XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Cпектры звезд
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В астрономии для изучения звезд используются так называемые спектры звезд. Спектром называется луч какого-нибудь источника света, пропущенный через призму и разложенный ею на свои составные части, рис.1.
Рис.1
При взгляде на Солнце невооруженным глазом мы видим его ярким желтым или белым раскаленным диском. Но еще Исаак Ньютон, разложив солнечный свет в спектр при помощи стеклянной призмы, показал, что в нем присутствуют, плавно переходя друг в друга, все видимые нами цвета от красного до фиолетового /11/.
Для того чтобы получить спектр ученые пользуются не простой стеклянной призмой, а специальным прибором — спектроскопом /5/. Спектры звезд, свет которых можно направить в спектроскоп, похожи на спектр Солнца.
В некоторых спектроскопах используют дифракционную решетку, действие которой основано на использовании явления дифракции света. Один из простых в быту примеров дифракционных решёток — компакт-диск. Спектроскоп можно сделать и самому, используя фрагмента DVD диска!
В практической части работы изготовлю самодельный спектроскоп, с фрагментом DVD-диска. С помощью своего спектроскопа рассмотрю спектры дневного света и от искусственных источников света.
Цель исследования
Целью данной работы является изготовление самодельного спектроскопа для исследования спектров от дневного света и от искусственных источников.
Задачи исследования:
Узнать что такое: дисперсия света, дифракция, спектр и типы спектров;
Рассмотреть спектральный анализ в исследовании звезд (Солнца);
Изучить устройство спектроскопа;
Описать наблюдение сплошного спектра испускания;
В практической части собрать самодельный спектроскоп с использованием фрагмента DVD-диска для исследования спектров от дневного света и от искусственных источников.
Сфотографировать спектры от дневного света и от искусственных источников.
Актуальность
Изучаемая тема актуальна, так как самодельные спектроскопы полезны для школьников при изучении оптики.
Содержание работы:
В астрономии для изучения звезд активно используются так называемые спектры звезд. Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму показано на рис. 3.
Что такое дисперсия света – открытие Ньютона
Древнегреческий ученый Аристотель еще в 3 веке до н.э. активно изучал и пытался дать объяснение некоторым свойствам светового потока. Он наблюдал дисперсию света в природе и даже пытался экспериментально выяснить, как устроено солнечное излучение. Конечно, первым, кто экспериментально доказал и описал зависимость преломления светового потока от длины волны, был Исаак Ньютон, рис.2.
Рис.2
Ньютон поставил треугольную хрустальную призму, чтобы на нее попадал луч. Пройдя через прозрачный хрусталь, белый свет превратился в ряд разноцветных полос. Цвета были расположены строго по порядку от красного до фиолетового. Ученый выделил семь полос разного оттенка и назвал этот ряд спектром (от латинского видимый) /11/.
Спектр — это совокупность цветовых полос, получающихся при прохождении светового луча через преломляющую среду, рис.3.
Как поток из белого, превращается в разноцветный?
Почему луч солнца, проходя через прозрачные или условно прозрачные вещества (такие как вода, стекло, хрусталь) раскладывается на составляющие его радужные цвета?
Это происходит из-за преломления солнечного излучения - дисперсии. Луч солнца не монохромный, а как раз содержит в себе весь цветовой ряд. Когда диапазоны всех цветов сливаются, мы видим белое излучение. Но при этом каждый цвет имеет разную длину волны. И в зависимости от нее по-своему меняет угол преломления.
Рис.2 Спектр
Разложение белого света на составляющие – это и есть дисперсия. Это происходит из-за того, что волны, попадая из одного вещества в другое, частично или полностью меняют свое направление. Такое изменение направления называется преломлением.Дифракциейсвета называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Один из простых в быту примеров отражательных дифракционных решёток — компакт-диск.
Для получения чётких и ярких спектров используют специальные оптические приборы: спектрографы и спектроскопы, рис.3 /3/.
Конструкция спектроскопа
С пектроскоп был сконструирован в 1815 г. немецким физиком Йозефом Фраунгофером, рис.3.
Рис.3. Йозеф Фраунгофер
С пектроскоп (рис. 4) состоит из двух труб 1, между которыми помещают трехгранную призму 2. В трубе (коллиматоре), имеется узкая щель 5, ширину которой можно регулировать поворотом винта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого необходимо исследовать /3/.
Рис.4 Спектроскоп: 1 – металлическая трубка; 2 – призма; 3 –собирающая линза; 4 крышка с окулярным отверстием; 5 – коллиматорная щель).
Если осветить щель спектроскопа светящимися парами какого-нибудь вещества, то увидим, что спектр этого вещества состоит из нескольких цветных линий на темном фоне. При этом цвета линий для каждого вещества всегда одни и те же. Зная, как выглядит каждый из химических элементов на спектрографе, мы можем очень точно определить их наличие в составе далеких звезд, просто сравнив спектр их излучения с “эталоном”. Имея “эталон” (список спектров разных веществ), можно точно определить вещество, рис.5.
Рис.5 Спектры испускания и поглощения:
1- спектр испускания натрия; 2- спектр испускания водорода; 3- спектр испускания гелия;
4- спектр поглощения натрия; 5- спектр поглощения водорода; 6- спектр поглощения гелия.
Смесь паров нескольких химических элементов, не образующих химического соединения, дает наложение их спектров один на другой. По таким спектрам мы и распознаем химический состав смеси. Для любого атома или химического соединения эти полосы тоже всегда определенные /2, 7/.
Типы спектров
Различают спектры испускания и спектры поглощения /2, 7/. Спектры испускания разделяют на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта. Спектры испускания могут быть сплошными (рис.6 в), линейчатыми (рис.6 а) и полосатыми, рис.6 б.
Сплошной - это спектр (рис.6в), непрерывно содержащий все длины волн определенного диапазона. Сплошной спектр излучают нагретые твердые и жидкие вещества, газы, нагретые под большим давлением /2,7/.
Линейчатый спектр излучения состоит из отдельных спектральных линий, каждой из которых соответствует определённая длина волны. Его излучают вещества, находящиеся в атомарном газообразном состоянии, рис.6 а. Для получения линейчатого спектра исследуемое вещество нужно перевести в газообразное состояние и нагреть до высокой температуры /2, 7/.
Если источником излучения служат молекулы вещества, то наблюдается так называемый полосатый спектр, рис.6б.
а б в
Рис.6. Спектры испускания
Если взять раскаленный кусок извести, дающий непрерывный спектр без всяких темных линий. Затем перед этим куском извести поместить пламя газовой горелки, содержащей пары натрия. Тогда в непрерывном спектре, полученном от раскаленной извести, свет которой прошел через пламя горелки, появится в желтой части темная линия. Более холодные пары натрия поглощают или задерживают лучи той же самой длины волны, какую эти пары сами по себе способны испускать. Линию излучения натрия на этой же длине волны можно получить, например, при внесении в пламя газовой горелки кусочка поваренной соли – пламя окрасится в желтый цвет (рис.7).
Опытным путем, было установлено, что светящиеся газы и пары поглощают свет тех самых длин волн, которые они сами способны испускать, будучи достаточно нагретыми.
Рис.7
Спектральный анализ в исследовании Солнца
Сплошной спектр дают огромные массы сжатого газа, из которого состоит Солнце. После того как в спектре Солнца были обнаружены темные линии, ученые обратили внимание на такое явление: в желтой части этого спектра есть темная линия, которая имеет ту же длину волны, что и яркая желтая линия в спектре разреженных светящихся паров натрия.
Солнце — раскаленное тело, испускающее белый свет, спектр которого непрерывен — окружено слоем более холодных, но все же раскаленных газов. Эти газы и образуют вокруг Солнца его оболочку, или атмосферу. А в этой атмосфере содержатся пары натрия, которые и поглощают из лучей солнечного спектра лучи с той самой длиной волны, которую натрий способен испускать. Поглощая, задерживая эти лучи, пары натрия создают в свете Солнца, прошедшем сквозь его атмосферу и дошедшем до нас, недостаток желтых лучей с этой длиной волны. Вот почему в соответствующем месте желтой части спектра Солнца мы находим темную линию, рис.8. Можно утверждать, что в составе солнечной атмосферы есть натрий.
Рис.8
Таким же образом, определив длины волн других темных линий, видимых в спектре Солнца, и сравнив их с длинами волн ярких линий, испускаемых парами различных веществ и наблюдаемых в лаборатории, мы точно определим, какие еще другие химические элементы входят в состав солнечной атмосферы. Так было выяснено, что в солнечной атмосфере присутствуют те же химические элементы, что и на земле: водород, азот, натрий, магний, алюминий, кальций, железо и даже золото /10/.
Спектральный анализ и температура звезд
Основной источник видимого света в космосе — звезды, поверхность которых нагрета до нескольких тысяч градусов и потому испускает свет /6/. По спектру звезды можно узнать ее светимость, размер, химический состав ее атмосферы. Классификация звезд по цвету и температуре приведена на рис.9.
Звезды красного цвета — самые «холодные». Они нагреты до 3 тысяч градусов. Температура желтых звезд составляет 6 тысяч градусов. Такова же температура поверхности нашего Солнца, которое тоже относится к разряду желтых звезд. Белые звезды еще более горячие. Температура их составляет от 10 до 20 тысяч градусов.Самыми горячими среди известных нам звезд являются голубые звезды, раскаленные до 30, а в некоторых случаях даже до 100 тысяч градусов /6/.
Рис.9 Классификация звезд по цвету и температуре
Наблюдение сплошного спектра испускания с помощью спектроскопа
Видимое излучение — (видимыйсвет, свет) область спектра электромагнитного излучения, непосредственно воспринимаемая человеческим глазом /7/. Характеризуется длинами волн в диапазоне от 400 до 760 нм, рис.10.
С помощью спектроскопа можно выяснить, как выглядят спектры от дневного света и от света электрической лампы.
Рис.10 Шкала электромагнитных волн
И з литературы я узнал, каким должен выглядеть спектр дневного света и спектры света электрической лампы (светодиодной и люминесцентной), рис.11.
Рис.11
В практической части работы я изготовлю самодельный спектроскоп и получу спектр от излучения солнца, спектр от светодиодной лампы, спектр от люминесцентной лампы. Сфотографирую результаты своего эксперимента и сравню их с литературными данными (с рисунком 11).
Практическая часть работы:
В практической части работы:
1. Я изготовлю спектроскоп из картона и фрагмента DVD-диска.
2. Проведу исследование и получение спектров по следующей схеме: 1 - спектр излучения солнца, 2 - спектр светодиодной лампы, рис.12а, 3 - спектр люминесцентной лампы, рис.12б.
а б
Рис.12
Для изготовления самодельного спектроскопа мне потребуется: фрагмент DVD диска; картон; клей; скотч.
Для изготовления дифракционной решетки из DVD-диска вырежу фрагмент диска, с помощью скотча сниму пленку.
Сконструирую основание для спектроскопа из картона. Внутреннюю поверхность окрашу черным цветом. Установлю фрагмент DVD-диска в основание спектроскопа, рис13а. В основании с противоположной стороны вырежу узкую щель, рис.13б. Спектроскоп готов (рис.14).
а б
Рис.13
Рис.14 Самодельный спектроскоп
Далее с помощью сконструированного спектроскопа рассмотрю спектры от различных источников: спектр солнечного света (рис.15а); спектр от светодиодной лампы (рис.15б); спектр люминесцентной лампы, рис.15в.
Выполню фотофиксацию результатов эксперимента и занесу в табл.1. Сравню результаты эксперимента (табл.1) с литературными данными (с рисунком 11): Результаты совпадают, спектр от солнечного света и от светодиодной лампы(рис.15а,б) непрерывен во всей видимой области (от фиолетового до красного цветов), а спектр от люминесцентной лампы линейчатый или дискретный, рис.15в.
а б
в
Рис.15 Фотофиксация результатов эксперимента
Таблица 1
|
№ |
Наименование |
Полученные результаты (изображение) |
Описание изображение |
|
1 |
Спектр дневного света |
Спектр непрерывен |
|
|
2 |
Спектр от светодиодной лампы |
Спектр непрерывен |
|
|
Спектр от люминесцентной лампы |
Спектр дискретный |
Выводы:
В своей работе я узнал что такое: дисперсия света, дифракция, спектр и типы спектров;
Рассмотрел спектральный анализ в исследовании звезд (Солнца);
Изучил устройство спектроскопа;
Описал наблюдение сплошного спектра испускания с помощью спектроскопа;
В практической части работы собрал самодельный спектроскоп для исследования спектра дневного света спектры искусственных источников света;
Сфотографировал спектр дневного света и спектры искусственных источников света;
Результаты эксперимента совпадают с литературными данными: спектр дневного света и светодиодной лампы непрерывен. Спектр от люминесцентной лампы дискретный.
Список литературы:
1. Статья «Спектроскоп» // «Юный Техник». - 2011год - №5 - С.70.
2. [электронный ресурс] Типы оптических спектров. Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров (videouroki.net)
3. [электронный ресурс] Физика 9 кл. Спектрограф и спектроскоп - Класс!ная физика (class-fizika.ru)
4. [электронный ресурс] Дифракционные решетки. Самодельный спектроскоп или как определить спектр источника света? | Мои увлекательные и опасные эксперименты (foxylab.com)
5.[электронный ресурс] ZHuzha-M.A._Samodelnyiy-spektroskop-iz-DVD_geometricheskie-effektyi-konstruktsii.pdf (yandex.ru)
6.[электронный ресурс] Из чего состоят звезды (спектры звезд)? Из чего состоят звезды (спектры звезд)? | Звездный каталог (starcatalog.ru)
7.[электронный ресурс] Спектр — Википедия (wikipedia.org)
8. [электронный ресурс]ZHuzha-M.A._Samodelnyiy-spektroskop-iz-DVD_geometricheskie-effektyi-konstruktsii.pdf (yandex.ru)
9. [электронный ресурс] Выполнение лабораторной работы. — Студопедия (studopedia.ru)
10. [электронный ресурс] Солнечный спектр • Василий Деревянко • Научная картинка дня на «Элементах» • Физика (elementy.ru)
11. [электронный ресурс] Что такое дисперсия света – открытие Ньютона https://lampasveta.com/teoriya/dispersiya-sveta