Спектрограф своими руками: от DVD до астрономического спектра
Фраунгофер в 1817 году насчитал 574 тёмные линии в солнечном спектре и обозначил их буквами A, B, C… Он не знал, что это подписи элементов — атомный штрихкод Солнца. Сегодня мы можем повторить это открытие с DVD-диском и смартфоном.
Место в нарративной оси
Свет — главный носитель информации во Вселенной. Вся астрофизика, вся квантовая механика, вся химия элементов стоит на спектроскопии. Это улучшенный преемник простейших демонстраций дифракции: здесь щель даёт настоящее разрешение, а калибровка переводит пиксели в нанометры. От этого инструмента — прямой путь к определению состава звёзд.
Физика: дифракционная решётка
DVD-диск — это дифракционная решётка с шагом d ≈ 1,6 мкм (1600 нм).
Уравнение дифракционного максимума:
d · sin(θ) = m · λ
где d — шаг решётки (1600 нм для DVD)
θ — угол дифракции
m — порядок (1, 2, 3...)
λ — длина волны
Угловая дисперсия: dθ/dλ = m / (d · cos θ)
Чем больше m и меньше d, тем лучше разрешение. DVD-решётка даёт разрешение ~2–5 нм — достаточно для большинства школьных задач.
Конструкция: щелевой спектрограф
Необходимые материалы
| Компонент | Вариант А (бюджетный) | Вариант Б (точный) |
|---|---|---|
| Решётка | Кусок DVD 3×4 см | Дифракц. решётка 600 л/мм |
| Щель | Два лезвия бритвы | Лезвия на микрометрическом держателе |
| Корпус | Картон, чёрная бумага | Фанера 4 мм |
| Детектор | Смартфон, камера ноутбука | Камера с ручными настройками |
| ПО | Spectral Workbench (браузер) | RSpec, ISIS |
Стоимость варианта А: 200–400 руб. (DVD из мусора + лезвия) Стоимость варианта Б: 800–1500 руб.
Подготовка DVD-решётки
- Возьмите старый DVD-диск (не Blu-ray — у него шаг 320 нм, работает хуже в видимом)
- Расслоите диск: подденьте с края, потяните — диск расслаивается на два слоя
- Снимите серебристый слой с прозрачного — останется чистая поликарбонатная решётка
- Вырежьте прямоугольник 3×5 см — это ваша решётка
Сборка корпуса (вариант А, картон)
Схема вида сверху:
[ИСТОЧНИК] → [ЩЕЛЬ] → [КОЛЛИМИРУЮЩИЙ УЧАСТОК 15 см] → [РЕШЁТКА 45°] → [КАМЕРА]
Размеры корпуса: 20 × 6 × 6 см
Щель: 2 лезвия, параллельно, зазор 0,3–0,5 мм
Угол решётки: ~45° к оси прибора
Пошаговая сборка:
Шаг 1. Из плотного картона вырежьте трубу 20 × 6 × 6 см. Оклейте внутри чёрной бумагой.
Шаг 2. На одном конце — щель. Два лезвия бритвы приклейте параллельно друг другу на расстоянии 0,3–0,5 мм. Чем уже щель — тем лучше разрешение, но меньше яркость. Оптимум — 0,3 мм.
Шаг 3. На расстоянии 15 см от щели — решётка под углом 45°. Приклейте DVD-кусок в держатель из картона.
Шаг 4. Сбоку прорежьте отверстие под смартфон так, чтобы объектив камеры смотрел на решётку под прямым углом к оси трубы.
Шаг 5. Снаружи — всё оклеить чёрной лентой, чтобы не было засветки.
Калибровка
Без калибровки спектрограф показывает только «радугу». С калибровкой — реальные длины волн.
Калибровочные источники (доступность)
| Источник | Линии (нм) | Доступность |
|---|---|---|
| Неоновая трубка (реклама) | 585, 588, 614, 640, 703 | Магазины вывесок, 500–2000 руб |
| Компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) | 405, 436, 546, 579 (ртуть) | Любой хозмаг, 100–200 руб |
| Пламя с поваренной солью | 589,0 и 589,6 нм (натрий D) | Бесплатно |
| Лазерная указка зелёная | 532 нм | 200–500 руб |
| Лазерная указка красная | 650 нм | 100–200 руб |
Рекомендация для начала: КЛЛ-лампа (ртутный спектр). Линии хорошо известны, лампа дешёвая.
Процедура калибровки в Spectral Workbench
- Сфотографируйте спектр КЛЛ-лампы
- Загрузите на spectralworkbench.org
- В инструменте калибровки укажите: «этот пик = 546 нм», «этот пик = 436 нм»
- Сервис строит линейную калибровочную кривую
- Теперь каждый пиксель = конкретная длина волны
Что измеряем: список объектов
Уровень 1: лабораторные источники
Натрий (поваренная соль в пламени):
- Посыпьте соль на горящую свечу или спиртовку
- D-линии натрия: 589,0 нм и 589,6 нм — золотисто-жёлтый цвет
- Разрешить эти две линии — тест качества прибора
Водород (трубка Гейслера, 300–800 руб):
- Балмеровская серия: Hα = 656 нм (красный), Hβ = 486 нм (голубой), Hγ = 434 нм (фиолетовый)
- Формула Бальмера: 1/λ = R·(1/4 - 1/n²), R = 1,097×10⁷ м⁻¹
- Измерьте три линии → проверьте формулу → вычислите постоянную Ридберга
Флуоресцентная зелень (хлорофилл):
- Вытяжка хлорофилла из шпината в ацетоне
- Облучите синим лазером → красная флуоресценция ~680 нм
- Это пик поглощения хлорофилла-а
Уровень 2: солнечный спектр
Линии Фраунгофера — подписи элементов Солнца:
| Линия | λ (нм) | Элемент |
|---|---|---|
| B | 687 | O₂ (атмосфера Земли) |
| C (Hα) | 656 | Водород |
| D₁, D₂ | 589, 590 | Натрий |
| E | 527 | Железо |
| F (Hβ) | 486 | Водород |
| G | 431 | CH, железо |
| H | 397 | Кальций |
| K | 393 | Кальций |
Как наблюдать: направьте спектрограф на яркое синее небо (не прямо на Солнце!). На фото вы увидите тёмные линии на фоне непрерывного спектра.
Уровень 3: спектры звёзд
Оборудование: телескоп 60–100 мм + спектрограф у окуляра + камера с выдержкой 5–30 секунд.
Звёздная классификация ОБАФГКМ:
| Класс | T (К) | Признак | Пример |
|---|---|---|---|
| O | >30 000 | Линии He II | ζ Puppis |
| B | 10–30 тыс | Линии He I, H слабые | Ригель, Спика |
| A | 7–10 тыс | Линии H сильные | Сириус, Вега |
| F | 6–7 тыс | H слабее, металлы | Канопус |
| G | 5–6 тыс | Линии Ca, H умеренные | Солнце, Капелла |
| K | 3,5–5 тыс | Много металлов, CH | Арктур, Альдебаран |
| M | <3 500 | Полосы TiO | Бетельгейзе, Антарес |
Доступные цели (яркие, удобные):
- Вега (α Лиры) — класс A0, эталонная звезда
- Арктур (α Волопаса) — класс K1, оранжевый гигант
- Бетельгейзе (α Ориона) — класс M2, полосы TiO
Citizen Science: Public Lab
publiclab.org/wiki/spectrometer — открытая база спектров. Вы можете:
- Загрузить свои спектры
- Сравнить с мировой базой
- Участвовать в мониторинге: спектры нефтяного загрязнения, состав атмосферы
Вопросы для обсуждения
- Почему линии Фраунгофера тёмные, хотя атомы натрия и кальция могут испускать свет? (Поглощение в холодной фотосфере)
- Как по спектру звезды определить, удаляется она или приближается? (Доплеровский сдвиг)
- Почему водород — самый распространённый элемент во Вселенной — даёт лишь 4 видимые линии, а не сотни?
- Что такое «красное смещение» и как Хаббл использовал спектры для открытия расширения Вселенной?
- Можно ли определить по спектру звезды, есть ли рядом с ней планеты? (Метод радиальных скоростей)
Связи с другими экспериментами
- camera-obscura — коллимация, принципы геометрической оптики
- color-opponency — что такое цвет с точки зрения восприятия
- color-mixing — аддитивный синтез и спектр
- telescope-diy — навести готовый телескоп + спектрограф = звёздная спектроскопия
- chizhevsky — солнечная активность: спектроскопия помогает изучать Солнце