Спектроскоп

Из курсов химии и физики вы знаете, если нагреть до высокой температуры любое вещество, оно начинает излучать свет. Происходит это потому, что вещества состоят из атомов. При нагревании какого-либо предмета его атомам передается энергия. Получая энергию, атом переходит в возбужденное состояние, а затем возвращается в обычное энергетически выгодное и более устойчивое состояние. При этом он отдает полученную энергию в виде фотона - кванта света. Так и получается, что все нагретые вещества светятся.

Вы знаете, что все вещества светятся разным цветом, так как они образованы атомами различных химических элементов, и им для возбуждения необходима разная энергия. Чем больше энергия, тем больше частота колебаний излучаемой волны и тем меньше ее длина. У синего света, например, длина волны меньше, а энергия больше, чем у красного. Изучая состав света с помощью прибора - спектроскопа, можно определить присутствие известных химических элементов или открыть неизвестные. Именно так на Солнце был открыт химический элемент - гелий. Обычно в спектроскопах разложение света по длинам волн проводится с помощью прозрачных призм. Призма для спектроскопа - довольно точный оптический прибор, и ее не так просто изготовить. Но призму можно заменить обычным компакт-диском DVD-R, который имеет упорядоченную поверхность.

На поверхности компакт-диска DVD бороздки расположены через каждые 740нм. При попадании на них света отраженные от соседних бороздок волны начинают интерферировать. Это можно увидеть, если посмотреть на отражение на зеркальной поверхности диска – можно заметить полосы разных цветов. То есть, если поместить компакт-диск под углом 18-20 градусов к горизонтальному лучу света и посмотреть на него вертикально, то можно наблюдать разложение видимого света по всему спектру. С его помощью можно, например, увидеть полосы испускания света ионами различных металлов.

Материалы и вещества, необходимые для изготовления спектроскопа в домашних условиях и работы с ним:

• компакт-диск DVD-R диаметром 5,25 дюйма;

• выкройка, которую необходимо распечатать по указанной схеме на листе бумаги формата А4;

• картон для наклейки на него выкройки спектроскопа;

• цифровое устройство с камерой для фиксации результатов экспериментов, например, смартфон;

• горелка газовая, которая необходима для получения практически бесцветной струи пламени высокой температуры. В качестве горелки можно использовать горелку кондитерскую газовую, турбозажигалку и другие бытовые газовые горелки;

• стаканчики стальные или фарфоровые тигли для прокаливания вещества;

• поваренная соль для окрашивания пламени в желто-оранжевый цвет;

• мел для окрашивания пламени в красно-оранжевый цвет;

• карбонат лития для окрашивания пламени в красный цвет (продаются в аптеке без рецепта);

• медный купорос для окрашивания пламени в бирюзовый цвет;

• жидкость для чистки сантехники от известковых отложений, которая содержит соляную кислоту, необходимую для получения летучих хлоридов металлов.

Последовательность действия при изготовлении спектроскопа и работе с ним:

1. Наклеить выкройку на картон. Вырезать по разметке отверстия для света, для диска, для визуального наблюдения и для цифрового устройства.

2. Вставить компакт-диск в отверстие спектроскопа и зафиксировать двухсторонним скотчем с обратной стороны. Вставить цифровое устройство в подготовленное отверстие так, чтобы его камера находилась на одной оси с отверстием для луча и центром компакт-диска.

3. Проверить работоспособность спектроскопа с помощью постоянного источника света. Например, Солнца или люминесцентной лампы. Если направить спектроскоп так, чтобы угол падения луча на диск был равен 18-20 градусам, то при визуальном наблюдении можно увидеть разложение луча на цветные линии.

4. В темноте поместить в металлический стаканчик или в фарфоровый тигель немного поваренной соли и направить на нее струю пламени горелки. Пламя окрашивается в желто-оранжевый цвет. При наблюдении через спектроскоп можно увидеть характерную желтую линию, соответствующую спектру ионов натрия.

5. В темноте поместить в металлический стаканчик или в фарфоровый тигель мел, медный купорос либо таблетку карбоната лития, очищенную от оболочки. Добавить небольшое количество жидкости для чистки сантехники, и в случае необходимости подождать окончания выделения углекислого газа.

6. Направить на раствор струю пламени горелки. По мере выпаривания раствора можно наблюдать соответственно красно-оранжевое, бирюзовое или красное окрашивание пламени. При наблюдении через спектроскоп можно зафиксировать характерные цветные линии, соответствующие ионам кальция, меди(II) или лития.

Фактически вы выполнили проектно-исследовательскую работу, и ее результаты вы можете доложить в классе или на школьной конференции.

Источники:

1. Д. Звягинцев, О. Колясников. Спектрометр "на коленке" // Кот Шрёдингера. — 2015. — № 3(05). — С. 114–117.

2. S. Ashworth. A little light relief. // The Mole. — 2013. — 11. — С. 5.

3. K. Hamada, F. Wakabayashi. A DVD Spectroscope: A Simple, High-Resolution Classroom Spectroscope // Journal of chemical education. – 2006. – Т. 83. – №. 1. – С. 56-58.

4. Ю.Ю. Лурье. Справочник по аналитической химии. / М.: Химия. — 1989. — С. 381.

Составители: Колясников О.В., Никитин В.Е.