Ученик СУНЦ НГУ собрал спектрометр из DVD-дисков и старой фотокамеры
Ученик 10 класса СУНЦ НГУ Иван Маслов собрал из подручных материалов спектрометр с высоким разрешением. Исследование, проведенное с помощью такого прибора, заняло первое место на школьной секции МНСК-2021.
Спектрометр — оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Спектрометры используются в астрономии, химии, геологии, металлургии и других сферах.
В интернете можно найти много публикаций о том, как сделать спектрометр, используя DVD-R диск и смартфон, однако такие приборы, считает Иван Маслов, будут не очень точными. Ивану же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм, который работает в диапазоне 400-700 нм.
Прибор состоит из трех основных элементов: оптическая щель, дифракционная решётка и фоторегистратор. Корпус прибора сделан из обычного дерева. В качестве фоторегистратора Иван применял найденную дома зеркальную фотокамеру NIKON D5100. Оптическая щель сделана из двух скреплённых лезвий на расстоянии 0.1 мм (как толщина бумаги). Оптическая щель нужна, чтобы на дифракционную решетку попадал очень маленький луч от источника света (лампы или костра). Сама дифракционная решётка изготовлена из DVD-диска. Для этого школьник расслоил диск на две части и обработал нужную поверхность спиртом.
Дифракционная решётка позволяет поймать на фоторегистратор фотоны с разной длиной волны. Таким образом можно выяснить, какие именно фотоны присутствуют в свете, исходящем, например, от лампы или от костра. Также спектрометр позволяет определить состав вещества: у каждого элемента есть своя "линия поглощения" (длина волн, которые излучает вещество при сгорании) и, измерив спектр неизвестного тела, можно определить, из каких именно элементов оно состоит.
Основным объектом исследования ученика СУНЦ НГУ стало пламя костра. Иван решил выяснить, что делает огонь желтым – наночастицы углерода или соли натрия. По словам школьника, ему не удалось найти единого общепринятого объяснения этого явления. Поэтому он решил исследовать спектр пламени костра самостоятельно.
На фоне очень слабого непрерывного черно-тельного спектра были зарегистрированы две яркие желтые лини с длинами волн 589,0 нм и 589,6 нм. Согласно базе данных NIST, это линии натрия. В дальнейших исследованиях была зафиксирована динамика появления линий натрия в спектре. Пока костер разгорается, в спектре линии отсутствуют. По мере появления углей и увеличения мощности излучения данные линии появляются и их яркость растет. По мнению школьника, этот эксперимент показывает: появление двойной линии натрия не оказывает какого-либо заметного влияния на изменение цвета. В пламени костра из атомов углерода образуются частицы сажи размером до 100 нм. Эти частицы и дают непрерывный спектр с максимумом излучения в инфракрасной области, а мощность видимого излучения падает от красного к зеленому и еще больше — к синему. Излучение с таким спектром воспринимается человеком как оттенки желтого и оранжевого, в зависимости от температуры области пламени. Таким образом, полагает Иван Маслов, цвет пламени костра дают ярко светящиеся частицы углерода. Эта гипотеза требует дальнейшей проверки.
Исследование Ивана Маслова заняло первое место на школьной секции МНСК-2021 в подсекции «Общая физика». Свой прибор школьник планирует использовать в новых экспериментах, в том числе – продолжить исследование излучения пламени костра.
– Также мой проект показывает, что спектрометр – это очень доступная вещь. В интернете приборы такой же точности и хуже стоят от 100 до 500 тысяч рублей, а я сделал его из обычных лезвий, DVD-диска, зеркальной фотокамеры, которую можно купить на Avito за 5 тысяч рублей, и древесины, использовав самые обычные инструменты, которые есть в любой мастерской, – поделился Иван Маслов.
