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Spektrometer-Bausatz
 
 
 

Versuch Nr.050
Bewertung / Schwierigkeitsgrad:

Zeitaufwand: der Zusammenbau dauert ca. 1 Stunde

Versuch des Monats

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Spektrometer-Bausatz
   
 
 
 
 
 

Ziel:
Spektrometer sind Geräte, die die spektrale Zusammensetzung des Lichts zeigen und die Wellenlängen der Spektrallinien messen. So können Chemiker am Spektrum einer leuchtenden Stoffprobe selbst noch winzigste Mengen einzelner Substanzen nachweisen, und Astronomen gewinnen mit Hilfe der Spektralanalyse des Sternenlichts wichtige Erkenntnisse über das Universum. Mit dem vorgestellten Bausatz ist es möglich sich ein eigenes Spektrometer zu bauen mit dem Lichtquellen des Alltags, wie Neonröhren, Leuchtdioden, Straßenlampen oder Kerzen untersucht werden können.

Besonders geeignet ist es für den Einsatz in Schulen und Universitäten. Der kostengünstige Bausatz besticht durch einen nahezu spielerischen Zusammenbau und einen hohen didaktischen Wert. Auf einfache Weise können so die Prinzipien der Spektroskopie verdeutlicht werden. Wissenschaft zum Anfassen!
L
esen sie auch einen Artikel zu unserem Spektrometerbausatz im P.M. Magazin P.M. Magazin

 

 
 

Geräte:
Handspektrometer-Bausatz, Cuttermesser, ein stumpfes Messer zum "Nuten", Alleskleber, Tesafilm

 

 
 

Bausatz-Bestellung:
Der Handspektrometer-Bausatz kann direkt bei Experimentalchemie.de bestellt werden. Nach dem Ausfüllen des unten angeführten Bestellformulares werden sie per Email über die Zahlungsformalitäten (Vorkasse) informiert und erhalten den Bausatz umgehend zugeschickt.
Wir bitten sie jedoch darum nur ernst gemeinte Kaufabsichten zu zeigen. Danke!

Anzahl Preis
1-10 7,00 Euro (pro Stück) + 2,00 Versand
11-100 6,50 Euro (pro Stück) + 7,00 versicherter Versand
Versandkosten außerhalb Deutschlands auf Anfrage

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(Falls es Probleme mit dem Bestellformular gibt, schicken sie einfach eine Email mit Adresse und Stückzahl an Experimentalchemie.de) Kontaktformular

 

 
 

Sicherheitshinweise:
Vorsicht, nicht direkt in die Sonne blicken! Es genügt, knapp neben sie oder in eine helle Wolke anzupeilen.

 

 
 

Versuchsanleitung:
Der Bausatz besteht aus einem bedruckten Bastelbogen, einer bedruckten Plastikfolie (Skala), einer Okularlinse und einem Beugungsgitter.

Der Zeitbedarf für den gesamten Zusammenbau beträgt ungefähr 45 Minuten (je nach Bastelgeschick natürlich ein wenig mehr oder weniger).

 

Spektrometer-Bogen

 

Zusammenbau in Bildern: 

Spektrometer

So sehen alle Einzelteile aus nachdem man sie mit dem Cuttermesser aus dem Bogen getrennt hat.

Zusätzlich muss der durchsichtige Rand der mitgelieferten Skala aus Plastik abgeschnitten werden.


Alle gepunkteten Linien müssen nun gefalzt werden. Dazu bedient man sich am besten einem stumpfen Messer mit dem die Faltstellen genutet werden können.

Um das Beugungsgitter am Bausatz zu befestigen sollte kein Flüssig-Kleber verwendet werden, da schon geringste Schlieren oder Verschmutzungen das Spektrometer unbrauchbar machen können. Stattdessen würde ich Klebeband bevorzugen.

Spektrometer

So sieht der das fertige Spektrometer aus. Beim weißen Pfeil kann das Licht einfallen. Die spektrale Aufspaltung kann durch die unten links angebrachte Lupe betrachtet werden.

Hinter der Skala sollten ein oder zwei abnehmbare Papierklebestreifen angebracht werden (einfach nur an einer Ecke mit Klebestreifen befestigen) um das Ablesen der Wellenlängen zu erleichtern.

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Entsorgung: (siehe auch Entsorgungsmaßnahmen)
Alle Bauteile können in den Hausmüll entsorgt werden.

 

 
 

Erklärung / Hintergrund:
Das Licht fällt durch den Eintrittsspalt (die durchsichtige Linie rechts neben der Skala auf der schwarzen Folie, die die Rückwand des Spektrometers bildet), trifft auf der gegenüberliegenden Seite auf das Gitter (ein unscheinbares Stück Plastikfolie direkt hinter der Lupe), und tritt aus dem Spektrometer wieder aus.

Die Faszination liegt darin, dass der Strahl nicht nur gradlinig austritt, sondern ein Teil des Strahls seitlich abgelenkt wird. Die Ablenkung ist abhängig von der Wellenlänge, wodurch der Strahl spektral zerlegt wird.

Strahlengang des Spektrometers:

(Quelle: "jupex"-Projekt)

Energiereiches blaues Licht wird wenig aus der Hauptrichtung abgelenkt, energiearmes rotes mehr. Im Spektrometer beobachtet man die Strahlen (gestrichelt angedeutet), die nach rechts abgelenkt werden.
Das Auge schaut nicht um die Ecke, es weiß nichts davon, dass die Strahlen rechts abgelenkt wurden. Unbedarft denkt der Betrachter, das Licht käme aus der Richtung, aus der er es sieht, hier aus der Richtung der Skala. Da die Abstände Spalt – Skala – Gitter vorgegeben sind, ist das Spektrometer automatisch geeicht.

Die Ablesegenauigkeit der Wellenlänge ist besser als 5 nm. Bei der Spaltbreite von 0.3 mm könnten Linien getrennt werden, die weniger als 1 nm auseinander liegen.

 

Beispielspektren: 
(Mit freundlichem Dank an Dr. Roland Pleger, Leiter des "jupex"-Projektes)

Spektrum einer Glühlampe:

Eine Glühlampe ist ähnlich wie die Sonne ein thermischer Strahler. Das Spektrum ist kontinuierlich und leuchtet in allen Spektralfarben. Ihre Überlagerung ergibt den Sinneindruck des weißen Lichts.

Spektrum einer Straßenlaterne:


Glühlampen, Kerzen und die Sonne glühen mit hoher Atomdichte (Metall, Ruß, Sonnenplasma). Liegen die Atome aber als Gas vor so ergibt sich ein anderes Spektrum.

Als Beispiel dafür dient eine Straßenlaterne deren Spektrum der einer Quecksilberlampe gleicht.

Statt eines Spektrums sehen wir rote, gelbe, grüne und blaue Linien. Anders als bei den Temperaturstrahlern leuchtet hier kein Atomverband, sondern einzelne Atome. Jedes Atom strahlt in einer charakteristischen Weise, die durch seine Atomstruktur vorgegeben sind.

Die charakteristischen Linien für Quecksilber sind:
254 nm (hartes UV, sehr energiereich, gefährlich für Augen und Haut!)
405 nm (blau)
436 nm (blau)
546 nm (blaugrün)
578 nm (gelbgrün)

Spektrum einer Leuchtstoffröhre:

Man erkennt Linien bei 405 nm, 436 nm, 546 und 578 nm und damit fast die gleichen Linien wie bei Quecksilber! Unsere Schreibtischlampe und die Straßenlaterne enthalten nämlich freies Quecksilbergas. Die Linie bei 254 fehlt, aus Gesundheitsgründen. Kurzwellige UV Strahlung ist sehr gefährlich und muß bei Quecksilberlampen sorgfältig abgeschirmt werden.

Spektrum einer Schwarzlichtlampe:

Schwarzlichtlampen werden z.B. für Diskobeleuchtung oder als Geldscheintester verwendet. Sie sind Quecksilberlampen deren Inneres mit einem Farbstoff ausgekleidet ist, der UV Licht aufnimmt und es als blaues Licht ausstrahlt. Anstelle einer Linie bei 405 nm sehen wir ein ganzes Band. Die Einfärbung des Lampenglases filtert die blaugrüne und grüngelben Linien.

Spektrum von Kochsalz (Natriumchlorid):

Kochsalz, in die Flamme eines Brenners gestreut, steigert die Lichtausbeute um mehrere Größenordnungen. Das Licht erstrahlt in reinem Gelb. Das Spektrum der Kochsalzflamme ist schwarz, bis auf eine starke Spektrallinie bei ca. 590 nm, der typischen Spektrallinie für das Element Natrium.

Spektrum von LEDs:

LED Leuchtmittel wurden wegen ihrer geringen Lichtausbeute lange Zeit nur für Anzeigeelemente und Ähnliches genutzt. Mit der Zeit wurden sie weiterentwickelt und eigneten sich nun auch für andere Bereiche, beispielsweise in Taschenlampen, zur Effektbeleuchtung und in Ampeln. Heutzutage können LEDs in nahezu jedem Bereich eingesetzt werden. Da sie besonders energiesparend sind, werden sie auch im Wohnbereich und als Aussenlampen immer häufiger eingesetzt. LEDs emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Das weiße Licht ist eine Mischung aus sämtlichen Lichtfarben. Jede Lichtfarbe einzeln betrachtet umfasst nur einen kleinen Wellenlängenbereich und somit ein kleines Spektrum. Da in LED-Leuchtmitteln viele kleine Leuchtdioden mit unterschiedlicher Lichtfarbe zusammen eingesetzt werden können, sind alle Farbtöne innerhalb des Gesamtspektrums möglich.

 

 
 

Links:
Atomspektroskopie Grundlagen: Prinzipien der Atom- und Flammenspektroskopie

The Solar Spectrum: (engl.) sehr großes Spektrum der Sonnenstrahlung mit den wichtigsten Fraunhofer Linien
Spektroskopie der Sterne: Einfache Sternspektroskopie und Auswertung von Spektren
Sternenfarben und Temperaturen

Spectroscopynow.com: (engl.) Englischsprachiges Spektroskopie-Portal

 

 

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