Projekt
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Spektren sind für Chemiker von großer Bedeutung, denn sie sind die Unterschriften der Atome und Moleküle. Ziel unserer Schüler-experimentieren-Arbeit ist es deshalb, Wege aufzuzeigen, wie man auch als Schüler mit preiswerten Mitteln spektroskopische Versuche durchführen kann.
Wir haben ein CD-Spektroskop, welches ein Schüler an unserer Schule vor 10 Jahren entwickelt hat, nachgebaut und verbessert. Dazu benutzten wir statt einer CD eine DVD. Sie liefert helle und hochauflösende Spektren. Hiermit führten wir mehrere Experimente durch.
Damit wir die Spektren nicht immer von Hand aufzeichnen müssen, entwickelten wir einen preiswerten DVD-Spektrographen. Der Bau eines solchen Spektrographen gelang uns mit Hilfe einer Webcam, die man über den USB-Anschluss direkt mit einem Computer verbinden kann.
Bald wollen wir uns mit Spektren im nahen Infrarot beschäftigen, denn wir haben festgestellt, dass unsere Webcam auch in diesem Bereich Aufnahmen machen kann.
Spektren sind für Chemiker sehr wichtig, denn sie sind die Unterschriften der Atome und Moleküle. Deshalb wollten wir ein preiswertes Gerät bauen, mit man sie auch zu Hause untersuchen kann, wenn man mit seinem Chemiekasten Experimente macht. Wir gingen also in die Miniforschungs-AG von Herrn Stein. Hier erfuhren wir jedoch, dass schon ein anderer Schüler vor uns ein sehr preiswertes Spektroskop gebaut hatte.
Im Jahr 1990 erfand der Miniforscher Andreas Goris an unserer Schule das CD-Spektroskop. Er zerlegte eine CD mit einem heißen Messer in 4 Stücke und benutze eines davon als Reflexionsgitter. Aus zwei Rasierklingen fertigte er sich noch einen Spalt und aus schwarzer Pappe baute er sich dann das Gehäuse für sein Spektroskop zusammen. Die Vorteile des sehr handlichen CD-Spektroskops lagen vor allem in seiner Preisgünstigkeit (Materialkosten weniger als 5 DM). 1991 nahm er damit am Wettbewerb Jugend forscht teil.
In der Miniforschungs-AG bauten wir dann ein solches CD-Spektroskop nach und wir schauten uns hiermit die Spektren der unterschiedlichsten Lichtquellen an. Außerdem beschäftigten wir uns mit der Theorie, wie solche Spektren zustande kommen. Häufig redeten wir darüber, ob sich das CD-Spektroskop von Andreas Goris vielleicht noch verbessern ließ. Schließlich kam uns eine Idee!
Eine CD zerlegt das Licht deshalb so gut in seine Spektralfarben, weil auf ihr so viele Linie sind. Die Linien sind Datenspuren auf den viele kleine Pits hintereinander liegen. Je mehr Linien ein Reflexionsgitter hat, desto besser zerlegt es bekanntlich das Licht. Nun, auf eine CD passen ca. 650 MB an Daten. Auf eine DVD passen aber viel mehr Daten (4,7 - 17 GB). Also dachten wir uns, dass man mit einer DVD das Licht noch besser in seine Farben zerlegen könnte als mit einer CD. Wir besorgten uns eine DVD und hielten sie ins Licht einer sehr hellen Glühlampe. Wir sahen ein Superspektrum!
Als wir Herrn Stein von unserer Idee erzählten, forderte er uns auf, den Abstand zwischen den Linien einer DVD und einer CD einmal auszumessen. Um dies tun zu können, mussten wir uns (mit etwas Hilfe) aus Physikbüchern erst einmal das notwendige Wissen aneignen. Dann planten wir den Versuch.
Wir wollten einen Laserstrahl senkrecht auf eine DVD und eine CD schießen und dann den Beugungswinkel messen. Hieraus kann man dann den Linienabstand errechnen.
Formel aus der Formelsammlung:
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g = Abstand der Linien
 = Winkel
k = 1 (bei unserem Versuch)  = Wellenlänge
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Die Wellenlänge des Laserslichtes kannten wir, denn die stand auf dem Laser drauf: = 632,8 nm. Wir mussten also noch die Strecken a und b messen . Hieraus wollten wir dann den Abstand der Linien bestimmen.
Den Versuch bauten wir so auf, dass der Laser uns nicht in die Augen leuchten konnte, denn Laserlicht kann die Netzhaut verletzen. Den Versuch durften wir dann auch nur unter Aufsicht von Herrn Stein durchführen.
Als wir den Laser einschalteten, sahen wir auf dem weißen Schirm rote Punkte. Bei der CD waren es Einzelpunkte, bei der DVD waren es dagegen Doppelpunkte. Deshalb haben wir bei der DVD den Abstand b immer zwischen den roten Punkten gemessen. Die folgende Tabelle zeigt unsere Messwerte.
| CD | DVD |
| A = 0,573m | A = 0,623m |
| B1 = 0,984m | B1 = 0,255m |
Aber nicht nur die Tabelle, sondern auch die Zeichnung zeigt, das die DVD das Licht besser ablenkt als die CD.
Abb. 4.1a: Die Laserpunkte auf dem weißen Schirm
Um den Linienabstand g auszurechnen, mussten wir zuerst den Winkel a bestimmen. Diesen bestimmten wir durch eine maßstabsgerechte Zeichnung.
Abb. 4.1b: Winkelbestimmung bei der CD
Abb. 4.1c: Winkelbestimmung bei der DVD
Rechnung für DVD:
Rechnung für CD:
Wir haben herausgefunden, dass der Abstand der Linien bei der DVD deutlich kleiner ist, als bei der CD. Also:
gDVD = 0,73 µm
gCD = 1,67 µm
Natürlich haben wir auch nach einer Erklärung gesucht, warum man bei unserer DVD Doppelpunkte sieht, bei unserer CD aber nicht. Als wir im Internet die folgende Abbildung fanden, wurde uns klar, warum wir einen Doppelpunkt gesehen haben. Die DVD, die wir ausgemessen haben, war eine zweischichtige DVD. Der Laserstrahl wurde also an der oberen und der unteren Schicht reflektiert. Für den Bau unseres DVD-Spektroskops verwendeten wir natürlich eine einschichtige DVD. Die Abbildung 4.2 zeigt auch, dass unsere Messungen eigentlich ganz gut sind.
Abb. 4.2: Die Eigenschaften einer DVD
Nun begannen wir mit dem Bau des DVD-Spektroskops. Zuerst erhitzten wir ein Messer über einem Bunsenbrenner und schnitten mit dem heißen Messer die DVD in 4 Teile. Nun verwendeten wir den Bauplan von Andreas Goris (siehe Abb. 5.1 ). Da die DVD aber einen anderen Lichtablenkungswinkel hat als die CD, mussten wie einige Änderungen vornehmen:
Abb. 5.1: Bauplan von Andreas Goris
Mit unserem neuen DVD-Spektroskop schauten wir uns viele Lichtquellen an und sahen sehr schöne Spektren. Sie waren heller als die Spektren des CD-Spektroskops. Verwundert waren allerdings darüber, dass der Abstand zwischen den Spektrallinien nicht viel größer war als beim CD-Spektroskop. Dies konnten wir uns nicht erklären, denn nach unserer Messung mit den Laser hätte der Abstand zwischen den Spektrallinien beim DVD-Spektroskop größer sein müssen. Wir fragten Herrn Stein um Rat. Der erklärte uns, dass wir bei dem CD-Spektroskop das Spektrum 2. Ordnung sehen würden, bei unserem DVD-Spektroskop aber nur das Spektrum 1. Ordnung. Wir versuchten auch bei unserem DVD-Spektroskop das Spektrum 2. Ordnung zu sehen. Bis jetzt haben wir es allerdings noch nicht geschafft.
Mit unserem DVD-Spektroskop kann man ohne große Kosten anhand der Spektren feststellen, welche Gase in den Leuchtstofflampen leuchten. Jedes chemische Element hat eine Unterschrift, eben sein Spektrum.
Zuerst malten wir die Spektren die wir sahen mit Buntstift auf Papier. So zum Beispiel das Spektrum einer Warmton-Leuchtstofflampe. Das schwache kontinuierliche Spektrum, welches wir zusätzlich zu den Linien sahen haben wir nicht mitgemalt.
Abb. 7.1: Spektrum einer Warmton-Leuchtstofflampe
Mit einer Spektraltafel haben wir dann sehr schnell heraus gefunden, das in der Lampe Quecksilber und Neon leuchtet.
Später haben wir die Spektren mit dem Schreibprogramm WORD 97 gezeichnet. Denn hier ist es nicht schwer ein kontinuierliches Spektrum zu hinterlegen. Abbildung 7.2 ist ein so gezeichnetes Spektrum. Es gehört zu einer weißen Leuchtstofflampe. Hier hat man also kein Neon beigemischt. Man sieht nur die Linien des Elementes Quecksilber. Deshalb ist ihr Licht auch nicht so warm.
Abb. 7.2: Das Spektrum einer weißen Leuchtstofflampe
Aber die Farbe, die das Licht einer Lampe hat, wird nicht nur von dem chemischen Element bestimmt, welche in ihr leuchtet. Denn die warmtonige Aquariumslampe Sun-GLO enthält das gleiche leuchtende chemische Element Quecksilber wie die weißen Leuchtstofflampen in unserer Schule. Ihr Licht sieht aber anders aus. Der Unterschied kommt nach unserer Meinung durch die andere Leuchtschicht zustande. Das Licht der Sun-GLO sorgt dafür, das die Fische schöne Farben haben.
Abb. 7.3: Das Spektrum der Aquariumslampe Sun-GLO
Wir haben auch das Spektrum von Natriumcarbonat aufgenommen. Wir mussten darauf achten, dass wir das Natriumcarbonat im kalten Wasser lösten, denn sonst wäre es verklumpt. Nun haben wir eine "MINI-MAGLIGHT" (ungefähre Größe die eines Reagenzglases) an einem Stativ befestigt und sie eingeschaltet. Nun konnten wir das Spektrum abzeichnen und auf den Computer abtragen. Man sieht sehr schön die Natriumlinie.
Abb. 7.4: Das Spektrum von Natriumcarbonat
Ebenfalls mit der "MINI-MAGLIGHT" und unserem DVD-Spektroskop haben wir das Absorptionsspektrum von Kaliumpermanganat (KMnO4) aufgenommen. In Wirklichkeit sind die schwarzen Linien aber nicht so "hart" wie bei unserer Computerzeichnung.
Abb. 7.5: Das Spektrum von Kaliumpermanganat (KMnO4)
Abb. 7.6: Das Sonnenspektrum
Mit unserem DVD-Spektroskop können wir auch einige Fraunhofersche-Linien im Sonnenspektrum sehen. Zu welchen Elementen sie gehören konnten wir allerdings noch nicht bestimmen.
Das Zeichnen der Spektren macht zwar Spaß, doch fotografieren wäre bestimmt genauer. Moritz und Robin aus der Klasse 9 und 8, die in diesem Jahr auch am Jugend-forscht-Wettbewerb teilnehmen wollen, schafften es, Spektren mit einer digitalen Videokamera aufzunehmen. Wir baten sie, auch mal mit einem unserer DVD-Stücke ein Spektrum zu fotografieren. Die Ergebnisse sieht man in den Abbildungen 8.1 und 8.2.
Abb. 8.1: Das DVD-Spektrum von Argon
Abb. 8.2: Das DVD-Spektrum von Wasserstoff (H2)
Diese Aufnahmen haben uns sehr beeindruckt. Doch das Thema unserer Arbeit lautete ja "Spektroskopische Versuche mit preiswerten Mitteln". Die Kamera, die Robin und Moritz benutzen kostete aber 2000 DM. Dies passte wohl kaum zu unserem Thema. Trotzdem wäre es sehr schön gewesen ... .
Wir unterhielten uns oft darüber, ob es nicht eine preiswertere Lösung gibt, um solche digitalen Aufnahmen von Spektren zu machen wie Robin und Moritz sie machten. Eines Tages hatten wir die Lösung! In einem Prospekt von einem Supermarkt sahen wir eine Webcam für 130 DM. Dies war nicht zu teuer. Außerdem kann man eine Webcam über den USB-Anschluss direkt an den Computer anschließen. Man braucht also keine teure Videokarte.
Mit der Webcam "PHILIPS Vesta Pro" machten wir dann unsere erste Aufnahme von einer Hg-Lampe.
Abb. 8.3: Hg-Spektrum mit einer DVD und einer Webcam aufgenommen
Die Aufnahme war zwar nicht so gut wie die von Moritz und Robin, aber wir glauben, dass wir dies noch besser hinkriegen. Zur Zeit basteln wir an einen Kasten für die Webcam und die DVD, damit wir den Raum nicht immer verdunkeln müssen.
Abb. 8.4: Der Prototyp unseres DVD-Spektrographs
Als wir mit einer Fernbedienung vor der Kamera von Robin und Moritz standen, drückten wir auf eine Taste um ein Foto zu machen. Auf dem Kamerabildschirm flimmerte ein unscharfes grelles Licht abwechselnd auf, welches wir aber mit unseren Augen nicht sehen konnten. Daraus schlossen wir, dass die Videokamera infrarotempfindlich ist. Wir wiederholten den Versuch mit unserer Webcam. Auch sie konnte Infrarotlicht aufzeichnen. Wir hielten zwischen die Fernbedienung und die Kamera ein Gitter und konnten so unser erstes Infrarotspektrum aufzeichnen. Vielleicht können wir mit unserer Videokamera, da sie ja Infrarotlicht sehen kann, irgendwann mal Molekülspektren im nahen Infrarot aufnehmen. Dies wäre für einen Chemiker bestimmt von großem Interesse.
Abb. 9.1: Unser erstes Infrarotspektrum