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Das Spektrometer

Die Beobachtung, dass weißes Licht eine Überlagerung aller Frequenzen der sichtbaren Strahlung ist, war ein wichtiger Schritt hin zur modernen Optik.

Für die Spektralzerlegung des Lichts ist ein dispersives Element, also ein Prisma oder ein Gitter notwendig, es ist das zentrale Bauteil jedes Spektroskops.

Spektroskopische Beobachtungen trugen entscheidend zum Verständnis des Atom- und Molekülaufbaus bei und gaben damit wichtige Impulse bei der Entwicklung der Quantenmechanik.

Auch in der modernen Physik und Chemie sowie in der Technik  sind Spektrometer wichtige Werkzeuge.
Jedes dieser Anwendungsgebiete stellt andere Anforderungen an das zu benutzende Spektrometer, daher ist es wichtig zu verstehen, welche Aufgaben die einzelnen optischen Komponenten eines Spektrometers erfüllen.
 

Die untenstehende Animation zeigt einen Spektrometeraufbau. Er ist allerdings in dieser Form nicht mehr im Schülerlabor vorhanden (die Komponenten wurden durch modernere und handlichere ersetzt), das Prinzip ist jedoch auch im aktuellen Aufbau dasselbe.

Arbeitsblätter zu den Spektrometer-Versuchen finden Sie im Downloadbereich.

Zunächst wird nun der Aufbau des Eigenbau-Spektrometers vorgestellt.



Das Eigenbau-Spektrometer

Das Spektrometer ist so konzipiert, dass die Schüler das Spektrometer selbst aufbauen können, prinzipiell stehen für den Aufbau des Spektrometers folgende Komponenten zur Verfügung

  • verschiedene Lichtquellen
  • verschiedene Linsen
  • ein verstellbarer Spalt
  • verschiedene Gitter sowie ein Prisma
  • Beobachtungsschirme

In unserem neuen Aufbau wird der Strahl nicht mehr über diverse Spiegel und Hohlspiegel umgelenkt, da er deutlich kompakter ist als der in der obigen Animation gezeigte, wie man in der Abbildung 1 sieht. Neben 3 Linsen zur Strahlkollimation erkennt man den verstellbaren Spalt, das Reflexionsgitter, eine fokussierende Linse zwischen Spalt und Gitter und den Beobachtungsschirm mit kontinuierlichem Spektrum einer Glühlampe.

Eigenbau Spektrometer

Abb. 1: Neuer Spektrometer-Aufbau im Schülerlabor

 

Nachdem alle Komponenten ihren richtigen Platz haben und die richtigen Einstellungen gefunden worden sind, kann man auf dem Beobachtungsschirm ein Spektrum erkennen. Neben dem abgebildeten Reflexionsgitter steht außerdem ein Prisma zur Verfügung. Somit können Gitter- und Prismenspektrometer auf sehr einfache Weise aufgebaut werden.
In der Forschung bzw. Technik wird der Schirm meist durch einen Photodetektor ersetzt, sodass das Spektrum elektronisch ausgewertet werden kann.
Im Rahmen des Schülerlabors soll aber das Spektrum visuell erfahrbar sein, da ein solches Spektrum viel eindrucksvoller ist, als eine Auftragung der Intensität gegen die Wellenlänge am Bildschirm.

Im Folgenden werden nun mögliche Versuche vorgestellt, mit denen die Einflüsse der einzelnen Komponenten auf das Spektrum gezeigt werden können.


 

Mögliche Versuche

Wichtige Kenngrößen eines Spektrometers sind

  • sein spektrales Auflösungsvermögen, also die Fähigkeit, eng benachbarte Wellenlängen trennen zu können
  • die Intensität des Spektrums. Ist diese zu gering, kann das Spektrum nicht mehr wahrgenommen werden

Folgende Einflüsse auf diese Größen können untersucht werden:

  • Einfluss des Gitters (genauer der Gitterkonstante) auf das Auflösungsvermögen
  • Einfluss des Gitters auf die Intensität des Spektrums
  • Einfluss der Spaltbreite auf das Auflösungsvermögen
  • Einfluss der Spaltbreite auf die Intensität

Da die Spektralzerlegung auf der Beugung an einem Gitter beruht, spielt auch die Ordnung, in  welcher gemessen wird, eine Rolle, auch dieser Einfluss kann untersucht werden.

Desweiteren können Gitter- und Prismenspektrometer verglichen werden.

Im Folgenden werden nun die Grundlagen erarbeitet, die für das Verständnis des Spektrometers von Bedeutung sind.

Zunächst werden anhand des Doppelspalts einige Grundlagen wiederholt, die für das Verständnis von Interferenzmustern wichtig sind.
Danach wird untersucht, was sich ändert, wenn ein weiterer Spalt hinzukommt, also ein Dreifachspalt vorliegt.
Zum Schluss werden die gefundenen Erkenntnisse auf ein Gitter mit N Spalten verallgemeinert.

Weiter zum Doppelspalt.