Białe światło to kłamstwo. Żarówka, słońce, świetlówka — wszystkie wyglądają na białe, ale każde zbudowane jest z innego zestawu barw. Spektroskop z kawałka płyty CD i pudełka po sokach ujawnia te ukryte “odciski palców” — i pozwala zobaczyć coś, co fizycy wykorzystują do badania składu gwiazd oddalonych o miliony lat świetlnych.

Co nam będzie potrzebne?

  • stara płyta CD lub DVD (nawet porysowana — ważna jest warstwa odbijająca)
  • pudełko kartonowe po sokach (Tetra Pak, ok. 330–500 ml) lub małe pudełko kartonowe
  • nożyczki i taśma klejąca
  • nóż do tapet lub skalpel (do precyzyjnych cięć)
  • opcjonalnie: czarny papier lub czarna farba do uszczelnienia pudełka
  • różne źródła światła do testowania: żarówka żarowa, świetlówka kompaktowa (energooszczędna), dioda LED (biała), neonówka, świeczka

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Wycięcie szczeliny. Na jednym z krótszych boków pudełka wytnij bardzo wąską szczelinę — szerokość ok. 0,5–1 mm, długość ok. 2–3 cm, na środku boku. Im węższa szczelina, tym ostrzejsze widmo (ale mniej jasne). Możesz złożyć dwa kawałki czarnej taśmy tak, żeby zostawić precyzyjną szczelinę.

Krok 2: Przygotowanie płyty CD. Wytnij z płyty CD trójkąt o boku ok. 3–4 cm. Używaj starych, niepotrzebnych płyt. Nożyczkami możesz ciąć CD, ale ostrożnie — brzegi będą ostre. Alternatywnie użyj całej płyty i po prostu zamocuj ją do pudełka pod odpowiednim kątem.

Krok 3: Montaż siatki dyfrakcyjnej. Na przeciwległym boku pudełka (naprzeciwko szczeliny) wytnij otwór o rozmiarze kawałka CD. Wklej kawałek CD od wewnątrz pod kątem ok. 60° do osi pudełka — tak żeby patrząc przez otwór pod kątem, widzieć tęczowe odbicie. Kąt jest kluczowy: zbyt prosty lub zbyt mały i nie zobaczysz widma. Możesz zacząć od 45° i korygować.

Krok 4: Uszczelnienie. Oklej wszystkie szpary pudełka czarną taśmą — do spektroskopu nie może wchodzić żadne boczne światło. Im ciemniejsze wnętrze, tym wyraźniejsze widmo.

Krok 5: Obserwacja. Skieruj szczelinę w stronę źródła światła i zajrzyj przez otwór z CD pod kątem. Powinieneś zobaczyć tęczowe widmo rozciągające się wzdłuż krawędzi szczeliny. Teraz przetestuj różne źródła:

  • Żarówka żarowa / świeczka: pełna, ciągła tęcza od fioletu przez zieleń do czerwieni — widmo ciągłe rozgrzanego ciała stałego
  • Świetlówka kompaktowa: jasne, wąskie paski kolorów na ciemnym tle — widmo liniowe rtęci i luminoforu
  • Dioda LED biała: tęcza, ale z dziurami lub nierównomiernym rozkładem — LED to połączenie niebieskiej diody i żółtego luminoforu
  • Neonówka (pomarańczowa): tylko kilka pomarańczowo-czerwonych pasków — widmo neonowe
  • Słońce (NIGDY nie patrz bezpośrednio — skieruj szczelinę na oświetlone białe tło lub chmury): ciągła tęcza z ciemnymi liniami absorpcji (linie Fraunhofera)

Wyjaśnienie naukowe

Płyta CD nie jest pryzmatem — działa inaczej, jako siatka dyfrakcyjna. Na jej powierzchni znajduje się spiralna ścieżka danych, której skoki wynoszą ok. 1,6 mikrometra (1 600 nm). Te mikroskopijne rowki działają jak setki równoległych szczelin: gdy światło pada na siatkę, fale o różnych długościach uginają się pod różnymi kątami — zjawisko to nazywamy dyfrakcją i interferencją.

Fioletowe światło (długość fali ok. 380–450 nm) ugina się pod małym kątem. Czerwone (620–750 nm) — pod dużym. Biała wiązka, która uderza w CD pod kątem, wychodzi jako rozłożone widmo barw, gdzie każda barwa zajmuje inne miejsce kątowe. To dokładnie ten sam efekt co w pryzmacie szklane — z tą różnicą, że pryzmat wykorzystuje refrakcję (różne prędkości fal w szkle), a siatka CD — dyfrakcję (ugięcie na przeszkodach). Oba zjawiska dają tęcze z tych samych barw, ale mechanizm jest zupełnie inny niż w tęczy w szklance — tam warstwy kolorów to różne stężenia barwnika, a nie rozłożone spektrum białego światła.

Ale dlaczego różne źródła dają różne widma? Bo emitują różne zestawy barw. Rozgrzane ciało stałe (żarówka, słońce, świeczka) emituje promieniowanie termiczne — ciągłe widmo wszystkich częstotliwości, którego kształt zależy tylko od temperatury (prawo Plancka). Gazy i pary pod niskim ciśnieniem (świetlówka, neonówka) emitują tylko określone linie spektralne — charakterystyczne dla każdego pierwiastka. Rtęć emituje kilka jasnych linii (fiolet, niebieski, zielony, żółty). Neon — serię linii w czerwieni i pomarańczu.

To fundamentalne odkrycie XIX-wiecznych fizyków: każdy pierwiastek ma swój unikalny “odcisk palca” w widmie. Barwniki roślinne działają podobnie — chlorofil pochłania głównie czerwone i niebieskie długości fal, a odbija zielone (dlatego liście są zielone). Te same barwniki, które chromatografia bibułkowa rozdziela według ruchliwości , mają charakterystyczne widma absorpcyjne widoczne w spektroskopie. W 1859 roku Kirchhoff i Bunsen zrozumieli, że te same linie, które pierwiastek emituje w gazie, są absorbowane przez ten sam pierwiastek w chłodniejszych warstwach. Dlatego widmo słoneczne ma linie absorpcji (ciemne paski) — fotony o określonych energiach są pochłaniane przez pierwiastki w atmosferze słonecznej. Analizując te linie, wiemy dokładnie z jakich pierwiastków zbudowane jest Słońce i każda odległa gwiazda — bez konieczności wysyłania tam próbnika. Spektroskopia jest dziś podstawową techniką badania składu materii w całym wszechświecie.

Warianty

Spektroskop ze słomy i CD. Zamiast pudełka użyj czarnej kartki złożonej w tubę. Na jednym końcu przyklej kawałek CD pod kątem, na drugim zrób szczelinę z dwóch kawałków czarnej taśmy. Tuba musi być długa (ok. 15–20 cm) i całkowicie nieprzezroczysta. Taka wersja jest bardziej kompaktowa i można ją trzymać jak lornetkę.

Porównanie LED białych. Kup kilka różnych białych diod LED (z ciepłym i zimnym światłem, z różnych źródeł). Ich widma będą różne — zimna LED ma mocniejszy niebieski szczyt, ciepła — bardziej równomierną tęczę. Możesz fotografować widma przez telefon, żeby je porównać.

Kalibracja siatki. Świetlówka rtęciowa ma dokładnie znane linie spektralne: 404,7 nm (fiolet), 435,8 nm (niebieski), 546,1 nm (zielony), 578 nm (żółty podwójny). Zmierz linijką pozycje kątowe tych linii na ekranie lub na zdjęciu, a potem użyj tej kalibracji do zmierzenia długości fali nieznanej linii (np. z diody laserowej lub świeczki).

Widmo absorpcyjne w domu. Przełóż przez szczelinę spektroskopu jasne, białe źródło (lampka LED), a między szczeliną a źródłem umieść kolorowy filtr (kawałek kolorowej folii, szklany kubek z kolorowym płynem). Filtr pochłonie część barw — zobaczysz widmo z “wyciętymi” obszarami. To uproszczona analogia linii absorpcyjnych w atmosferze gwiazd.

Często zadawane pytania

Dlaczego CD rozdziela barwy, skoro nie jest pryzmatem? Pryzmat i siatka dyfrakcyjna dają podobny efekt (rozłożenie białego światła), ale działają zupełnie inaczej. Pryzmat korzysta z refrakcji: różne długości fal mają różne prędkości w szkle i różnie się załamują. Siatka korzysta z dyfrakcji i interferencji: różne długości fal interferują konstruktywnie pod różnymi kątami. Obydwie metody dają widmo, ale w różnej kolejności barw i z różną rozdzielczością. Siatka CD jest dużo prostsza w budowie i daje piękne, wyraźne widmo.

Dlaczego widmo świetlówki ma przerwy? Świetlówka to rura wypełniona parami rtęci, przez którą przepływa prąd. Wzbudzone atomy rtęci emitują tylko kilka ściśle określonych długości fal (linie spektralne rtęci). Luminofor na ściankach rurki pochłania część tego promieniowania i emituje szersze, ciągłe widmo (żeby dać efekt “białego” światła). W spektroskopie widzisz oba składniki: ostre linie rtęci i szersze pasma luminoforu — stąd widmo nie jest ciągłe jak w żarówce, lecz ma wyraźną strukturę.

Czy można zbudować lepszy spektroskop w domu? Tak — z siatką dyfrakcyjną zakupioną w sklepie dla hobbystów (gotowe siatki z 500 lub 1000 liniami na milimetr dają ostrzejsze widma niż CD). Profesjonalne spektrometry używają siatek o kilku tysiącach linii/mm, chłodzonych detektorów CCD i komputerowej analizy obrazu. Ale zasada jest dokładnie ta sama co w naszym pudełku po sokach.