Ein einfaches CD Spektroskop

Was sollen wir nur mit all diesen alten nicht mehr benötigten CD-ROMs oder evtl. schon DVDs anfagen; einfach wegschmeissen?
Hmm..., die glänzen doch noch so schön ... moment mal, da kommt mir eine Idee:

"Wir basteln uns ein Spektroskop!"

Was ist ein Spektroskop?

Ein Spektroskop erlaubt es uns das Licht (z.B. von der Sonne) zu untersuchen. Das Licht der Sonne enthält z.B. Helium, Wasserstoff, Natrium, Magnesium und viele andere meist gasförmige Stoffe bzw. Elemente. Mit einem Spektroskop wird das Licht in sogenannte Spektrallinien aufgebrochen z.B. mit Hilfe eines Prisma wie folgende Abbildung zeigt:


Diese Spektrallinien geben uns Hinweise über die Zusammensetzung der chemischen Elemente im Licht. Wir können mit dem Spektroskop auch künstliche Lichtquellen wie z.B. eine Glühbirne, eine Strassenlampe, oder eine Neonröhre untersuchen.

Eine andere Art, das Licht in seine Spektrallinien zu zerlegen, ist die Diffraktion. Die Diffraktion entsteht durch die Beugung des Lichts beim Durchlaufen einer engen Stellen z.B. ein kleines Loch oder ein schmaler Spalt:


Wenn die Lichtwellen die enge Oeffnung durchqueren, so werden diese hinter dieser gebeugt. Sind nun mehrere kleine Oeffnungen nebeneinander angeordnet, addieren bzw. subtrahieren sich die gebeugten Lichtwellen nach diesen Oeffnungen gegenseitig. Dieser Effekt wird Interferenz genannt. Dabei werden bestimmte Lichtwellen (Farben) geschwächt (durch gegenseitige Aufhebung bzw. Subtraktion) und andere werden verstärkt (durch Addition bzw. Summierung der Wellen).

Die Barriere, durch die das Licht an mehreren Stellen hindurchschlüpfen kann bzw. an der es mehrfacht gebeugt wird und dadurch Interferenzen entstehen, wird auch Beugungsgitter oder zu Neudeutsch "Diffraction Grating" genannt. Solche Beugungsgitter sind z.B. als Folie oder als Spezialsonnenbrille für Experimentierzwecke in Fachgeschäften erhältlich, wie auch das eher bekannte Prisma aus Kristallglas (teuer) oder Plastik.


Die CD als Beugungsgitter ("Diffraction Grating")

Anstelle von einem Prisma oder einer speziellen "Diffraction Grating" Folie können wir aber auch eine nicht mehr benötigte CD (Musik CD, Software CD, DVD) für den Bau unseres einfachen Spektrometers verwenden.

Die auf einer CD vorhandenen Daten sind in Form von sehr kleinen Gruben auf der CD Schicht gespeichert. Diese Gruben sind in der silbrigen Folie in einer eng gewundenen Spirale mit einem Laser eingebrannt oder mit einer Hochdruckpresse eingedrückt worden. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Spuren beträgt 1.6 mikrometer, was nur einige wenige Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist, und damit zu klein, als dass man sie in einem normalen (optischen) Mikroskop erkennen könnte. Aber es ist dieser kleine Abstand, der für das Erscheinen der wunderbaren Farben entscheidend ist, durch die Interferenz der Reflektionen an einer CD genauso wie bei einem Beugungsgitter.


wie beim Prisma werden auch bei der CD die Lichtwellen je nach Wellenlänge in unterchiedlichen Winkeln abgelenkt bzw. reflektiert. Der Winkel hängt dabei vom Material des Prisma bzw. bei unserer CD vom Abstand der Rillen ab. Wir wollen hier aber nicht in die physikalischen Details hinabtauchen, sondern uns dem Bau unseres einfachen Spektroskop weiter widmen. Die abgelenkten Lichtstrahlen werden bei einem "richtigen" Spektrometer auf eine Skala reflektiert, bei welcher die Wellenlängenwerte der erscheinenden Spektralinien abgelesen werden können.


Der Bau unseres einfachen CD Spektroskop

Genug der Theorie schliesslich wollen wir ja mal was sehen. Zum Bau unseres einfachen CD Spektroskop benötigen wir nur eine CD, eine Kartonschachtel, eine WC- oder Allzweckpapier-Kartonröhre, zwei Klingen (oder zwei Stücke einer halbierten Klinge) z.B. von einem Rasiermesser, Teppich- oder Papierschneider und etwas Klebeband.

Uebrigens: beschreibbare CD's oder DVD's reflektieren mehr Licht und eignen sich viel besser als normale gepresste CD-ROMs.


Die CD wird auf eine Innenwand der Kartonschachtel geklebt. Auf der gegenüberliegenden Seite der CD wird ein quadratisches Loch so ausgeschnitten, dass beim geradlinigen Durchsehen von aussen nicht das Zentrum der CD, sondern möglichst ein grosser Teil der CD-Fläche zwischen dem Mittelpunkt und dem Aussenrand der CD zu sehen ist. Das Quadrat sollte etwas kleiner sein als die beiden obendrauf gegeneinander zu legenden (Rasier) Klingenstücke.


Auf das ausgeschnittene Quadrat werden nun die (Rasier) Klingen so aufgeklebt, das die scharfen Kanten der Klingen gegeneinander liegen und nur einen sehr kleinen Spalt offenlassen, indem z.B. als Hilfe eine Visitenkarte dazwischen gehalten wird. Der Spalt muss - wie auf der Abbildung zu sehen - parallel zu den Rillen der darunterliegenden CD verlaufen.


Jetzt wird von der Seite her das Guckrohr (WC- bzw. Allzweckpapier- Rolle) wie abgebildet in die Schatel eingesteckt. Dazu wird auf der Seite der Kartonschachtel ein ovales Loch ausgeschnitten, so dass der Winkel des Rohrs noch etwas verändert werden kann. Beim Durchgucken durch das Rohr, sollte dieselbe CD-Fläche im Ausschnitt liegen wie beim vorherigen Durchgucken der (Rasier) Klingen Oeffnung. Zum Justieren des Guckrohrwinkels wird die Schachtel so gegen eine Lichtquelle (z.B. starke Lampe) gehalten, dass die Lichtstrahlen durch den (Rasier) Klingen-Spalt auf die CD-Fläche auftreffen und dabei die reflektierten Strahlen durch das Guckrohr in einem möglichst breiten Spektrum - d.h. alle Farben vom tiefen (Infra) Rot bis zum ultravioletten Blau - sichtbar sind.


Zum Schluss wird der Deckel der Kartonschachtel geschlossen und sämtliche Ritzen, durch welche noch Fremdlicht in die Schachtel dringt, mit dunklem Klebeband abgedichtet (ausser dem Rasier-klingen-Spalt natürlich). Fertig ist unser CD-Spektroskop!

Im Reich des Lichts

Nachdem wir unser CD-Spektroskop fertiggebaut haben, können wir mit der Reise ins Reich des Lichts beginnen. Dazu halten wir die Schachtel mit dem (Rasier) Klingen-Spalt gegen die zu beobachtende Lichtquelle, so dass die Lichtstrahlen direkt und möglichst senkrecht durch den Spalt auf die CD-Fläche treffen. Wenn wir nun durch das Guckrohr das von der CD-Scheibe reflektierte Interferenzmuster betrachten, so werden wir je nach Lichtquelle einmal das gesamte Farbspektrum sehen (z.B. bei der Sonne), aber auch Muster bzw. Farbspektren, bei denen bestimmte Farben- oder ganze Farbbereiche fehlen (z.B. bei Neonröhren, oder Quecksilberdampflampen von Strassenbeleuchtungen). Anbei findet Ihr ein paar Beispiele:


Fluoreszenzlampe


Neonlampe


LED (hell weiss)


CD Farbskala

... noch viel Spass bei Eurer weiteren Entdeckungsreise ...

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