Спектроскоп из CD

Спектроскопия сыграла заметную роль в развитии науки и сегодня очень широко используется в физике, химии, астрономии... Именно при наблюдениях спектра Солнца был впервые открыт гелий (намного раньше, чем его обнаружили на Земле). По спектрам можно определить химический состав звезд и изучить их движение, многое узнать о физических процессах в их недрах... Это один из важнейших инструментов астрофизики. Но для многих опытов достаточно простейшего спектроскопа, который можно легко изготовить самостоятельно за полчаса из подручных материалов.

Основой простейшего спектроскопа может стать дифракционная решетка, изготовленная из CD или DVD диска. Великолепная, очень простая и продуманная конструкция спектроскопа предложена Arvind Paranjpe (к сожалению, сейчас его страница недоступна). Мой вариант по сути мало чем отличается - разве что применены другие материалы и конструкция пригодна для использования с WEB-камерой.

Итак, нам понадобится обрезок кабель-канала из ПВХ длиной около 20 см (но можно использовать и другие подходящие профили), компакт-диск и одноразовый бритвенный станок. Наш спектроскоп предельно упрощен и не содержит никаких линз.

Сначала изготовим основу инструмента - дифракционную решетку. Её роль выполняет прямоугольник, вырезанный из компакт-диска. Компакт-диск можно использовать любого типа - CD, DVD, CD-R/RW или DVD-R/RW, но лучше взять незаписываемый CD или DVD с зеркальной рабочей поверхностью - такой диск лучше отражает свет и не будет вносить цветовых искажений.

Важнейшая характеристика дифракционной решетки - её период. Чем он меньше (чем больше штрихов приходится на один миллиметр) тем лучшее разрешение позволит получить решетка. В нашем случае роль штрихов решетки выполняют дорожки компакт-диска (расстояние между дорожками составляет для CD - 1.6 мкм, для DVD - 0.74 мкм) для улучшения характеристик мы расположим диск под малым углом к падающему лучу света. Такое расположение не только увеличивает разрешающую способность решетки, но и уменьшает влияние кривизны дорожек диска. В идеале на решетку должен падать параллельный пучок лучей, в настоящих спектрографах для этого служит специальная оптическая система - коллиматор. Но можно обойтись и без него, если щель будет располагаться относительно далеко (не менее 10..15 см) от решетки. Щель легко изготовить из двух лезвий, наклеенных на диафрагму-основание так, чтобы между ними оставался тонкий ровный просвет шириной около 0,2..0,3 мм. Наблюдать спектр, полученный после отражения от дифракционной решетки можно непосредственно глазом или фотографировать с помощью Web-камеры.

Конструкция прибора понятна из фото. В качестве передней стенки-диафрагмы и основы для щели я использовал черный пластик от папок-скоросшивателей (очень удобный материал для оптических самоделок!), в нем вырезано прямоугольное отверстие, на котором нужно закрепить лезвия щели. Их можно приклеить клеем типа "Момент" - это позволит до высыхания клея легко отрегулировать ширину щели. Из рабочей чсти поверхности компакт-диска ножницами или раскаленным ножом (будьте осторожны!) нужно вырезать прямоугольник со сторонами, параллельными радиусу и шириной 1,5..2 см. Лучше попробовать вырезать несколько таких деталей, посмотреть на отражения в них под осттрым углом и выбрать ту, которая имеет наименьшие искажения. Края детали, которые чаще всего деформируются при вырезании, можно заклеить полосками черной изоленты, вполне достаточно оставить рабочий участок шириной 5..10 мм. Это и есть дифракционная решетка. Наклейте её двухсторонним скотчем (клей может повредить покрытие) на клин из пробки или пенопласта (угол к направлению падения лучей должен составлять 20-25°) и закрепите в корпусе напротив отверстия в верхней крышке.

Желательно зачернить внутренние поверхности прибора и устранить возможные щели.

Спектроскоп готов!

Для проверки изготовленного устройства напрвьте его на любую энергосберегающую лампу - они имеют спектр, состоящий из нескольких ярких линий разных цветов. Спектр лампы накаливания, напротив, выглядит непрерывной радугой. Но наиболее интересный и доступный объект - Солнце. В его спектре легко можно увидеть основные линии поглощения (фраунгоферовы линии).

Ниже приведены фотографии спектров энергосберегающей лампы и Солнца, сфотографированные с помощью недорогой Web-камеры.

Для фотографирования спектров, конечно, можно использовать и компактный фотоаппарат или даже камеру мобильного телефона. В любом случае объектив камеры должен быть сфокусирован на щель спектроскопа, поэтому некоторые Web-камеры и телефоны, объективы которых не имеют возможности фокусировки, не подойдут для этой цели.

Обратите внимание, что на фото видны спектры трех порядков, причем второй и третий частично перекрываются, однако это обычно не мешает наблюдать спектральные линии. В солнечном спектре лучше рассматривать или фотографировать линии второго порядка, для более слабых источников света может оказаться удобнее спектр первого порядка.

Желаю успеха!