Spektrinė analizė namuose. Naminis spektrometras iš juvelyrinio spektroskopo Kaip pasidaryti spektrometrą iš mobiliojo telefono

Dabar savo rankomis surinksime dvi difrakcijos spektroskopo versijas. Spektroskopas yra prietaisas, leidžiantis tirti šviesos spektrą, dalijant jo spektrinius komponentus išilgai tam tikros ašies. Šviesa gali būti suskirstyta į monochromatines bangas pagal dispersijos arba difrakcijos reiškinį. IN tokiu atveju Naudosime difrakciją, nes po ranka turime puikią difrakcijos grotelę – kompaktinį diską!

Mums reikės nedidelės kartoninės dėžutės, kompaktinio disko, klijų ir nepermatomo vamzdelio okuliarui.

Naudodami žirkles iškirpkite kompaktinio disko gabalėlį, kad jis atitiktų dėžutės dydį:

Pažymėkime dėžutę, kad okuliaras būtų tinkamai sumontuotas. Iš optikos žinome, kad kritimo kampas lygus kampui atspindžiai. Bet taip matysime langą, pro kurį prasiskverbs šviesa, o ne difrakcijos maksimumus, todėl paliksime tarpą į dešinę nuo būsimo lango linijos.

Tada, uždarę langelį, pasirinksime tinkama vieta patekti į šviesą. Norėdami tai padaryti, mes atsargiai pradursime skylę ir stebėsime per okuliarą. Jei okuliare matome tiesiogiai atsispindinčią šviesą, tada skylę užsandariname ir šiek tiek toliau praduriame naują. Ir taip toliau, kol okuliare bus matoma daug spalvotų taškų, išdėstytų išilgai linijos. Tada išpjauname langą:

Ant lango sumontuosime iš dviejų skutimosi peiliukų pagamintą lengvą peilį – kad į dėžę patektų siauriausias šviesos spindulys – taip matysime kuo aiškesnį vaizdą.

Jei viskas pavyko, okuliare matysime praskiestą spektrą. Jei spektras nėra ištisinis (pavyzdžiui, iš LDS ar dujų išlydžio lempų), pamatysime linijų rinkinį. Kiekviena eilutė yra vienspalvis komponentas. Tas, kuris yra nuotraukoje viršutinė linija tikrai giliai violetinė, fotoaparatas tiesiog iškraipė spalvą.

Antras variantas

Padarykime miniatiūrinį spektroskopą, kuris veiktų skleidžiamoje šviesoje. Norėdami tai padaryti, iškirpkite kompaktinį diską, kaip ir pirmajame variante.

Draugai, artėja penktadienio vakaras, tai nuostabus intymus metas, kai prisidengus viliojančia prieblanda, galima išsitraukti spektrometrą ir matuoti kaitrinės lempos spektrą visą naktį, iki pat pirmųjų tekančios saulės spindulių. saulei tekant, išmatuokite jos spektrą.
Kodėl jūs vis dar neturite savo spektrometro? Nesvarbu, pasinerkime ir ištaisykime šį nesusipratimą.
Dėmesio! Šis straipsnis nepretenduoja į visavertę pamoką, bet galbūt per 20 minučių nuo jo skaitymo išskaidysite savo pirmąjį spinduliuotės spektrą.

Žmogus ir spektroskopas

Pasakysiu tokia tvarka, kokia aš pats perėjau visus etapus, galima sakyti, nuo blogiausio iki geriausio. Jei kas nors iš karto sutelkia dėmesį į daugiau ar mažiau rimtą rezultatą, pusę straipsnio galima saugiai praleisti. Na, o žmonėms su kreivomis rankomis (kaip ir aš) ir tiesiog smalsuoliams nuo pat pradžių bus įdomu paskaityti apie mano išbandymus.
Internete sklando pakankamai medžiagos, kaip savo rankomis iš laužo medžiagų surinkti spektrometrą/spektroskopą.
Norint įsigyti spektroskopą namuose, paprasčiausiu atveju visai nereikės - CD/DVD ruošinio ir dėžutės.
Mano pirmieji eksperimentai tiriant spektrą buvo įkvėpti šios medžiagos – Spektroskopijos

Tiesą sakant, dėka autoriaus darbo, aš surinkau savo pirmąjį spektroskopą iš DVD disko difrakcijos gardelės ir Kartoninė dėžutė iš po arbatos, o dar anksčiau prieš tai man tereikėjo storo kartono gabalo su lizdu ir pralaidžiomis grotelėmis iš DVD disko.
Negaliu sakyti, kad rezultatai buvo stulbinantys, tačiau pirmuosius spektrus gauti buvo visiškai įmanoma; proceso nuotraukos stebuklingai buvo išsaugotos po spoileriu

Spektroskopų ir spektro nuotraukos

Pats pirmasis variantas su kartono gabalėliu

Antras variantas su arbatos dėžute

Ir užfiksuotas spektras

Vienintelis dalykas mano patogumui, jis pakeitė šis dizainas USB vaizdo kamera, ji pasirodė taip:

spektrometro nuotrauka

Iš karto pasakysiu, kad ši modifikacija išlaisvino mane nuo poreikio naudoti mobiliojo telefono kamerą, tačiau buvo vienas trūkumas: fotoaparato nepavyko sukalibruoti pagal Spectral Worckbench paslaugos nustatymus (kurie bus aptariami toliau). Todėl aš negalėjau užfiksuoti spektro realiu laiku, tačiau buvo visiškai įmanoma atpažinti jau surinktas nuotraukas.

Tarkime, kad nusipirkote arba surinkote spektroskopą pagal anksčiau pateiktas instrukcijas.
Po to sukurti sąskaitą PublicLab.org projekte ir eikite į SpectralWorkbench.org paslaugos puslapį Toliau aprašysiu spektro atpažinimo techniką, kurią naudojau pats.
Pirmiausia turėsime sukalibruoti savo spektrometrą. Norėdami tai padaryti, turėsite gauti fluorescencinės lempos, pageidautina didelės lubinės lempos, spektro momentinį vaizdą, tačiau tiks ir energiją taupanti lempa.
1) Spustelėkite mygtuką Užfiksuoti spektrus
2) Įkelti vaizdą
3) Užpildykite laukus, pasirinkite failą, pasirinkite naują kalibravimą, pasirinkite įrenginį (galite pasirinkti mini spektroskopą arba tiesiog individualų), pasirinkite, ar jūsų spektras yra vertikalus ar horizontalus, kad būtų aišku, kad ekrano kopijoje esantys spektrai ankstesnės programos yra horizontalios
4) Atsidarys langas su grafikais.
5) Patikrinkite, kaip jūsų spektras pasuktas. Kairėje turėtų būti mėlynas diapazonas, o dešinėje - raudonas. Jei taip nėra, pasirinkite daugiau įrankių – apvertimo horizontaliai mygtuką, po kurio matome, kad vaizdas pasisuko, bet grafikas ne, todėl spustelėkite daugiau įrankių – iš naujo ištraukite iš nuotraukos, visos smailės vėl atitinka tikras smailes.

6) Paspauskite mygtuką Kalibruoti, paspauskite Pradėti, pasirinkite mėlyną smailę tiesiai grafike (žr. ekrano kopiją), paspauskite LMB ir vėl atsidarys iššokantis langas, dabar reikia paspausti baigti ir pasirinkti atokiausią žalią smailę, po kurios puslapis bus atnaujintas ir gausime kalibruoto bangos ilgio vaizdą.
Dabar galite užpildyti kitus tiriamus spektrus; prašydami kalibravimo turite nurodyti grafiką, kurį jau kalibravome anksčiau.

Ekrano kopija

Sukonfigūruotos programos tipas

Dėmesio! Kalibruojant daroma prielaida, kad vėliau fotografuosite tuo pačiu įrenginiu, kuris buvo sukalibruotas. Keičiant įrenginyje esančių vaizdų skiriamąją gebą; stiprus nuotraukos spektro poslinkis, palyginti su kalibruoto pavyzdžio padėtimi, gali iškraipyti matavimo rezultatus.
Sąžiningai, aš šiek tiek redagavau savo nuotraukas redaktoriuje. Jei kur nors buvo šviesa, tamsinau aplinką, kartais šiek tiek pasukau spektrą, kad gautųsi stačiakampis vaizdas, bet dar kartą geriau nekeisti failo dydžio ir vietos, palyginti su paties spektro vaizdo centru.
Siūlau pačiam išsiaiškinti likusias funkcijas, tokias kaip makrokomandos, automatinis ar rankinis ryškumo reguliavimas, mano nuomone, jos nėra tokios kritiškos.
Tada patogu gautus grafikus perkelti į CSV, kuriame pirmasis skaičius bus trupmeninis (tikriausiai trupmeninis) bangos ilgis, o atskirtas kableliu bus vidutinė santykinė spinduliuotės intensyvumo reikšmė. Gautos vertės gražiai atrodo grafikų pavidalu, sukurtų, pavyzdžiui, „Scilab“.

SpectralWorkbench.org turi programėlių išmaniesiems telefonams. Aš jų nenaudojau. todėl negaliu įvertinti.

Spalvingos dienos visomis vaivorykštės spalvomis, draugai.

Ankstesniuose straipsniuose aprašiau, kaip išbandžiau įvairius šviesos diodus augalams. Norėdami išanalizuoti spektrą, kai kuriuos paėmiau iš draugo fizikos mokytojo.

Tačiau tokio prietaiso poreikis atsiranda periodiškai ir po ranka norėtųsi turėti spektroskopą, o dar geriau – spektrometrą.

Mano pasirinkimas – juvelyrinis spektroskopas su difrakcine gardele

Kadangi prekė buvo skirta juvelyrams, ji buvo su "odiniu" dėklu

Spektroskopas yra mažo dydžio

Kas dar buvo aišku iš parduotuvės aprašymo
Viskas surinkta sandariai, todėl nebus išardyta.
Taip pat patikėkime, kad vienoje vamzdžio pusėje yra objektyvas, kitoje – difrakcijos grotelės ir apsauginis stiklas.

O viduje – graži vaivorykštė. Iki širdies gelmių susižavėjęs ėmiau ieškoti į ką spektre pasižiūrėti.
Deja, spektroskopo naudoti pagal paskirtį nebuvo įmanoma, nes visa mano deimantų kolekcija ir Brangūs akmenys ribotas Vestuvinis žiedas, visiškai nepermatomas ir nesuteikiantis jokio spektro. Na, galbūt degiklio liepsnoje))).
Tačiau gyvsidabrio fluorescencinė lempa sąžiningai gamino daug gražių juostelių. Pasigrožėjau juo iki širdies gelmių įvairių šaltiniųŠviesą glumino klausimas, kad reikia kažkaip užfiksuoti vaizdą ir išmatuoti spektrą.

Šiek tiek pasidaryk pats

Jau senokai galvoje sukosi fotoaparato tvirtinimo paveikslėlis, o po stalu stovėjo naujausio modernizavimo dar nepatyręs, bet gana sėkmingai su PVC plastiku susitvarkantis fotoaparatas.

Dizainas pasirodė ne itin gražus. Vis dėlto aš visiškai neįveikiau X ir Y reakcijos. Nieko, rutuliniai varžtai jau surinkti ir laukia, kol atvažiuos atraminiai linijiniai bėgiai.

Tačiau funkcionalumas pasirodė gana priimtinas, kad vaivorykštė būtų rodoma sename „Canon“, kuris ilgą laiką buvo nenaudojamas.

Tiesa, čia manęs laukė nusivylimas. Graži vaivorykštė tapo kažkaip diskretiška.

Dėl visko kalta bet kurios kameros RGB matrica. Žaidimas su balanso nustatymais baltas ir fotografavimo režimus, susitaikiau su nuotrauka.
Juk šviesos lūžimas nepriklauso nuo to, kokia spalva užfiksuotas vaizdas. Spektrininei analizei tiktų nespalvota kamera, kurios jautrumas būtų vienodesnis per visą matavimo diapazono plotį.

Spektrinės analizės technika.

Bandymų ir klaidų būdu ši technika buvo sukurta
1. Nubraižytas matomos šviesos diapazono (400-720 nm) skalės paveikslas, joje nurodytos pagrindinės kalibravimui skirtos gyvsidabrio linijos.

2. Imami keli spektrai, visada su etaloniniu gyvsidabriu. Nuotraukų serijoje būtina fiksuoti spektroskopo padėtį ant objektyvo, kad būtų išvengta horizontalaus spektro poslinkio iš nuotraukų serijos.

3. Grafiniame redaktoriuje skalė pritaikoma prie gyvsidabrio spektro, o visi kiti spektrai masteliai keičiami be horizontalaus poslinkio redaktoriuje. Pasirodo, kažkas tokio

4. Na, tada viskas įdėta į mobiliojo telefono spektrometro analizatoriaus programą iš šio straipsnio

Metodą išbandome žaliuoju lazeriu, kurio bangos ilgis žinomas – 532 nm

Paaiškėjo, kad paklaida yra apie 1%, o tai labai gerai naudojant rankinį gyvsidabrio linijų koregavimo ir skalės piešimo beveik ranka metodą.
Pakeliui sužinojau, kad žalieji lazeriai nėra tiesioginė spinduliuotė, kaip raudona ar mėlyna, bet naudoja kietojo kūno diodų siurbimą (DPSS) su krūva antrinės spinduliuotės. Gyvenk ir mokykis!

Raudonojo lazerio bangos ilgio matavimas taip pat patvirtino technikos teisingumą

Tiesiog dėl malonumo išmatavau žvakės spektrą

ir deginant gamtines dujas

Dabar galite išmatuoti šviesos diodų spektrą, pavyzdžiui, „visą spektrą“ augalams

Spektrometras paruoštas ir veikia. Dabar jį panaudosiu ruošdamas kitą apžvalgą – LED charakteristikų palyginimą skirtingų gamintojų, ar kinai mus apgaudinėja ir kaip teisingai pasirinkti.

Trumpai tariant, esu patenkintas rezultatu. Gali būti prasminga prijungti spektroskopą prie internetinės kameros nuolatiniam spektro matavimui, kaip ir šiame projekte

Spektrometrą išbando mano padėjėjas

Norėdami sužinoti, kokį spalvų spektrą skleidžia tam tikra lemputė jūsų namuose, turėsite naudoti prietaisą, vadinamą spektrometru. Gamykliniai modeliai yra labai brangūs, todėl galite juos pagaminti naminis variantas iš laužo medžiagų. Tai padaryti labai paprasta, nes šiuo atveju nereikia ypatingo tikslumo.

Pagrindiniai darbo etapai

Primityviausia spektrometro versija gali būti pagaminta iš storo popieriaus arba kartonas. Bet atkreipkite dėmesį į tai vidinė dalis Korpusas turi būti tamsus, kad neatsispindėtų, o sugertų šviesą. Šiuo tikslu galite naudoti įprastą juodą žymeklį (tai yra, jums tiesiog reikia dažyti ant kartono).

Norint gauti skleidžiamos šviesos spektrą, jums taip pat reikės difrakcijos gardelės, kurią geriausia padaryti iš optinio DVD. Jums tereikia iškirpti dalį iš kompaktinio disko stačiakampio formos, tada atskirkite plokštes. Difrakcinei gardelei reikalingas skaidrus sluoksnis.

Stačiakampę plokštę priklijuojame prie kartono, o tada – patį korpusą. Naminis spektrometras veikia labai paprastai – tiesiog nukreipkite jį į šviesos šaltinį namuose ir pažiūrėkite į skaidrią plokštelę, iškirptą iš DVD. Jei atremsite į jį savo išmaniojo telefono kamerą, galėsite fotografuoti ir naudoti jas tam tikros lemputės spektrui analizuoti.

Spektrometras su vaizdo kamera

Visgi turime pripažinti, kad fotografuoti išmaniuoju telefonu nėra visai patogu. Geriausia stebėti šviesos šaltinį realiu laiku. Norėdami tai padaryti, vietoj išmaniojo telefono „akies“ prie plokštės reikia atremti įprastą kompiuterio internetinę kamerą.

Chemijos profesorius Alexander Scheeline iš Ilinojaus universiteto pagamino spektrometrą iš mobiliojo telefono, kad sudomintų moksleivius į analitinę chemiją.

Profesorius surinko chemiko pagrindinį mokslinį instrumentą iš nebrangios medžiagos ir skaitmeninis fotoaparatas. Spektrofotometrija yra viena iš plačiausiai naudojamų medžiagų identifikavimo ir kiekybinio įvertinimo priemonių. Jei, pavyzdžiui, reikia išmatuoti baltymų kiekį mėsoje, vandens grūduose ar geležies kiekį kraujyje, spektrometras.

Studentas negali įvertinti spektrofotometrijos atlikimo, jei naudojasi paslaptinga laboratorinio spektrometro „dėžute“. Jis nesupranta, kas vyksta viduje, ir tiesiog pakeičia mėginius ir užrašo rezultatus“, – aiškina Aleksandras Ščilinas. – Tai nepadeda mokymosi procesui. Jei norite išmokyti ką nors kūrybiškai naudoti įrankį ir jį patobulinti, jums reikia kažko paprastesnio ir aiškesnio“.

Ryžiai. 1. Tai viskas, ko jums reikia spektrometrui pagaminti.

Jei norite atkreipti dėmesį į instrumento trūkumus, tai daug lengviau, kai šie trūkumai yra labai dideli ir jų nekompensuoja įrenginių ir nustatymų sudėtingumas“, – aiškina Aleksandras Ščilinas.

Spektrometre balta šviesa praeina per medžiagos pavyzdį, kuris sugeria tam tikrus šviesos bangos ilgius. Tada difrakcijos gardelė padalija šviesą į spalvas, o chemikai gali analizuoti spektrą, kad nustatytų mėginio savybes.

Ryžiai. 2. Surinktas spektrometras. Šviesos diodas apšviečia kiuvetę, esančią tiesiai priešais tinklelį, pritvirtintą permatoma juosta.

Profesorius Shchilin jį naudojo kaip šviesos šaltinį Šviesos diodas, maitinamas 3 voltų baterija. JAV nesunku nusipirkti difrakcinę gardelę ir kiuvetes mėginiams, o galiausiai visa įranga kainuoja mažiau nei 3 dolerius, beliko susirasti tinkamą skaitmeninį fotoaparatą, o tada mokslininkas prisiminė, kad kiekvienas moksleivis ir studentas turi mobilųjį telefoną. Po to belieka išspręsti duomenų apdorojimo problemą. Norėdami tai padaryti, profesorius parašė programą, skirtą spektrams iš nuotraukų analizuoti jpeg formatu ir paskelbė Nemokama prieiga internete kartu su šaltinio kodais.

Pirmą kartą Aleksandras Ščilinas savo išradimą pademonstravo dirbdamas mainų programoje Hanojuje (Vietnamas). Vietnamo studentai neturėjo patirties su moksliniais instrumentais, tačiau entuziastingai pradėjo eksperimentuoti su mobiliojo telefono spektrometru.

Ryžiai. 3. Mobilusis telefonas Tikslus spektrometras neatstos rimtų mokslinių tyrimų, tačiau ne kiekvienas moksleivis turi 3000 USD kišenpinigių pomėgiui.

Jungtinėse Valstijose profesorius per pamokas naudojo naminį spektrometrą vidurinė mokykla. Iki 45 minučių trukmės pamokos pabaigos mokiniai išmoko dalykų, kurių dauguma mokinių, besinaudojančių tik vadovėliais, nepastebi. Pavyzdžiui, vienas studentas paklausė apie išsklaidytos šviesos poveikį kameros jautrumui ir jos gebėjimui nuskaityti spektrą.

Gimnazistas, prieš valandą beveik nieko nežinojęs apie spektrofotomeriją, atrado pagrindinę visų spektrometrų problemą, – džiaugiasi Aleksandras Ščilinas. „Nuo pat tada, kai pradėjau dėstyti, savo mokiniams bandžiau paaiškinti, kaip išsklaidyta šviesa veikia spektrometrą ir kaip ši problema turi įtakos įrangos veikimui. Ir staiga pamačiau, kaip pats moksleivis suprato šios problemos esmę ir uždavė man teisingą klausimą!

Mokslininkas mielai dalijasi savo išradimu mokyklos mokytojai ir universiteto dėstytojai įvairiuose seminaruose ir internetu. Jis tikisi, kad jo išradimas bus patobulintas, pavyzdžiui, parašius vaizdo apdorojimo programą išmaniesiems telefonams, todėl nebereikės naudotis kompiuteriu. Mobiliojo telefono spektrometras gali sužavėti daug žmonių apie analitinę chemiją, kuri daugeliui atrodo sudėtingas ir nesuprantamas mokslas. Tačiau Aleksandro Ščilino išradimas įrodo, kad įgimtą žmogaus smalsumą pažadinti nesunku – užtenka pasiūlyti paprastus, suprantamus ir įdomius kūrybinius eksperimentus.

Pasirinkti įvertinimą Prastas Žemiau vidutinis Normalus Geras Puikus