SPEKTRA OKOLO NÁS
Petr Benešovský 4. ročník MA-FY
Na každém kroku se okolo nás můžeme setkat se zdroji světla. Ty mohou být přírodní (např. Slunce, plamen), nebo umělé (žárovka, výbojka). Za svoji schopnost svítit vděčí zdroje světla elektronům v atomech zářící látky, které neustále mění své energetické hladiny. Při každé takové změně hladiny dojde k vyzáření tzv. fotonu (pomyslná částice, která se pohybuje rychlostí světla a která je charakterizována vlnovou délkou, se kterou „kmitá“). Tento proces se děje i v látkách, které nesvítí, ale v mnohem menší míře, protože energiových „přeskoků“ je málo. Atomům látky musíme dodat dostatečnou energii (např. zahřát je, viz. žárovka), aby se elektrony patřičně „rozhýbaly“. O světle říkáme, že je to elektromagnetické vlnění.
Elektromagnetické vlnění (záření) má ovšem i jiné, neviditelné podoby. Jsou to záření gama, rentgenové, ultrafialové, infračervené (tepelné), rádiové. Princip všech těchto záření je stejný jako výše popsaný, liší se pouze vlnovou délkou emitovaných (vyzářených) fotonů. V uvedeném seznamu jsou seřazeny podle vlnových délek od nejkratších (řádově 10-15 m) po nejdelší (cca 103m). Vlnové délky, které je schopno zachytit lidské oko se pohybují v rozmezí zhruba 4*10-7-7*10-7m. Jak vidíme, jedná se o zanedbatelný výřez. Objev neviditelných záření a konstrukce zařízení, která je detekují, znamenaly velký přínos pro různé vědní obory (lékařství, defektoskopie, astronomie,...).
Každý zdroj elektromagnetického vlnění (pokud není speciálně upraven a zkonstruován) vyzařuje vlnění nejen ve viditelné oblasti, ale také v oblastech jiných. Protože ale naše pozorování provádíme pomocí očí, zaměříme se právě na ni a ostatní oblasti z dalších úvah vyloučíme (ovšem fyzikální zákonitosti platí pro neviditelné záření stejné).
Není-li světelný zdroj speciálně upraven, vyzařuje zároveň vlnění všech vlnových délek (barev). Smícháním těchto barev obdržíme tzv. bílé světlo ( to je případ Slunce nebo žárovky). Každou barvu však vyzařuje s různou intenzitou. Graf závislosti intenzity na vlnové délce se nazývá spektrum. Tento graf může být buď spojitý (u žhoucích pevných a kapalných látek) nebo nespojitý (čárový) (u jednoatomových plynů). Molekuly plynů pak vytvářejí oblasti čárových spekter, přerušované oblastmi, ve kterých nevyzařují. Takovým spektrům říkáme pásová. Spektrum je charakteristické pro každý prvek Mendělejevovy tabulky. Srovnáním známých spekter prvků a naměřeného spektra neznámé látky lze určit chemické složení této látky.
Pomůcky: „spektroskop“ z papírové krabice a úlomku CD disku, pastelky, oči
Konstrukce „spektroskopu“: spektroskop je vyroben z papírové krabice. Konstrukce je patrná z obrázku. Na parametrech spektroskopu nezáleží, vše je jen třeba vyzkoušet. Štěrbinu v horní části krabice doporučuji úzkou (cca 1mm), protože pronikání příliš velkého množství světla může kvalitu pozorovaného obrazce nepříznivě ovlivnit. Ze stejného důvodu je dobré důkladně utěsnit všechny škvíry, kterými by do krabice mohlo světlo pronikat. Naklopení CD je provedeno také zkusmo.
Princip spektroskopu: Hlavní částí spektroskopu je CD. I na samotném CD disku lze spektra pozorovat, ale jeho umístění do jakési temné komory pozorovací podmínky vylepšuje. Co se týče fyzikální podstaty, nesouhlasím s kolegou, který publikoval svoji práci na Internetu a který celý jev označuje jako difrakci na mřížce. Říká, že vypálené CD je vlastně jakousi optickou mřížkou, na které se různé vlnové délky ohýbají různě. To je pravda, ale nevysvětluje to fakt, že spektra lze pozorovat i pomocí nevypáleného CD, popřípadě druhou stranou CD (pokud je lesklá). Sám bych se přiklonil k vysvětlení, že pozorovaný jev je interferencí na tenké vrstvě. Pro různé úhly dopadu bílého světla pak interferují různé vlnové délky.
OBR.1. Spektroskop
Vlastní pozorování: Provedl jsem pozorování spekter žárovky, úsporné žárovky, rtuťové výbojky a Slunce. Spektera jsou popisována ve směru od červené k modré (vzestupně, co se vlnových délek týče).
Výsledky:
Žárovka: Spektrum klasické žárovky je spojité, tj. jedna barva plynule přechází do druhé a nejsou patrné žádné izolované čáry. Patrné jsou tři silné rozmazané pruhy. Červený přechází přes úzký náznak žluté do zeleného, ten pak v modrý, který je ze všech tří nejužší.
Úsporná žárovka: má čárové spektrum, které je na pozorování mnohem zajímavější. Po lehce rozmazané tmavě červené části je patrná ostrá, jasně červená čára. Po ní téměř bezprostředně následují tři vzájemně si velmi blízké oranžové čáry, jejichž jasnost je o něco nižší než v případě červené. Od nich jsou širokou temnou mezerou odděleny dvě ostré, jasně zelené čáry. Ty jsou izolovány podobně velkou mezerou i z druhé strany, kde je lehce rozmazaná a o něco méně výrazná indigová čára. Poslední výraznou a úzkou čarou je tmavě modrá, která je od indigové oddělena velkou temnou mezerou.
Rtuťová výbojka z domácího horského sluníčka: tato výbojka (typ Tesla RVK 125), přestože vyzařuje především v oblasti UV, má velmi zajímavé čárové spektrum. Prakticky chybí červená složka záření, spektrum „začíná“ až výraznou oranžovou čárou, následovanou dvěma slabšími oranžovými. Ve spektru je zastoupen velký počet čar zelené barvy. Tato převaha zelených nad ostatními čárami se projevuje i navenek (výbojka svítí matně zeleně). Nejjasnější zelená čára je nejblíže oranžové, ostatní jsou patrny směrem k modré oblasti. U nejjasnější zelené jsou nahuštěny nejvíce, s rostoucí vzdáleností od ní rostou jejich rozestupy. Poslední výraznou čarou je tmavě modrá.
Přestože konstrukce horského sluníčka, které obsahuje také IR zářič, neumožňuje samostatný provoz UV výbojky (jen obou zářičů zároveň), je zřejmé, že IR zářič pozorované spektrum prakticky neovlivní (přestože je výkonově silnější). Je to způsobeno faktem, že IR zářič ve viditelné oblasti prakticky nevyzařuje (ve tmě vypadá jako lehce rozpálená plotna).
Slunce: přestože Slunce nás těší svým blahodárným teplem, podobou svého spektra nás příliš netěší. Je spojité, velmi podobné spektru žárovky. Nejsou zde patrné žádné výraznější (ať už barevné, nebo temné) proužky. Červená přechází plynule do zelené a ta stejně plynule do modré. Snad jen při hodně pozorném zkoumání se mi v oblasti tmavě zelené jevilo spektrum jako posloupnost nahuštěných, ale vzájemně temnými proužky izolovaných čar.
Obrázky: Vzhledem k tomu, že nejsem dobrý malíř a složité barevné přechody u spekter slunce a obyč. žárovky nejsem schopen dostatečně přesně postihnout, rozhodl jsem se jejich gragické ztvárnění vynechat. Na další dva obrázky jsem použil počítače. Je třeba se na ně dívat pouze jako na hrubou podobu skutečnosti. Vzdálenosti mezi čarami se těžko přenášejí z CD na obrazovku ve správném poměru (to by opět správněji zvládl šikovný grafik). Také odstíny barev neodpovídají zcela skutečnosti. Důvodem je nejem moje malířská neprofesionalita (kdybych uměl malovat, nestuduju na učitele, ale na malíře, to dá rozum), ale také odlišné zobrazení jasu či kontrastu barev na různých monitorech (na vašem monitoru vidíte barvy jinak, než na tom, na kterém byly tvořeny). Je zřejmé, že k další barevné deformaci by došlo při snaze vytisknout protokol na barevné tiskárně. Navíc můj Word 97 z nějakého záhadného důvodu při vložení obrázky "rozmaže" (i když v případě spekter je to možná spíše plus).
U nejjasměji patrných čar jsem udělal černou tečku, rozmazání indigové čáry u úsp. žárovky je znázorněno dvojnásobnou tloušťkou čáry.
OBR. 2. Spektrální čáry (vlevo úsporná žárovka, vpravo rtuťová výbojka)
Závěr: Z jednoduchého pozorování zdrojů světla, běžně se vyskytujících v každodenním životě lidí je patrná různorodost spekter, která vyzařují. Každý může jednoduchou, výše popsanou cestou dojít k závěru, že není světlo jako světlo.
Document created with wvWare/wv ver 0.5.44