Das Hosentaschenspektroskop

Julia Wahl FOS 1209.1
08.09.2009
Hosentaschenspektroskop
Ein Hosentaschenspektroskop haben Schüler des Christian-von-Dohm-Gymnasiums in Goslar
erfunden. In Zusammenarbeit mit dem Energieforschungszentrum Niedersachsen war für Jugend
Forscht mit einfachsten Mitteln aus einem Abflussrohr, einer CD, Alufolie und Kupferblech das
optische Gerät entwickelt worden. Mit dem Spektroskop können Energiesparlampen untersucht und
die Angaben der jeweiligen Hersteller überprüft, sowie das Licht von Tageslichtlampen verglichen
werden.
Ein einfaches CD Spektroskop
Was sollen wir nur mit all diesen alten nicht mehr benötigten CD-ROMs oder evtl. schon DVDs anfangen; einfach
wegschmeissen?
Hmm..., die glänzen doch noch so schön ... Moment mal, da kommt mir eine Idee:
"Wir basteln uns ein Spektroskop!"
Was ist ein Spektroskop?
Ein Spektroskop erlaubt es uns das Licht (z.B. von der Sonne) zu untersuchen. Das Licht der Sonne enthält z.B.
Helium, Wasserstoff, Natrium, Magnesium und viele andere meist gasförmige Stoffe bzw. Elemente. Mit einem
Spektroskop wird das Licht in sogenannte Spektrallinien aufgebrochen z.B. mit Hilfe eines Prisma wie folgende
Abbildung zeigt:
Diese Spektrallinien geben uns Hinweise über die Zusammensetzung der chemischen Elemente im Licht. Wir können
mit dem Spektroskop auch künstliche Lichtquellen wie z.B. eine Glühbirne, eine Straßenlampe, oder eine Neonröhre
untersuchen.
Eine andere Art, das Licht in seine Spektrallinien zu zerlegen, ist die Diffraktion. Die Diffraktion entsteht durch die
Beugung des Lichts beim Durchlaufen einer engen Stellen z.B. ein kleines Loch oder ein schmaler Spalt:
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08.09.2009
Wenn die Lichtwellen die enge Öffnung durchqueren, so werden diese hinter dieser gebeugt. Sind nun mehrere kleine
Öffnungen nebeneinander angeordnet, addieren bzw. subtrahieren sich die gebeugten Lichtwellen nach diesen
Öffnungen gegenseitig. Dieser Effekt wird Interferenz genannt. Dabei werden bestimmte Lichtwellen (Farben)
geschwächt (durch gegenseitige Aufhebung bzw. Subtraktion) und andere werden verstärkt (durch Addition bzw.
Summierung der Wellen).
Die Barriere, durch die das Licht an mehreren Stellen hindurchschlüpfen kann bzw. an der es mehrfach gebeugt wird
und dadurch Interferenzen entstehen, wird auch Beugungsgitter oder zu Neudeutsch "Diffraction Grating" genannt.
Solche Beugungsgitter sind z.B. als Folie oder als Spezialsonnenbrille für Experimentierzwecke in Fachgeschäften
erhältlich, wie auch das eher bekannte Prisma aus Kristallglas (teuer) oder Plastik.
Julia Wahl FOS 1209.1
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Die CD als Beugungsgitter ("Diffraction Grating")
Anstelle von einem Prisma oder einer speziellen "Diffraction Grating" Folie können wir aber auch eine nicht mehr
benötigte CD (Musik CD, Software CD, DVD) für den Bau unseres einfachen Spektrometers verwenden.
Die auf einer CD vorhandenen Daten sind in Form von sehr kleinen Gruben auf der CD Schicht gespeichert. Diese
Gruben sind in der silbrigen Folie in einer eng gewundenen Spirale mit einem Laser eingebrannt oder mit einer
Hochdruckpresse eingedrückt worden. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Spuren beträgt 1.6 Mikrometer, was
nur einige wenige Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist, und damit zu klein, als dass man sie in einem normalen
(optischen) Mikroskop erkennen könnte. Aber es ist dieser kleine Abstand, der für das Erscheinen der wunderbaren
Farben entscheidend ist, durch die Interferenz der Reflektionen an einer CD genauso wie bei einem Beugungsgitter.
wie beim Prisma werden auch bei der CD die Lichtwellen je nach Wellenlänge in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt
bzw. reflektiert. Der Winkel hängt dabei vom Material des Prisma bzw. bei unserer CD vom Abstand der Rillen ab. Wir
wollen hier aber nicht in die physikalischen Details hinabtauchen, sondern uns dem Bau unseres einfachen Spektroskop
weiter widmen. Die abgelenkten Lichtstrahlen werden bei einem "richtigen" Spektrometer auf eine Skala reflektiert, bei
welcher die Wellenlängenwerte der erscheinenden Spektralinien abgelesen werden können.
Der Bau unseres einfachen CD Spektroskop
Genug der Theorie schließlich wollen wir ja mal was sehen. Zum Bau unseres einfachen CD Spektroskop benötigen wir
nur eine CD, eine Kartonschachtel, eine WC- oder Allzweckpapier-Kartonröhre, zwei Klingen (oder zwei Stücke einer
halbierten Klinge) z.B. von einem Rasiermesser, Teppich- oder Papierschneider und etwas Klebeband.
Übrigens: beschreibbare CDs oder DVDs reflektieren mehr Licht und eignen sich viel besser als normale gepresste CDROMs.
Julia Wahl FOS 1209.1
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Die CD wird auf eine Innenwand der Kartonschachtel geklebt. Auf der gegenüberliegenden Seite der CD wird ein
quadratisches Loch so ausgeschnitten, dass beim geradlinigen Durchsehen von außen nicht das Zentrum der CD,
sondern möglichst ein großer Teil der CD-Fläche zwischen dem Mittelpunkt und dem Außenrand der CD zu sehen ist.
Das Quadrat sollte etwas kleiner sein als die beiden obendrauf gegeneinander zu legenden (Rasier-) Klingenstücke.
Auf das ausgeschnittene Quadrat werden nun die (Rasier-) Klingen so aufgeklebt, das die scharfen Kanten der Klingen
gegeneinander liegen und nur einen sehr kleinen Spalt offenlassen, indem z.B. als Hilfe eine Visitenkarte dazwischen
gehalten wird. Der Spalt muss - wie auf der Abbildung zu sehen - parallel zu den Rillen der darunterliegenden CD
verlaufen.
Julia Wahl FOS 1209.1
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Jetzt wird von der Seite her das Guckrohr (WC- bzw. Allzweckpapier- Rolle) wie abgebildet in die Schachtel
eingesteckt. Dazu wird auf der Seite der Kartonschachtel ein ovales Loch ausgeschnitten, so dass der Winkel des Rohrs
noch etwas verändert werden kann. Beim Durchgucken durch das Rohr, sollte dieselbe CD-Fläche im Ausschnitt liegen
wie beim vorherigen Durchgucken der (Rasier-) Klingen Öffnung. Zum Justieren des Guckrohrwinkels wird die
Schachtel so gegen eine Lichtquelle (z.B. starke Lampe) gehalten, dass die Lichtstrahlen durch den (Rasier-) KlingenSpalt auf die CD-Fläche auftreffen und dabei die reflektierten Strahlen durch das Guckrohr in einem möglichst breiten
Spektrum - d.h. alle Farben vom tiefen (Infra) Rot bis zum ultravioletten Blau - sichtbar sind.
Zum Schluss wird der Deckel der Kartonschachtel geschlossen und sämtliche Ritzen, durch welche noch Fremdlicht in
die Schachtel dringt, mit dunklem Klebeband abgedichtet (außer dem Rasier--klingen-Spalt natürlich). Fertig ist unser
CD-Spektroskop!
Im Reich des Lichts
Nachdem wir unser CD-Spektroskop fertig gebaut haben, können wir mit der Reise ins Reich des Lichts beginnen.
Dazu halten wir die Schachtel mit dem (Rasier-) Klingen-Spalt gegen die zu beobachtende Lichtquelle, so dass die
Lichtstrahlen direkt und möglichst senkrecht durch den Spalt auf die CD-Fläche treffen. Wenn wir nun durch das
Guckrohr das von der CD-Scheibe reflektierte Interferenzmuster betrachten, so werden wir je nach Lichtquelle einmal
das gesamte Farbspektrum sehen (z.B. bei der Sonne), aber auch Muster bzw. Farbspektren, bei denen bestimmte
Farben- oder ganze Farbbereiche fehlen (z.B. bei Neonröhren, oder Quecksilberdampflampen von
Straßenbeleuchtungen). Anbei findet Ihr ein paar Beispiele:
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Fluoreszenzlampe
Neonlampe
LED (hell weiss)
CD Farbskala
... noch viel Spass bei Eurer weiteren Entdeckungsreise ...1
1 http://www.navina.ch/workshop/spektroskop/index.html, http://www.cvd-gs.de/index.php?id=jugendforscht