Home | deutsch | Legals | KIT

Das Spektrometer

Einleitung

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.
 
Im Schülerlabor ist ein Spektrometer in der so genannten Czerny-Turner Anordnung aufgebaut, dieses lässt eine große Dimensionierung zu und ist damit optimal zum Experimentieren mit den verschiedenen Komponenten geeignet.

Nachdem das Prinzip eines Spektrometers verstanden ist, stellt auch ein kommerzielles Spektrometer keine Blackbox mehr da.

Daher steht auch ein solches Spektrometer zur Verfügung, welches aufgrund seiner Kompaktheit bestens für verschiedenste Experimente geeignet ist, an einem Notebook können sofort die Spektren verschiedener Lichtquellen betrachtet werden.

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
  • ein verstellbarer Spalt
  • sphärische Hohlspiegel
  • eine drehbare Halterung für verschiedene Gitter
  • Beobachtungsschirme

Darüber hinaus stehen noch mehrere Linsen, Spiegel und Blenden zur Verfügung, welche für die Lichteinkopplung benötigt werden, diese spielt eine wichtige Rolle, da das Gitter optimal ausgeleuchtet sein muss.

Da sich all diese Komponenten auf optischen Bänken befinden und z.B. auch die Spaltbreite einstellbar ist, kann der Einfluss jeder  Komponente untersucht werden.

Nachdem alle Komponenten ihren richtigen Platz und die richtigen Einstellungen gefunden worden sind, kann man auf dem Beobachtungsschirm ein Spektrum erkennen.
In der Forschung bzw. Technik wird der Schirm meist durch ein 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.
Für weitergehende Versuche steht aber auch eine Webcam zur Verfügung, mit der das visuelle Spektrum in den Computer übertragen lässt, wo es dann mit einer Software ausgemessen werden kann.

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.

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 zu Doppelspalt.



 

 

Sie sehen die Animation nicht? Gehen Sie zu Hinweise zur Technik
Sie sehen die Animation nicht? Gehen Sie zu Hinweise zur Technik

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
  • ein verstellbarer Spalt
  • sphärische Hohlspiegel
  • eine drehbare Halterung für verschiedene Gitter
  • Beobachtungsschirme

Darüber hinaus stehen noch mehrere Linsen, Spiegel und Blenden zur Verfügung, welche für die Lichteinkopplung benötigt werden, diese spielt eine wichtige Rolle, da das Gitter optimal ausgeleuchtet sein muss.

Da sich all diese Komponenten auf optischen Bänken befinden und z.B. auch die Spaltbreite einstellbar ist, kann der Einfluss jeder  Komponente untersucht werden.

Nachdem alle Komponenten ihren richtigen Platz haben und die richtigen Einstellungen gefunden worden sind, kann man auf dem Beobachtungsschirm ein Spektrum erkennen.
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.
Für weitergehende Versuche steht aber auch eine Webcam zur Verfügung, mit der sich das visuelle Spektrum in den Computer übertragen lässt, wo es dann mit einer Software ausgemessen werden kann.

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.

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.