Evde spektral analiz. Mücevher spektroskopundan ev yapımı spektrometre Cep telefonundan spektrometre nasıl yapılır

Şimdi kırınım spektroskopunun iki versiyonunu kendi ellerimizle birleştireceğiz. Spektroskop, spektral bileşenlerini belirli bir eksene bölerek ışık spektrumunu incelemenizi sağlayan bir cihazdır. Işık, dağılım veya kırınım olgusu yoluyla monokromatik dalgalara bölünebilir. İÇİNDE bu durumda Elimizde harika bir kırınım ızgarası olduğundan kırınımı kullanacağız - bir CD!

Mercek için küçük bir karton kutuya, bir CD'ye, yapıştırıcıya ve opak bir tüpe ihtiyacımız olacak.

Makas kullanarak CD'nin bir parçasını kutunun boyutuna uyacak şekilde kesin:

Merceğin doğru takılabilmesi için kutucuğu işaretleyelim. Optiklerden geliş açısının olduğunu biliyoruz. açıya eşit yansımalar. Ancak bu şekilde kırınım maksimumunun değil, ışığın geçeceği bir pencere göreceğiz, böylece gelecekteki pencerenin çizgisinin sağında bir boşluk bırakacağız.

Daha sonra kutuyu kapatarak seçeceğiz uygun yerışığa girmek. Bunu yapmak için dikkatlice bir delik açıp mercekten gözlemleyeceğiz. Göz merceğinde doğrudan yansıyan ışık görürsek, deliği kapatır ve biraz daha ileriye yeni bir delik açarız. Ve bu, göz merceğinde çizgi boyunca sıralanan çok sayıda renkli nokta görünene kadar devam eder. Sonra bir pencere keseceğiz:

Pencereye iki jiletten yapılmış hafif bir bıçak takalım - böylece en dar ışık huzmesi kutuya girecek - böylece mümkün olan en net resmi göreceğiz.

Her şey yolunda giderse, göz merceğinde seyreltilmiş bir spektrum göreceğiz. Spektrum sürekli değilse (örneğin LDS veya gaz deşarjlı lambalardan), o zaman bir dizi çizgi göreceğiz. Her çizgi tek renkli bir bileşendir. Fotoğraftaki üst sıra gerçekten derin mor, kamera sadece rengi bozdu.

İkinci seçenek

İletilen ışıkta çalışan minyatür bir spektroskop yapalım. Bunu yapmak için ilk seçenekte olduğu gibi bir CD'yi kesin.

Arkadaşlar, Cuma akşamı yaklaşıyor, bu, çekici bir alacakaranlığın örtüsü altında, spektrometrenizi çıkarıp, yükselen güneşin ilk ışınlarına kadar bütün gece akkor lambanın spektrumunu ölçebileceğiniz harika ve samimi bir zamandır ve Güneş doğduğunda spektrumunu ölçün.
Neden hâlâ kendi spektrometreniz yok? Önemli değil, hadi kesimin altına girelim ve bu yanlış anlaşılmayı düzeltelim.
Dikkat! Bu makale tam teşekküllü bir eğitim gibi görünmüyor, ancak belki de onu okuduktan sonra 20 dakika içinde ilk radyasyon spektrumunuzu ayrıştırmış olacaksınız.

Adam ve spektroskop

Size en kötüsünden en iyisine kadar tüm aşamaları kendim geçtiğim sırayla anlatacağım. Birisi hemen az çok ciddi bir sonuca ulaşmayı hedefliyorsa, makalenin yarısı güvenle atlanabilir. Eh, çarpık ellere sahip insanlar (benim gibi) ve sadece meraklı insanlar, en başından beri benim çilelerimi okumakla ilgileneceklerdir.
Hurda malzemelerden kendi ellerinizle bir spektrometre/spektroskopun nasıl monte edileceğine dair internette yeterli miktarda malzeme dolaşmaktadır.
Evde bir spektroskop edinmek için en basit durumda çok fazla bir şeye ihtiyacınız olmayacak; boş bir CD/DVD ve bir kutu.
Spektrumu incelemeye yönelik ilk deneylerim bu materyalden ilham aldı - Spektroskopi

Aslında yazarın çalışması sayesinde ilk spektroskopumu bir DVD diskinin verici kırınım ızgarasından oluşturdum ve karton kutuçayın altından ve hatta ondan önce bile ihtiyacım olan tek şey, bir DVD diskinden bir yuva ve geçirgen bir ızgaraya sahip kalın bir karton parçasıydı.
Sonuçların çarpıcı olduğunu söyleyemem ama ilk spektrumları elde etmek oldukça mümkündü; sürecin fotoğrafları mucizevi bir şekilde spoiler altına kaydedildi.

Spektroskopların ve spektrumun fotoğrafları

Bir karton parçasıyla ilk seçenek

Çay kutusuyla ikinci seçenek

Ve yakalanan spektrum

Benim rahatlığım için tek şey, onu değiştirdi bu tasarım USB video kamera, şu şekilde ortaya çıktı:

spektrometrenin fotoğrafı

Hemen bu değişikliğin beni bir cep telefonu kamerası kullanma ihtiyacından kurtardığını söyleyeceğim, ancak bir dezavantaj vardı: kamera Spectral Worckbench hizmetinin ayarlarına göre kalibre edilemedi (bu aşağıda tartışılacaktır). Bu nedenle spektrumu gerçek zamanlı olarak yakalayamadım ancak önceden toplanmış fotoğrafları tanımak oldukça mümkündü.

Diyelim ki yukarıdaki talimatlara göre bir spektroskop satın aldınız veya monte ettiniz.
Bundan sonra oluştur hesap PublicLab.org projesinde ve SpectralWorkbench.org hizmet sayfasına gidin. Daha sonra size kendi kullandığım spektrum tanıma tekniğini anlatacağım.
Öncelikle spektrometremizi kalibre etmemiz gerekecek. Bunu yapmak için, bir floresan lambanın, tercihen büyük bir tavan lambasının spektrumunun anlık görüntüsünü almanız gerekecek, ancak enerji tasarruflu bir lamba da aynı işi görecektir.
1) Spektrumu yakala düğmesine tıklayın
2) Resim Yükle
3) Alanları doldurun, dosyayı seçin, yeni kalibrasyonu seçin, cihazı seçin (mini bir spektroskop veya sadece özel seçebilirsiniz), spektrumunuzun dikey mi yoksa yatay mı olduğunu seçin, böylece ekran görüntüsündeki spektrumların net olması sağlanır. önceki programın yatay olduğu
4) Grafiklerin olduğu bir pencere açılacaktır.
5) Spektrumun nasıl döndürüldüğünü kontrol edin. Solda mavi, sağda kırmızı bir aralık olmalıdır. Durum böyle değilse, daha fazla araç seçin - yatay olarak çevir düğmesini seçin, ardından görüntünün döndüğünü ancak grafiğin dönmediğini görürüz, bu nedenle daha fazla araca tıklayın - fotoğraftan yeniden çıkartın, tüm tepe noktaları yeniden gerçek tepe noktalarına karşılık gelir.

6) Kalibre Et düğmesine basın, başlat'a basın, doğrudan grafikteki mavi tepe noktasını seçin (ekran görüntüsüne bakın), LMB'ye basın ve açılır pencere tekrar açılır, şimdi bitir tuşuna basmamız ve en dıştaki yeşil tepe noktasını seçmemiz gerekiyor, ardından sayfa yenilenecek ve kalibre edilmiş bir dalga boyu görüntüsü elde edeceğiz.
Artık incelenmekte olan diğer spektrumları doldurabilirsiniz; kalibrasyon talebinde bulunurken daha önce kalibre ettiğimiz grafiği belirtmeniz gerekir.

Ekran görüntüsü

Yapılandırılmış programın türü

Dikkat! Kalibrasyon, kalibre edilen aynı cihazla daha sonra fotoğraf çekeceğinizi varsayar. Cihazdaki görüntülerin çözünürlüğünü değiştirmek; kalibre edilen örnekteki konuma göre fotoğraftaki spektrumda güçlü bir kayma, ölçüm sonuçlarını bozabilir.
Açıkçası editörde resimlerimi biraz düzenledim. Bir yerde ışık varsa, çevreyi kararttım, bazen dikdörtgen bir görüntü elde etmek için spektrumu biraz döndürdüm, ancak bir kez daha dosya boyutunu ve spektrumun kendi görüntüsünün merkezine göre konumunu değiştirmemek daha iyidir.
Makrolar, otomatik veya manuel parlaklık ayarı gibi geri kalan işlevleri kendiniz çözmenizi öneririm, bence o kadar da kritik değiller.
Daha sonra elde edilen grafikleri CSV'ye aktarmak uygundur; burada ilk sayı kesirli (muhtemelen kesirli) bir dalga boyu olacaktır ve virgülle ayrılmış olarak radyasyon yoğunluğunun ortalama bağıl değeri olacaktır. Elde edilen değerler, örneğin Scilab'da oluşturulmuş grafikler şeklinde güzel görünüyor

SpectralWorkbench.org'un akıllı telefonlar için uygulamaları var. Onları kullanmadım. bu yüzden değerlendiremiyorum.

Gökkuşağının tüm renkleriyle rengarenk bir gün geçirmenizi dileriz arkadaşlar.

Önceki yazılarımda çeşitli LED'leri bitkiler için nasıl test ettiğimi anlatmıştım. Spektrumu analiz etmek için bir arkadaşımın fizik öğretmeninden bazılarını aldım.

Ancak böyle bir cihaza olan ihtiyaç periyodik olarak ortaya çıkar ve bir spektroskopun veya daha iyisi bir spektrometrenin elinizin altında olması arzu edilir.

Benim tercihim kırınım ızgaralı bir mücevher spektroskopu

Ürün kuyumculara yönelik olduğu için “deri” bir kutuyla birlikte geldi.

Spektroskopun boyutu küçüktür

Mağaza açıklamasında başka neler açıkça görülüyordu
Her şey sıkı bir şekilde monte edilmiştir, bu nedenle parçalanma olmayacaktır.
Ayrıca tüpün bir tarafında objektif lens, diğer tarafında ise kırınım ızgarası ve koruyucu cam bulunduğunu düşünelim.

Ve içinde güzel bir gökkuşağı var. Buna gönül rahatlığıyla hayran kaldım ve yelpazede bakacak bir şey aramaya başladım.
Ne yazık ki spektroskopu amacına uygun kullanmak mümkün olmadı çünkü tüm elmas ve elmas koleksiyonum değerli taşlar sınırlı alyans, tamamen opaktır ve herhangi bir spektrum vermez. Belki bir brülörün alevinde))).
Ancak cıvalı floresan lamba gerçekten çok güzel çizgiler üretiyordu. Buna gönül rahatlığıyla hayran kaldım çeşitli kaynaklar Işık, bir şekilde resmi yakalamanın ve spektrumu ölçmenin gerekli olduğu sorusu karşısında şaşkına döndü.

Küçük bir Kendin Yap

Uzun zamandır kafamda bir kamera aparatının resmi dönüyordu ve masanın altında henüz en son modernizasyondan geçmemiş, ancak PVC plastikle oldukça başarılı bir şekilde başa çıkan bir kamera duruyordu.

Tasarımın pek güzel olmadığı ortaya çıktı. Ama yine de X ve Y'deki tepkileri tam anlamıyla atlatamadım. Hiçbir şey, vidalı miller zaten monte edilmiş durumda ve destekleyici lineer rayların gelmesini bekliyor.

Ancak işlevselliğin oldukça kabul edilebilir olduğu ortaya çıktı, böylece gökkuşağı uzun süredir boşta kalan eski bir Canon'da görüntülenecekti.

Doğru, burada beni hayal kırıklığı bekliyordu. Güzel gökkuşağı bir şekilde ayrık hale geldi.

Bunların hepsi herhangi bir kameranın RGB matrisinin hatasıdır. Denge ayarlarıyla oynamak beyaz ve çekim modları, resimle uzlaştım.
Sonuçta ışığın kırılması, görüntünün hangi renkte çekildiğine bağlı değildir. Spektral analiz için, ölçülen aralığın tüm genişliği boyunca en düzgün hassasiyete sahip siyah beyaz bir kamera uygun olacaktır.

Spektral analiz tekniği.

Deneme yanılma yoluyla bu yöntem geliştirildi
1. Görünür ışık aralığının (400-720 nm) ölçeğinin bir resmi çizilir ve üzerinde kalibrasyon için ana cıva çizgileri gösterilir.

2. Her zaman bir referans cıva ile çeşitli spektrumlar alınır. Bir dizi fotoğrafta, spektrumun fotoğraf serisinden yatay kaymasını hariç tutmak için spektroskopun lens üzerindeki konumunu sabitlemek gerekir.

3. Grafik düzenleyicide ölçek, cıva spektrumuna göre ayarlanır ve diğer tüm spektrumlar, düzenleyicide yatay kaydırma olmadan ölçeklendirilir. Bunun gibi bir şey ortaya çıkıyor

4. O halde bu makaledeki her şey Cep Telefonu Spektrometresi analiz programına aktarılmıştır.

Yöntemi, dalga boyu 532 nm olarak bilinen yeşil bir lazer üzerinde test ediyoruz.

Hatanın yaklaşık %1 olduğu ortaya çıktı; bu, cıva çizgilerinin manuel olarak ayarlanması ve ölçeğin neredeyse elle çizilmesi yöntemiyle çok iyi bir değerdir.
Yol boyunca, yeşil lazerlerin kırmızı veya mavi lazerler gibi doğrudan radyasyon olmadığını, bir grup ikincil radyasyonla birlikte katı hal diyot pompalama (DPSS) kullandığını öğrendim. Sonsuza kadar yaşa ve öğren!

Kırmızı lazerin dalga boyunun ölçülmesi de tekniğin doğruluğunu teyit etti

Sırf eğlence olsun diye mumun spektrumunu ölçtüm

ve doğal gazın yakılması

Artık LED'lerin spektrumunu ölçebilirsiniz; örneğin bitkiler için "tam spektrum"

Spektrometre hazır ve çalışıyor. Şimdi bunu bir sonraki incelemeye hazırlamak için kullanacağım - LED özelliklerinin karşılaştırması farklı üreticiler, Çinliler bizi kandırıyor mu ve doğru seçimi nasıl yapacağız?

Kısacası sonuçtan memnunum. Bu projede olduğu gibi sürekli spektrum ölçümü için spektroskopu bir web kamerasına bağlamak mantıklı olabilir

Asistanım tarafından spektrometrenin test edilmesi

Evdeki belirli bir ampulün hangi renk spektrumunu yaydığını bulmak için spektrometre adı verilen bir cihaz kullanmanız gerekecektir. Fabrika modelleri çok pahalıdır, bu yüzden bir tane yapabilirsiniz. ev yapımı versiyon hurda malzemelerden. Bu durumda özel bir hassasiyet gerekmediği için bunu yapmak çok kolaydır.

İşin ana aşamaları

Spektrometrenin en ilkel versiyonu şunlardan yapılabilir: kalın kağıt veya karton. Ama lütfen şunu unutmayın iç kısım Muhafaza ışığı yansıtmayacak, ancak emecek şekilde karanlık olmalıdır. Bu amaçla normal bir siyah kalem kullanabilirsiniz (yani kartonun üzerini boyamanız yeterlidir).

Yayılan ışığın spektrumunu elde etmek için, en iyi şekilde optik DVD'den yapılmış bir kırınım ızgarasına da ihtiyacınız olacaktır. CD'den bir parça kesmeniz yeterli dikdörtgen şekil, ardından plakaları ayırın. Kırınım ızgarası şeffaf bir katman gerektirir.

Dikdörtgen plakayı kartona yapıştırıyoruz ve ardından gövdenin kendisini yapıştırıyoruz. Ev yapımı spektrometre çok basit bir şekilde çalışır; evdeki bir ışık kaynağına doğrultmanız ve DVD'den kesilmiş şeffaf bir plakaya bakmanız yeterlidir. Akıllı telefonunuzun kamerasını ona yaslarsanız fotoğraf çekebilir ve ardından bunları belirli bir ampulün spektrumunu analiz etmek için kullanabilirsiniz.

Video kameralı spektrometre

Yine de bir akıllı telefondan fotoğraf çekmenin pek de uygun olmadığını kabul etmeliyiz. Işık kaynağını gerçek zamanlı olarak gözlemlemek en iyisidir. Bunu yapmak için, akıllı telefonun "gözü" yerine normal bir bilgisayar web kamerasını plakaya yaslamanız gerekir.

Illinois Üniversitesi'nden kimya profesörü Alexander Scheeline, okul çocuklarının analitik kimyayla ilgilenmesini sağlamak için cep telefonundan bir spektrometre yaptı.

Profesör kimyagerin temel bilimsel aletini bir araya getirdi. ucuz malzemeler ve dijital kamera. Spektrofotometri Malzemeleri tanımlamak ve ölçmek için en yaygın kullanılan araçlardan biridir. Örneğin etteki protein miktarını, tahıldaki suyu veya kandaki demir miktarını ölçmeniz gerekiyorsa, spektrometre.

Bir öğrenci laboratuvar spektrometresinin gizemli "kutusunu" kullanırsa spektrofotometri performansını değerlendiremez. İçeride neler olduğunu anlamıyor ve sadece örnekleri değiştirip sonuçları yazıyor" diye açıklıyor Alexander Shchilin. – Bu öğrenme sürecine yardımcı olmaz. Birisine bir aracı yaratıcı bir şekilde nasıl kullanacağını öğretmek ve onu geliştirmek istiyorsanız, daha basit ve net bir şeye ihtiyacınız var."

Pirinç. 1. Bir spektrometre yapmak için ihtiyacınız olan tek şey budur.

Bir enstrümanın eksikliklerine dikkat etmek istiyorsanız, bu eksikliklerin çok büyük olması ve cihazların ve ayarların karmaşıklığıyla telafi edilmemesi çok daha kolaydır," diye açıklıyor Alexander Shchilin.

Bir spektrometrede beyaz ışık, ışığın belirli dalga boylarını emen bir malzeme örneğinden geçer. Kırınım ızgarası daha sonra ışığı renklere ayırır ve kimyagerler numunenin özelliklerini belirlemek için spektrumu analiz edebilir.

Pirinç. 2. Birleştirilmiş spektrometre. LED, şeffaf bantla sabitlenen ızgaranın tam karşısındaki küveti aydınlatır.

Profesör Shchilin bunlardan birini ışık kaynağı olarak kullandı NEDEN OLMUŞ, 3 voltluk bir pil ile çalışır. ABD'de numuneler için bir kırınım ızgarası ve küvet satın almak zor değil ve sonuçta tüm ekipmanın maliyeti 3 dolardan az. Geriye kalan tek şey uygun bir dijital kamera bulmaktı ve ardından bilim adamı her okul çocuğunun ve öğrencinin bunu hatırladığını hatırladı. cep telefonu var. Bundan sonra geriye sadece veri işleme sorununu çözmek kalıyor. Bunu yapmak için profesör, fotoğraflardan spektrumları jpeg formatında analiz etmek için bir program yazdı ve onu yayınladı. ücretsiz erişim Kaynak kodlarıyla birlikte internette.

Alexander Shchilin ilk kez Hanoi'de (Vietnam) bir değişim programı üzerinde çalışırken buluşunu sergiledi. Vietnamlı öğrencilerin bilimsel aletlerle ilgili hiçbir deneyimleri yoktu ama heyecanla cep telefonu spektrometresiyle deneyler yapmaya başladılar.

Pirinç. 3. Cep telefonu Doğru bir spektrometre ciddi bilimsel araştırmanın yerini alamaz, ancak her okul çocuğunun bir hobi için 3.000 dolarlık harçlığı yoktur.

Amerika Birleşik Devletleri'nde bir profesör, dersleri sırasında ev yapımı bir spektrometre kullandı. lise. 45 dakikalık dersin sonunda öğrenciler, yalnızca ders kitaplarını kullanan çoğu öğrencinin gözünden kaçan şeyleri öğrenmişti. Örneğin bir öğrenci başıboş ışığın kameranın hassasiyeti ve spektrumu okuma yeteneği üzerindeki etkisini sordu.

Bir saat önce spektrofotometri hakkında neredeyse hiçbir şey bilmeyen bir lise öğrencisi, tüm spektrometrelerin ana sorununu keşfetti, Alexander Shchilin'e seviniyor. “Öğretmeye başladığımdan beri öğrencilerime spektrometreyi etkileyen dağınık ışık kavramını ve bu sorunun ekipmanın performansını nasıl etkilediğini anlatmaya çalıştım. Ve aniden okul çocuğunun bu sorunun özünü nasıl anladığını ve bana doğru soruyu sorduğunu gördüm!

Bilim adamı buluşunu mutlulukla paylaşıyor okul öğretmenleri ve üniversite öğretmenleri çeşitli seminerlerde ve internet aracılığıyla. Örneğin akıllı telefonlar için bilgisayar kullanma ihtiyacını ortadan kaldıracak bir görüntü işleme programı yazarak buluşunun geliştirileceğini umuyor. Bir cep telefonu spektrometresi, birçok kişiye karmaşık ve anlaşılmaz bir bilim gibi görünen analitik kimya konusunda birçok insanı büyüleyebilir. Ancak Alexander Shchilin'in icadı, bir kişinin doğuştan gelen merakını uyandırmanın kolay olduğunu gösteriyor - basit, anlaşılır ve heyecan verici yaratıcı deneyler sunmak yeterli.

Derecelendirmeyi seçin Kötü Ortalamanın altında Normal İyi Mükemmel