Ученик 10 класса Физико-математической школы им. М. А. Лаврентьева при Новосибирском государственном университете (СУНЦ НГУ) Иван Маслов собрал спектрометр с высоким разрешением из DVD-дисков и старой фотокамеры. Исследование, которое было проведено с его использованием, заняло первое место на школьной секции МНСК-2021.
Спектрометр представляет собой оптический прибор. Его применяют в спектроскопических исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Такой прибор используется в астрономии, химии, геологии, металлургии и других сферах.
По словам Ивана Маслова, хоть и в интернете довольно много публикаций с инструкцией по созданию спектрометра, используя DVD-R диск и смартфон, но такие приборы будут не очень точными. Поэтому он решил проблему и создал прибор с разрешением 0,3 нм, который работает в диапазоне 400-700 нм.
Он состоит из трех основных элементов: оптическая щель, дифракционная решётка и фоторегистратор. Корпус выполнен из обычного дерева. Фоторегистратором стала зеркальная фотокамера NIKON D5100. Оптическая щель сделана из двух скреплённых лезвий на расстоянии 0.1 мм (как толщина бумаги). Она нужна, чтобы на дифракционную решетку попадал луч от источника света (лампы или костра). А дифракционная решётка изготовлена из DVD-диска. Для этого разработчик расслоил диск на две части, а затем обработал нужную поверхность спиртом.
Дифракционная решётка позволяет поймать на фоторегистратор фотоны с разной длиной волны. Это позволяет выяснить, какие именно фотоны присутствуют в свете, исходящем, например, от лампы или от костра. Кроме того, прибор помогает определить состав вещества: у каждого элемента есть своя "линия поглощения" (длина волн, которые излучает вещество при сгорании) и, измерив спектр неизвестного тела, можно определить, из каких именно элементов оно состоит.
Объектом исследования ученика СУНЦ НГУ стало пламя костра. Он решил выяснить, что делает огонь желтым – наночастицы углерода или соли натрия. По словам Ивана Маслова, ему не удалось найти единого общепринятого объяснения этого явления, поэтому исследовал спектр пламени костра самостоятельно.
На фоне очень слабого непрерывного черно-тельного спектра он зарегистрировал две яркие желтые лини с длинами волн 589,0 нм и 589,6 нм. Согласно базе данных NIST, это линии натрия. Затем была зафиксирована динамика появления линий натрия в спектре. Пока костер разгорается, в спектре линии отсутствуют. По мере появления углей и увеличения мощности излучения данные линии появляются и их яркость растет.
Автор исследования считает, что эксперимент доказывает, что появление двойной линии натрия не оказывает какого-либо заметного влияния на изменение цвета. В пламени костра из атомов углерода образуются частицы сажи размером до 100 нм, которые и дают непрерывный спектр с максимумом излучения в инфракрасной области, а мощность видимого излучения падает от красного к зеленому и еще больше — к синему. Излучение с таким спектром воспринимается человеком как оттенки желтого и оранжевого, в зависимости от температуры области пламени. Таким образом, полагает Иван Маслов, цвет пламени костра формируют ярко светящиеся частицы углерода. Выдвинутая гипотеза требует дальнейшей проверки.
Работа Ивана Маслова заняла первое место на школьной секции МНСК-2021 в подсекции «Общая физика». Созданный прибор он планирует использовать в новых экспериментах. Один из них – исследование излучения пламени костра.
"Также мой проект показывает, что спектрометр – это очень доступная вещь. В интернете приборы такой же точности и хуже стоят от 100 до 500 тысяч рублей, а я сделал его из обычных лезвий, DVD-диска, зеркальной фотокамеры, которую можно купить на Avito за 5 тысяч рублей, и древесины, использовав самые обычные инструменты, которые есть в любой мастерской", – говорит Иван Маслов.
Фото на странице: Alexander Andrews / Фотобанк Unsplash
