuWeiß überlagern, wie es Isaak Newton bereits ein-hundert Jahre vor ihm beschrieb.

Damit es uns nicht genauso wie Goethe ergeht,wird das Lichtbündel in unserem Spektrograf durcheinen dünnen Spalt begrenzt. Betrachten wir dieBeugung nullter Ordnung, also den direkten Strahl,so sehen wir das Bild des Spalts. Auch die Beugun-gen in den höheren Ordnungen sind allesamt Abbil-

dungen des Spalts. Bei einem kontinuierlichen Spek-trum ist das nicht ohne Weiteres zu erkennen, andersaber bei schmalbandigen Linienspektren. Der Spaltsollte möglichst klein sein, um auch eng beieinan-derliegende Linien aufzulösen. Trotzdem muss auchgenug Licht in das Gerät einfallen – ein 300 μm brei-ter Spalt ist ein guter Kompromiss. Bei einer Größevom 500 μm (= 0,5 mm) bemerkt man bereits Ein-bußen bei der Qualität der Linienwiedergabe. DieWahl eines DVD-Gitters hat für unsere Konstruktioneinen praktischen Vorteil, denn in der Praxis ist es garnicht so einfach, den Spalt parallel zu den Gitterlinienauszurichten. Hier hilft uns die Krümmung der DVD-Datenspurrillen, denn somit gibt es immer einenTeilbereich, der exakt zum Spalt ausgerichtet ist.

Platz für Verbesserungen

Ein großes Problem bei der Spektroskopie bildendie Augen des Betrachters. Der Tubus ist bei unse-

Der lilafarbene Film auf einem DVD-Rohling ist der Dye. Dies istein organischer Farb stoff, auf dem ein Laserstrahl später dieDaten einbrennt. Die Längsstruktur der Datenspuren ist bereitsim ungebrannten Rohling eingeprägt.

Die Beugung an einem CD-Rohling machen wir mit einemLaserpointer sichtbar. Dazu wird der Rohling von seinerReflexionsschicht befreit. Das Laserlicht fällt von links auf die CD. Rechts kann man nun die Beugung beob achten. In der Mitte sehen wir den ungebeugten Strahl nullter Ordnung,oben und unten die Strahlen erster Ordnung.

Das Spektrometer ist montiert aufeiner kompakten Digitalkamera.Hier begrenzen zwei Rasierklingenseitlich den Spalt, und die Spalt -breite lässt sich justieren.

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rem Aufbau ungefähr 8 Zentimeter lang. WährendKinder noch auf diese Entfernung akkommodierenkönnen, wächst die Entfernung für das erwachseneAuge je nach Alter auf 25 Zentimeter und mehr.Für eine Verbesserung bieten sich drei Möglichkei-ten an: Wir können den Tubus verlängern, indemwir das Tubusende mit den Spalt abtrennen unduns daraus einen Spektrograf mit verstellbaremTubus bauen. Die zweite Option verzichtet darauf,das Spektrum mit dem Auge scharf zu sehen. Statt-dessen zeichnen wir das Bild unmittelbar mit einerKamera auf. Die dritte Lösung kennen alle Brillen-träger. Wir platzieren eine Lupe hinter das Beu-gungsgitter und verkleinern die Sehweite.

Wenn das Abbildungsproblem gelöst und derSpalt scharf erkennbar ist, geht es nun darum, dasRauschen zu verkleinern. Durch schwarze Pappe(300 g/m2) verringern sich störende Lichtreflexe imInneren des Tubus. Ein zusätzlicher Pappring amAustrittsfenster blockiert seitliches Störlicht und dientgleichzeitig als Kamerahalter, wenn wir den Spektro-graf mit einem Aufnahmegerät erweitern wollen.

Damit sind die Optimierungen an unserem Gerätabgeschlossen. Der Spalt ist ausreichend schmal,lässt aber noch genügend Licht in den Tubus. DasBeugungsgitter liefert intensive Beugungsreflexeund ist in der Pappröhre parallel zum Spalt ausge-richtet. Die optionalen Verbesserungen wie ein ver-

längerter Tubus oder eine Lupenlinse vor dem Gitterbilden den Spalt scharf ab. Damit sollte die Auflö-sung deutlich besser sein als 3 nm. Dann sind die bei-den grünen Linien von modernen Energiesparlam-pen bei 542 (Terbiumlinie) und 546 nm (Quecksil-berlinie) noch deutlich als Einzellinien zu erkennen.

Vom Spektrograf zum Spektrometer

Wir möchten unseren Apparat erweitern, damit wirdie Spektren nicht nur sehen, sondern sie auch do-kumentieren. Dafür verwenden wir eine konventio-nelle Digitalkamera. Eine Schwarzweiß-Kamerawürde nicht nur die Wellenlänge, sondern auch dieIntensität der Linien quantitativ dokumentieren.Die interne Farbfilterung der Pixel einer Farbkamerabeeinflusst die Intensitätskurven unserer Spektren.

Viele Kameras verfügen über einen Makrofokus.Wenn der Autofokus mitspielt, können wir den Ein-trittspalt auch bei einem kurzen Tubus scharf ab-bilden. Nimmt das Spektrum nur einen kleinen Teildes Kamera-Gesichtsfeldes ab, so büßen wir anAuflösung ein. Wegen des geringen Abstands ver-sagt das Zoomen.

Unsere kleine Optimierung mit Hilfe einer Linsehilft auch beim Fotografieren – die Kamera glaubt,ein Objekt in weiter Ferne zu sehen, und zoomt

SpektroskopiePraxis

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Spalt

Spektrometer

Gitter

Spalt-bilder

Linse

Versuchsaufbau

Im Aufbau trägt nur der Teil des Gitters zur Auf -lösung bei, der angestrahlt und wahrgenommenwird. Das Strahlenbündel fällt auf das Gitter amanderen Ende des Tubus, die Linse bildet denSpalt auf einer Projektionsfläche (Kamera,Auge) ab. Wegen der Übersichtlichkeit wird inder Skizze nur rotes und blaues Licht gezeigt,welche die beiden Enden des Spektrumskennzeichnen. Das graue Strahlenbündel ist der ungebeugte Strahl.

Aufbau mit einer Lupe, die dasdarunterliegende DVD-Beugungs gitterverdeckt. Eine Pappman schette dientals Lichtschutz und Kamerahalterung.

Die Spektrograf-Jumbo-Version.Durch den Wechsel des Adapter -rings passt es auf unterschied -liche Kameraobjektive.

TippMit einem Spektrometer(also unserem Spektrograf in Kombination mit demSmartphone oder der Kom-paktkamera, in Kombinationmit einer Messsoftware) lässtsich auch das Spektrum derSonne aufnehmen. Hinweis:Keinesfalls ungeschützt indie Sonne schauen, um Au-genschäden zu vermeiden!Meist genügt schon der Blickauf den blauen Himmel odereine weiße reflektierendeFläche, um die FraunhoferLinien zu erkennen.

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Jumbo-Spektrograf

Besonders luxuriös sind Experimente mit einer XXL-Version, sozusagen dem großen Bruder. Auch hierfixiert ein Ring aus Pappe das knapp 20 Grammschwere Gerät an einer Systemkamera. Mit Hilfe vonKlettband oder Büroklammern lassen sich Ringepassend für unterschiedliche Kamerasysteme befes-tigen. Das Fenster des Beugungsgitters ist mit zweiZentimetern Durchmesser überdimensioniert, dadie Auflösung durch die Eintrittslinse des aufneh-menden optischen Systems begrenzt wird. Dafürvereinfacht es das Ausrichten auf die Lichtquelle.Die Linien erscheinen nur so scharf wie die Ränderdes Spalts. Um bei einem Verschnitt nicht wiederneu anzufangen, empfehlen sich Rasierklingen alsSpaltbegrenzung. Sie sind glatt, dünn und vor allenDingen ist der Spalt damit justierbar. In der Theorielöst diese Version Spektrallinien mit einem Abstandvon weniger als einem Nanometer auf, die notwen-dige Spaltbreite dafür beträgt 100 μm.

Spektren überall

Das kontinuierliche Spektrum einer Glühlampe ent-steht wie bei der Sonne durch Temperaturstrahlung.Die Oberfläche der Sonne leuchtet wie ein Metall bei

ohne Einschränkung auf die gewünschte Größe. Beimanueller Fokuseinstellung sind wir nicht daraufangewiesen, Schärfefehler durch eine Verkleine-rung der Blende auszugleichen. Ein Pappring mitdem Durchmesser des ausgefahrenen Objektivs fixiert die Pappröhre an der Kamera. Da die Kons -truktion nur aufgesteckt ist, wird die Kamera nichtbeschädigt – falls das Objektiv versehentlich ein-fährt. Fast alle im Artikel gezeigten Spektren sindmit Hilfe eines Aufsatzes erstellt. Die anderen ent-standen mit der Jumboversion für Systemkameras.

Eine günstige Webcam hat gegenüber einer Di-gitalkamera den Charme, dass sie ein paar Zusatz-modifikationen erlaubt. Entfernt man den Infrarot-filter, eignet sie sich auch für langwelliges Lichtoberhalb von 650 nm. Wenn man sie zudem dau-erhaft mit dem Spektrograf verklebt, verschiebensich die Bilder nicht mehr von Aufnahme zu Auf-nahme. Beim Justieren wird durch das Drehen desObjektivs der Spalt scharf abgebildet und eineLupe entfällt. Einmal kalibriert liest man aus der Pixelposition einer Linie mit ein wenig Übung un-mittelbar die Wellenlänge ab. Für eine Auflösungvon einem Nanometer sollte die Kamera eine Auf -lösung von mindestens 400 x 400 Pixeln haben.Ebenfalls unproblematisch ist der Einsatz an einemSmartphone. Je nach Fokussierungsleistung desGeräts ist keine zusätzliche Lupe notwendig.

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In etwa so sieht das Spektrum einer Energie spar lampe aus.Aufgrund anderer Gaszusammensetzung unterscheiden sichdie Linien von denen einer Straßenbeleuchtung.

Vergleich zwischen den Spektro grammen einer weißen undeiner warmweißen LED-Beleuchtung. In LEDs leuchten keineGase, sondern Atome in einem Festkörper ver band. Deshalbsind die Linien nicht scharf, sondern wirken über einengrößeren Wellenlängen bereich verschmiert. Theoretisch lässtsich auch infrarotes Licht darstellen, die Sensoren der meistenKamera module in Smart phones sind dafür empfindlich genug.

NotizNachts sind alle Katzen grau.Manchmal auch braun odergelb. Der Grund, warum dieFarbe eines Gegenstands variiert, liegt an der Beleuch-tung. Die Evolution hat eineungewöhnliche Fähigkeithervorgebracht, Farben zuinterpretieren. Bei Musikhören wir Töne unterschied-licher Frequenz, auch wennsie gleichzeitig gespielt wer-den. Hingegen nehmen wirneue Farben wahr, wenn wirÜberlagerungen von Lichtunterschiedlicher Wellenlän-gen sehen. Aus rotem undgrünem Licht wird Gelb, undzusammen mit Blau entstehtder Sinneseindruck von wei-ßem Licht.

Das Spektrum der Sonne. Die Buchstaben bezeichnen dreiintensive Fraunhofer-Absorp tionslinien.

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einer Temperatur von 5500 Kelvin. Kelvin ist eineMaßeinheit für die Temperatur. Laut Definition ent-sprechen 273,15 Grad Kelvin 0 Grad Celsius. Kelvinwird auch für die sogenannte Farbtemperatur herangezogen, die Auskunft über den Farb eindruckeiner Lichtquelle gibt. Glühbirnen liegen bei maxi-mal 3300 Kelvin, bei 3700 Kelvin schmilzt die Wolf-ramwendel dahin. Je heißer die Lichtquelle ist, destoweißer und bläulicher erscheint das Licht eines Tem-peraturstrahlers. Dem blauen Himmel wird eineFarbtemperatur von 20ˇ000 Kelvin zugeordnet.

Den Begriff der Farbtemperatur überträgt manauch auf Strahlungsquellen, selbst wenn sie keinekontinuierlichen Spektren aussenden. Erscheinensie blau/weiß, erhalten sie die Zuordnung einerFarbtemperatur von 5000 bis 6500 Kelvin (Tages-lichtweiß). Bei weniger als 3000 Kelvin überwiegtder rötliche Anteil (warmweiß). Eine weitere cha-rakteristische Größe ist der FarbwiedergabeindexCRI (Colour Rendering Index). Sind alle Farben imSpektrum vertreten, liegt er bei einhundert Pro-

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SpektroskopiePraxis

Dispersion – In der Optik bezeichnet Dispersion (lateinisch dispergere für „ausbreiten, zerstreuen“) die Abhängigkeit derAusbreitungsgeschwindigkeit von der Wellenlänge des Lichts in Medien. Dadurch wird Sonnenlicht etwa an den Flächen einesPrismas unterschiedlich stark gebrochen und der Beobachtersieht ein farbiges Spektrum.

Emissionslinie – Eine Emissionslinie entsteht, wenn Elektronenin Atomen angeregt werden. Springt ein angeregtes Elektronwieder auf seine alte Bahn zurück, sendet es ein Photon (Licht-teilchen) aus.

Fraunhofer Linien – Der Optiker Joseph von Fraunhofer beob-achtete 1814 dunkle Linien im Farbspektrum der Sonne und bestimmte mehr als 570 einzelne Linien. Besonders ausgeprägte Linien sind mit den Buchstaben A bis K markiert, weniger ausge-prägte mit Kleinbuchstaben. Später entdeckten Gustav Kirchhoffund Robert Bunsen, dass es sich um Absorptionslinien einzelnerElemente handelt, die sich in den oberen Schichten der Sonnebefinden oder aber Bestandteil der Erdatmosphäre sind. Anhandder Fraunhofer Linien bestimmen Astronomen die Zusammen -setzung von Sternenatmosphären.

Farbtemperatur – Die Farbtemperatur beschreibt den quantita-tiven Farbeindruck einer Lichtquelle und wird in Kelvin angege-ben. Sonnenlicht am Vormittag bei klarem Himmel entsprichteiner Farbtemperatur von 5500 Kelvin. Eine Kerze hat 1500 K,eine 40-Watt-Glühlampe 2600 K und ein Xenon-Scheinwerfer am Auto liegt oberhalb von 4500 K.

Farbwiedergabeindex (CRI, Colour Rendering Index) – DerFarbwiedergabeindex ist ein Maß für die Qualität der Farbwie-dergabe von Lichtquellen. Dazu wird der Eindruck von 14 Test -farben nach DIN 6169 überprüft. Eine herkömmliche Glühlampemit einem kontinuierlichen Spektrum besitzt beispielsweise denMaximalwert von 100, Leuchtstofflampen meist nur noch einen

Wert zwischen 70 und 90. Niederdruck-Natriumdampflampen,die in der Vergangenheit zur Straßenbeleuchtung dienten, erlau-ben sogar keinerlei Unterscheidbarkeit von Farben, da sie nurLicht einer Wellenlänge ausstrahlen. Aus dieser Zeit stammt derSpruch: Nachts sind alle Katzen grau.

Leuchtdiode – Der Begriff LED steht für lichtemittierende Diode. Je nach verwendeten Halbleiter-Bauelement lässt sich mitLeuchtdioden auch Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlungerzeugen. Für weißes Licht sind üblicherweise blaue oder seltenUV-LEDs mit einem zusätzlichen Leuchtmittel versehen. Ähnlichwie bei herkömmlichen Leuchtstoffröhren wird dabei ein Teil des kurzwelligen Lichts in langwelligeres Licht umgewandelt.

Spektrallinien – Spektrallinien sind in unserem Fall die einzel-nen Linien des Lichtspektrums, die sich aufgrund von Wellen -länge, Linienintensität und Linienbreite unterscheiden. Spektral-linien entstehen durch Strahlungsübergänge von Elektronen inAtomen. Die äußersten Elektronen eines Atoms lassen sich durchEnergiezufuhr anregen, auf eine freie, weiter entferne Bahn zuwechseln. Auf der neuen Bahn besitzen die Elektronen eine hö-here Energie, die sie abgeben, sobald sie auf ihre alte Bahn zu-rückfallen. Bei diesem Übergang entsteht durch die frei werden-de Energie ein Lichtquant (Photon). Dies ist durch eine genau definierte Energie und damit auch mit einer einzigen Wellen -länge charakteristisch. In einem Festkörper unterscheiden sichdie Niveaus geringfügig voneinander, wodurch sich die Linien-breite vergrößert.

Transmission – Trifft Licht auf ein Medium, dann bezeichnet dieTransmission die Durchlässigkeit. Trifft also ein Lichtstrahl auf ein Glas, so wird er zu einem gewissen Teil an den Grenzflächenreflektiert und beim Durchqueren des Mediums teilweise absor-biert. Der Rest wird transmittiert (also durchgelassen) und tritt an der Rückseite wieder aus.

Glossar

Bildbearbeitungs-Software

Über die Plot-Funktion lassen sich die Spektren als Funktionsgrafenauswerten. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge des Lichts aufgetragen.Wir betrachten hier einen Bereich von 400 bis 700 Nanometer.

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zent. Dieses Kriterium erfüllen alle Temperatur-strahler, so auch die Sonne. Die Absorption durchdie Fraunhofer Linien ist vernachlässigbar. BeiLeuchtstofflampen sind die Anforderungen an denLeuchtstoff besonders hoch, damit er das Licht-spektrum um möglichst viele Linien mit gleicherIntensität ergänzt. Ansonsten erscheint uns das soerzeugte Licht künstlich und kalt. Moderne Drei-banden-Leuchtstoffe (Triphosphat) erreichen CRI-Werte oberhalb von achtzig Prozent. Alte Halo-phosphat-Leuchtstoffröhren schaffen dagegen nurknapp sechzig Prozent.

Um das Farbspektrum der Sonne aufzuneh-men, reicht es, das Gerät auf eine weiße Wolkeoder auch eine weiße angestrahlte Fläche zu rich-ten. Wir entdecken bei genauem Hinsehen dunkleLinien im Spektrum. Es handelt sich um Absorp -tionslinien der Gase in der Photosphäre derSonne. Die dort vorkommenden chemischen Ele-mente zeichnen sich für charakteristische Linienverantwortlich – Wasserstoff verursacht die blaueF-Linie, Eisen die E-Linie und Natrium die D-Linie.Die gleichen Absorptionslinien erscheinen auchim Himmelsblau, da das Sonnenlicht auch dieLuftmoleküle zum Leuchten anregt.

Software

Gute Aufnahmen lassen sich mit Grafikprogram-men am PC auswerten. Dafür verwenden wir daskostenfreie Programm ImageJ, welches über denc’t-Link zum Download bereit steht. Nachdem wirunser Bild im Programm geladen haben, markie-ren wir das Spektrum mit der Rechteck-Auswahl.Über den Befehl „Analyze/Plot“ generiert das Pro-gramm einen Funktionsgrafen. Damit lassen sichverschiedene Spektren einfach übereinander -legen und miteinander vergleichen. (ogo)

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Ein anderes Linienspektrum begegnet uns bei der Entladungslampe.Hier werden Atome im Gas der Leuchtstoffröhre zum Leuchten ange regt,die scharfe Linien im Spektrum erzeugen. Die ultra violette Strah lung derGasfüllung regt den Leuchtstoff auf der Glas innenseite zur Fluores zenzan. Dabei werden dem Licht weitere Farbspektren hinzu gefügt. Die Zusammensetzung der Leuchtstoffe beeinflusst die Lichtfarbe.

Das Spektrum einer altenLeuchtstoffröhre mit Halophos -phat-Leuchtstoff besitzt breiteAntimon- und Mangan-Banden.Es wird aber von wenigenintensiven Linien dominiert.

In etwa so sieht das Beugungsbild einerEnergiesparlampe aus. Während dasBeugungsgitter-Fenster wegen desgeringen Abstands zum Auge unscharferscheint, sind die Spektrallinien einerEnergiesparlampe deutlich zu erkennen.

Das Linienspektrum einerEnergiesparlampe besitztbesonders signifikanteQuecksilberlinien.

Links und Forenwww.ct.de/ch1402116

Im Verlauf des Artikels sind etliche Modelleentstanden. Einige Versuchs modelle weisenundichte Kleberänder auf. Das ist aber keinBeinbruch – mit etwas Isolierband lassen sich die Sei ten nachträglich lichtdicht abkleben undRasierklingen justieren misslun gene Lichtspalte.Nur bei den Gittern ist eine Nachbesserung nichtsinnvoll. Wenn Klebstoff die Oberfläche ver -schmiert, hilft nur das Heraus schnei den einesneuen DVD-Stücks und auswechseln.

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Roland Pleger DVD-Spektrometer - Maker FaireSpektrograf, Spektrometer und Spek-troskop...

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