Спектры .Виды спектров. Спектрофотометр

Название	Спектры. Виды спектров. Спектрометр – как это работает.
Смысл	Когда начинает звучать струна рояля? Начинает звучать после удара молоточка по струне. Как в струне рояля нет звука, так и внутри атома нет света. Как же излучается свет? Свет – электромагнитная волна с длиной волны 400 нм -800нм. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов, из которых состоит вещество. Для того, чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию и для свечения вещества необходим приток энергии к атомам извне. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет(Солнце, лампа накаливания, пламя и др.) Слово «спектр» в физику ввел Ньютон. В переводе с классической латыни слово «спектр» означает «дух», «привидение», что довольно точно отражает суть явления – возникновение радуги при прохождении бесцветного солнечного света  через прозрачную призму. Все источники не дают свет строго определенной длины волны. Распределение излучения по частотам  характеризуется спектральной плотностью интенсивности излучения. Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт можно разделить на три типа: непрерывные, линейчатые и полосатые.  1. Непрерывные (или сплошные) спектры , как показывает опыт,  дают тела , находящиеся в твердом, жидком  состоянии , а так же сильно сжатые газы. 2.Линейчатые спектры –это частокол цветных линий различной яркости, разделенных  широкими темными полосами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет вполне определенных длин волн(в определенных очень узких спектральных интервалах). Лин. спектры  дают все вещества, находящиеся в газообразном атомарном состоянии. 3.Полосатые спектры образуются молекулами не связанными или слабо связанными друг с другом. Для точных исследований спектров  такие простые приспособления как узкая щель или призма уже не достаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, хорошо разделяющие волны различной длины. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Их основной частью является призма или дифракционная решетка.  Сегодня на уроке мы не просто полюбуемся дифракционной радугой от DVD-диска, но сделаем кусок этого диска главной частью настоящего научного прибора, изготовленного своими руками, откалибруем этот прибор и посмотрим, как отличаются спектры разных источников света. Мы познакомимся с одним из самых употребительных  методов определения состава вещества, спектроскопией, и обсудим проблемы при создании спектрометров. С помощью спектроскопии проводят научные исследования, контролируют качество выплавляемых металлов, нанотехнологических материалов и пищевых продуктов, определяют состав горных пород, долю драгоценных металлов в ювелирных изделиях и подлинность произведений искусства. Спектрометры анализируют загрязненность природной среды и состояние здоровья человека, датируют археологические находки, раскрывают преступления, смешивают краски для точного получения нужного цвета – и делают еще очень много других полезных вещей. Непосредственно в быту профессиональные спектрометры не используются, хотя бы из-за их цены. Но, например, снять спектр лампочек способно устройство, которое каждый может собрать самостоятельно. Это может оказаться не только интересно, но и полезно для здоровья. Цели: -  понять, как создаются и работают спектрометры; -  воочию увидеть, что скрывается за таинственными словами «спектральная линия на стольки-то нанометрах»; -  приобрести навыки четкого выполнения инструкции и работы в команде; -  познакомятся с деятельностью глобального сообщества Public Lab, созданного для максимального вовлечения всех жителей планеты в изучение состояния окружающей среды; -  использовать изготовленный спектрометр для определения комфортности источников света и правильного подбора освещения у себя дома, что крайне важно при нынешнем разнообразии типов и производителей ламп.
Ключевые смыслы, слоганы	Научным прибором может стать всё!
Графические символы	DVD-диск + смартфон (или web-камера) = спектр
Ресурсное обеспечение, необходимое оборудование, необходимые реактивы	1. «Болванка» записываемого DVD-диска (DVD-R), можно одну на 2-4 команды – болванка режется на 4 куска, для работы команды нужен один кусок. 2. Принтер, способный печатать на как можно более плотной бумаге (в идеале 250 г/м2), лучше цветной, но можно и монохромный, важнее плотность бумаги, чем цветность. 3. Два листа плотной бумаги на каждую команду. 4. Ножницы на каждую команду для резки бумаги и картона. 5. Желательно усиленные ножницы для разрезания DVD-диска, можно одни на несколько команд . 6. Канцелярский нож, линейка, шариковая ручка, скотч на каждую команду. 7. Смартфон с камерой или web-камера на каждую команду. Прекрасно, если со штативом, но не обязательно. Очень желательно, чтобы смартфон или web-камера имели возможность ручного управления параметрами съемки – чувствительностью, выдержкой, фокусом, отключением автоматического баланса белого.  В данном случае чем меньше диаметр входной линзы, тем лучше. 8. Компьютер с доступом в интернет на каждую команду. 9. Энергосберегающая РТУТНАЯ лампа для калибровки спектрометра. Обязательно именно ртутная!!! 10.Другие источники света для изучения – светодиодная лампа (можно холодного и теплого света для сравнения), лампа накаливания обычная и галогенная, свеча и т.д.
Возраст:	11 класс
Этап и время	Что делают участники?	Что делает учитель?
1. Напоминание о компакт-диске как дифракционной решетке. 7 минут.	Школьники смотрят фильм о диф. решетке (5,14 минут) Школьники разбиваются на команды по 3-5 человек.	Вводит в задачу путем просмотра презентации. Напоминает о разнице между CD и DVD диском (шаг между дорожками). Объясняет задачу урока – сделать спектрометр своими руками с помощью DVD-диска как дифракционной решетки. Координирует разбивку школьников на команды при необходимости.
2. Подготовка к изготовлению спектрометра.  3 минуты.	Команды открывают ссылку на сайте сообщества Public Lab https://publiclab.org/notes/warren/11-30-2017/build-a-papercraft-spectrometer-for-your-phone-version-2-0 с инструкцией по изготовлению спектрометра (на английском языке). Получают напечатанные развертки. Важно, чтобы обратная сторона развертки была как можно более зачерненной, для этого с обратной стороны листа с разверткой надо напечатать черный прямоугольник, либо наклеить черную бумагу. Команды готовят к работе ножницы, канцелярский нож, линейку, шариковую ручку, скотч, заранее разрезанные куски.	Отправляет школьникам ссылку. Руководит процессом печати разверток или раздает школьникам заранее напечатанные развертки
3. Изготовление спектрометра.  25 минут.	Команды работают с примерно следующим разделением функций: 1. Один член команды готовит корпус спектрометра: -  ножницами, канцелярским ножом и линейкой вырезает развертку спектрометра из бумаги; -  несколько раз проводит шариковой ручкой линии по будущим сгибам (по линейке) для облегчения сгибания; -  предварительно формирует сгибы в нужную сторону. 2. Другой член команды в это же время готовит дифракционную решетку. Он отделяет ненужный верхний слой от куска DVD-диска, а из краевой части оставшегося нижнего прозрачного слоя вырезает рабочий кусок для вклеивания в спектрометр. Очень важно при этом осторожно обращаться с внутренней стороной прозрачного слоя, которая при отражении дает радужные разводы. Это и есть собственно дифракционная решетка, которая должна быть бездефектной и без отпечатков пальцев. 3. Третий член команды в это же время готовит светоприемную щель для спектрометра, например, пользуясь ссылкой https://publiclab.org/notes/warren/11-24-2017/make-a-narrow-slit-for-a-diy-spectrometer-out-of-paper для изготовления щели шириной 0.4 мм. Чем меньше ширина щели, тем больше точность спектрометра, но тем большая чувствительность матрицы смартфона или web-камеры может понадобиться. Щель не должна быть «косой». При желании можно воспользоваться другими способами изготовления щели – с помощью бритвенных лезвий, печатью щели на прозрачной пленке и т.д. Разные команды могут сделать щели разной конструкции и ширины (например, 0.4, 0.3 и 0.2 мм) и сравнить результаты. 4. После этого все члены команды вместе собирают спектрометр по инструкции – один держит спектрометр и его составляющие, другой наклеивает скотч, третий готовит куски скотча. Внутренняя сторона слоя DVD, которая при отражении дает радужные разводы, должна оказаться внутри спектрометра, это убережет ее от дальнейших повреждений. Еще раз стоит напомнить, что штрихи дифракционной решетки должны быть как можно прямее, поэтому «рабочая» часть DVD-диска, прикладываемая к камере, должна быть как можно ближе к наружному краю диска. 5. Готовый спектрометр команда крепит к смартфону или web-камере с помощью скотча так, чтобы зрачок камеры находился примерно в центре окна с DVD. Прибор готов. Желательно, чтобы смартфон или web-камера имели возможность ручного управления параметрами съемки – чувствительностью, выдержкой, фокусом, отключением автоматического баланса белого. Лучше, чтобы камера у смартфона была одна, 6. Свободные члены команды могут тем временем создать аккаунт на сайте Public Lab https://publiclab.org для дальнейшей работы со спектрами и помогать другим членам команды в переводе инструкции с английского языка.	Консультирует школьников по возникающим вопросам, при необходимости координирует раскрой DVD-дисков.
4. Калибровка спектрометра по ртутной лампе. 15 минут.	Команды направляют готовые спектрометры на светящуюся РТУТНУЮ лампу и делают снимок. При съемке всех спектров желательно отрегулировать чувствительность и выдержку таким образом, чтобы в темной части изображения не было видимых шумов и на спектре не было пересвеченных белых областей, но в то же время чтобы спектр не был слишком темным. Если возможно, регулировкой ручного фокуса надо добиться максимальной четкости спектральных линий, и запомнить это положение фокуса. Автоматический баланс белого и все «эффекты» должны быть отключены, вспышка и цифровой зум тем более. Получившийся снимок команды загружают на сервис https://spectralworkbench.org/ и калибруют согласно инструкции.	Консультирует школьников по возникающим вопросам. Поясняет, что калибровка является частью изготовления любого научного измерительного прибора.
5. Демонстрация спектральной линии натрия. 10 минут (или больше при демонстрации спектральных линий и других веществ).	Команды наводят спектрометры на спиртовую или газовую горелку (с неярким пламенем), в этот момент свободные школьники сыплют на пламя горелки небольшое количество поваренной соли. При этом содержащийся в соли натрий окрашивает пламя в яркий желтый свет, который четко виден на спектрометрах. Команды загружают снятый спектр желтого пламени на сервис https://spectralworkbench.org/ и калибруют спектр в соответствии с инструкцией в Приложении 2. Убеждаются, что яркая спектральная линия натрия, как написано в справочниках, действительно имеет длину волны около 590 нм. При возможности можно навести спектрометр на уличный фонарь, светящий желтым светом (с натриевой лампой), и убедиться, что в его спектре есть та же самая спектральная линия натрия.	Подготавливает  горелку и поваренную соль (возможно, и другие вещества для изучения их спектра), обеспечивает безопасность работы с горелкой. Поясняет, что таким способом – спектроскопией –  можно определять состав вещества, причем даже в очень далеких от нас космических объектах.
6. Изучение спектров различных источников света. 15 минут.	Команды фотографируют, загружают на сервис https://spectralworkbench.org/ и калибруют спектры различных источников света – светодиодных ламп (можно холодного и теплого света для сравнения), лампы накаливания обычной и галогенной, свечи и т.д. Для экономии времени все команды могут снимать спектр разных источников. Днем желательно снять и спектр естественного освещения.	Обеспечивает наличие требуемых источников света. Поясняет понятие «холодного» и «теплого» света (может быть, с напоминанием о спектре излучения абсолютно черного тела ), по возможности очень кратко рассказывает о цветопередаче при различном освещении и зрительном комфорте.
7. Обсуждение «узких мест» самодельного спектрометра.15 минут.	Каждая команда перечисляет те недостатки в самодельном спектрометре, которые снижали удобство и качество работы и должны быть устранены в профессиональном оборудовании. Примерный перечень явно видимых недостатков (школьникам его заранее показывать не следует): 1. Искривленная дифракционная решетка, как следствие – искривленные линии спектра. 2. Трудность наведения на источник света для получения хорошей фотографии спектра, особенно если источник имеет небольшой размер и при отсутствии штатива. 3. Нерегулируемая и неточная ширина светоприемной щели. 4. Сложность настройки камеры для получения нормальной экспозиции и фокуса, низкая чувствительность («шумность») камеры для съемки спектров слабых источников света. 5. Неравномерность суммарной чувствительности R, G и B сенсоров камеры при разных длинах волн.	Формулирует задание этапа, оценивает итоги работы команд, подводит итоги урока.
Планируемый результат (предметный продукт): 1. Cамодельные спектрометры. 2. Cпектры, снятые с их помощью школьниками и загруженные на сервис https://spectralworkbench.org/. 3. Предложения школьников по усовершенствованию конструкции спектрометра.