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Low-Cost-Spektroskopie mit Digitalkamera

Das Thema der Spektroskopie ist eins der interessantesten der Physik, scheitert in der Schule aber häufig an den Kosten für die Gerätschaft. Die PdN 6/63 (Sep. '14) diente als Anleitung dieses "Projektes". Die für den Aufbau notwendigen Materialien sind überwiegend in Baumärkten zu finden oder können online geordert werden.

Aufbau

Material und Kosten

  • Alte Digitalkamera Sony DSC-S950 10,1MP (ein paar Euro bei Ebay)
  • PVC Trägerplatte; schwarz; ca. 350 x 120mm; www.plattenzuschnitt24.de
  • 2x Mastschelle; 50mm
  • 20x Plastikunterlegscheibe
  • 8x M5x20 Schraube mit Mutter und Unterlegscheiben
  • 1x Tonpapier; schwarz
  • 1x Rohrkappe; schwarz, 50mm
  • 1x Rasierklinge
  • 1x Durchlichtbeugungsgitter; 1000 Linien/mm; 150 x 38mm; www.astromedia.de
  • 1x Linsenkopffotoschraube; 1/4 Zoll; 13mm
  • PVC Rohr; anthrazit; 1000 x 50mm
  • Tesafilm

Die Gesamtkosten belaufen sich auf ca. 38€.

Anmerkungen

PVC-Rohr Abschirmung von Fremdlicht; Innenwand sollte reflexionsarm sein; ca. 35cm Länge im 30° Winkel angeschnitten; Winkel ergibt sich aus dem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes und der Gitterkonstanten (siehe Durchlichtbeugungsgitter); 50mm Durchmesser erlaubt die Aufnahme des gesamten Objektives und führt zu geringen Einwirkungen von Fremdlicht.

Durchlichtbeugungsgitter Gitterkonstante 1µm (1000 Linien pro 1mm); als Folie gut zuschneidbar; die Drehung der Kamera mit am Objkektiv angebrachten Durchlichtbeugungsgitter lässt die Gitterkonstante kleiner wirken.

Tonpapier unterbindet störende Reflexionen an Rohrinnenwand.

Befestigungsmaterial Trägerplatte; Rohrschellen; Schrauben; etc.; Fixierung der Position von Rohr zu Kamera; Justierung und Reproduktion dadurch erst möglich.

Digitalkamera ab 4MP sinnvoll; optischer zoom sinnvoll; Makrofunktion oder Fokus auf nah liegende Objekte notwendig.

Rohrkappe lichtdichter und stabiler Abschluss der Rohröffnung; ermöglicht das Einbringen eines Spaltes (z.B. mit einem Dremmel) und dessen Optimierung mit einer Rasierklinge (Spaltbreite kleiner 1mm und saubere Kanten); der Spalt beeinflusst die Qualität/Auflösung der Spektrallinien.

Rasierklinge definierte Kanten des Spaltes; Befestigung auf Innenseite der Rohrkappe verringert die Verletzungsgefahr, mit dicken Fingern aber schwierig.

Alternative Aufbauten

HT-Rohre (Sanitärinstallation) mit HT-Bogen kombinieren; die HT-Bögen sind in unterschiedlichen Winkeln (in 15°-Schritten) erhältlich und erübrigen ein Zuschneiden; Papprohre bieten eine leicht zu verarbeitende Alternative; das Spaltmaß von Lego ist auch geeignet.

Justierung und Auswertung

Eine Justierung erfolgt über eine Referenzlichtquelle, deren Spektrum bekannt ist, in der Regel eine Hg-Lampe (mit Vorschaltgerät). Den Spektrallinien der Hg-Lampe kann über die horizontale Seitenlänge (in Pixel) eine x-Position zugeordnet werden. Für die verwendete Digi-Cam (3648x2056) entsteht folgende Tabelle:

  • Violett: 404,7 nm; 1034 px
  • Blau: 435,8 nm; 1288 px
  • Blau: 491,6 nm; 1734 px
  • Grün: 546,1 nm; 2168 px
  • Orange: 577,0 nm; 2417 px
  • Orange: 579,1 nm; 2434 px

Die Aufnahme des Hg-Spektrums wurde mit 2,5-fach optischen Zoom durchgeführt. Bei allen folgenden Aufnahmen musste diese Einstellung beibehalten werden. Ist der optische Zoom zu groß gewählt, können an beiden Enden Spektrallinien unbeabsichtigt ausgeblendet werden. Die folgende Aufnahme (nicht in Originalauflösung) zeigt das Spektrum der Hg-Lampe.

Die Zuordnung der Wellenlängen zu den Pixel erlaubt die Bestimmung einer Regressionsgeraden. Durch eine Tabellenkalkulation lässt sich ein Diagramm erstellen, das für die Auswertung weiterer Spektren verwendet werden kann. Es lässt sich erkennen, dass der Bildbereich (bei 2,5-fach optischen Zoom) insgesamt ein Spektrum von ca. 275 nm (Pixel 0) bis ca. 730 nm (Pixel 3648) abdeckt.

Eine komfortablere Möglichkeit der Spektralanalyse bietet GeoGebra.

Anleitung GeoGebra Tool

Tool GeoGebra Spektralanalyse

Spektren

Einige Spektren mit reduzierter Auflösung.

Strassenleuchte Straßenleuchte

Tageslicht Tageslicht

Teelicht Teelicht

Leuchtstoffröhre Leuchtstoffröhre

LED LED-Strahler, 4W, 2700K

LED gelb LED, gelb

Schwarzlicht Schwarzlichtlampe

Glühlampe klar Glühlample, klar

(2008/2009)

A|bi|li|ty

Ability (lat.-fr.-engl.): (Psychol.) die durch Veranlagung oder Schulung bedingte Fähigkeit des menschen, Leistung hervorzubringen.