ספקטרום של אור. בניית ספקטרוסקופ
מבוא:
בפרוייקט עסקנו בתחום האופטיקה והתמקדנו בנושאים: גלי אור וספקטרום, עקיפה וסריג עקיפה, רכיבי גל האור, שיטות שונות לקבלת הספקטרום (שימוש בספקטרומטרים שונים), כושר הפרדה, בניית ספקטרוסקופ. ניסינו להבין כיצד ניתן לזהות חומר לפי הספקטרום שלו וגם חקרנו בליעת אור הלבן במעבר דרך כלורופיל בעזרת ספקטרוסקופ שבנינו.
מטרות המחקר ושאלות המחקר
מטרות המחקר:
– חקר תכונות (רוחב המקסימום הראשון, כושר הפרדה) של סריגי עקיפה שונים. פיתוח נוסחה המתארת את תלות של רוחב המקסימום הראשון של ספקארום בקבוע הסריג גם כאשר זוויות סטייה הן יחסית גדולות.
– בניית ספקטרוסקופ כולל סריג עקיפה, קבלת ספקטרומים של מקורות אור שונים (שמש, נורות ארגון ונאון, נר צבעוני).
– חקר בליעת אור הלבן במעבר דרך תמיסת כלורופיל (חוק בר-למברט) – ניתוח כמותי של ספקטרום בעזרת תוכנה Tracker.
שאלות חקר:
– כיצד קבוע הסריג משפיע על מיקום המקסימום בספקטרום של מקור אור בעל אורך הגל נתון ועל כושר הפרדה של ספקטרוסקופ?
– מהו קבוע הסריג עשוי מדיסק CD ו-DVD?
– איך לבנות ספקטרוסקופ פשוט שמתחבר למצלמת סמארטפון?
– מה מפתיע בספקטרום של האור העובר דרך תמיסת כלורופיל? האם צמחים הם לגמרי ירוקים?
מהלך המחקר
ספקטרומים צילמנו בעזרת הספקטרוסקופ שבנינו מחתיכת דיסק (הסריג) וקרטון (https://publiclab.org/wiki/foldable-spec) (איור 1) המחובר לסמארטפון בעזרת מתאם שעשינו מחימר (איורים 2 ו-3).
ספקטרום של האור העובר דרך תמיסת כלורופיל
בניסוי אור לבן עבר דרך שכבות בעובי שונה של הנוזל (תמיסת כלורופיל באלכוהול – איור 4). צילמנו את הספקטרום של האור חמש פעמים כאשר שינינו את עובי השכבה. ניתוח הספקטרומים ביצענו בתוכנת טרקר.
 |
|
|
|
איור 1. ספקטרוסקופים. |
איור 2. ספקטרוסקופ מחובר למצלמת סמארטפון. |
|
 |
 |
|
|
איור 3. מהלך הניסוי – אופן צילום ספקטרום של נר (הניסוים התבצעו בחדר חשוך). |
איור 4. תמיסת כלורופיל |
|
ממצאים:
חוק בר-למברט הוא חוק פיזיקלי הנותן את הקשר בין בליעת אור A במעבר דרך שכבת נוזל לבין עובי השכבה:
(2) A = – lg(I/I0) |
(1) A=k∙d |
d הוא המרחק שעושה קרן האור בנוזל, עובי השכבה, k הוא מקדם הבליעה (תלוי באורך הגל של האור הנבלע ובתכונות של הנוזל).
I0 היא עצמת האור הפוגע בדוגמה. טרקר נותן עוצמת האור (בהירות, גודל חסר יחידות) מקסימלית של אור (עבור צבע לבן) שווה ל-255.
I היא עצמת האור שעבר דרך הנוזל.
מדדנו את עוצמת האור I של האור האדום והירוק בעזרת תוכנת Tracker. השתמשנו בכלי בשם line profile כדי לקבל תלות בין עוצמת האור בפס ירוק/אדום של הספקטרום לבין עובי שכבת הנוזל (איור 5). חזרנו על הפעולה שלוש פעמים וחישבנו את שגיאת המדידה (השגיאה היחסית המרבית של עוצמת האור היא 17%). השתמשנו בנוסחה (2) לחישוב של בליעת האור עבור כל משני הצבעים ובנינו גרף המתאר את התלות שלה בעובי של שכבת הנוזל (איור 6).
איור 5. שימוש בטרקר.
התוצאה באיור 6 מאששת את חוק למברט אשר אומר שיש קשר לינארי בין עובי הנוזל לעוצמת האור (ככל שהנוזל יותר עבה עוצמת האור קטנה). ניתן להבחין ששיפועים הגרפים שונים: שיפוע של בליעת האור הירוק גדול משיפוע האדום, וזה אומר שככל שהנוזל עבה יותר, האור הירוק נבלע יותר מהאדום (איור 7).
איור 6. תוצאות הניסוי עבור אור אדום (הגרף האדום) וירוק (הגרף הירוק). קווי מגמה בהתאם לחוק בר-למברט: נוסחה (1).
איור 7. המחשה של בליעת אור ירוק ואדום בתוך תמיסת כלורופיל.
דיון ומסקנות:
בעובי מסוים של תמיסת כלורופיל בכוהל (עובי גדול משמעותית מהמדידות שאנו ביצענו) אפשר לצפות שהעין האנושית תראה אור בצבע אדום והצבע הירוק ויבלע כמעט לגמרי. זאת משום שקצב בליעת האור הירוק גדול מקצב בליעת האור האדום. חקר תופעה הזאת יכול להיות חלק ממחקר עתידי.