5 Astronomie-Projekte die man mit der Sonne machen kann (Teil 5: Das Licht zerlegen oder ein Spektrometer basteln)

Nun komme ich zum 5. und letzten Teil meiner kleinen Serie zum dem Thema was man alles mit der Sonne machen kann. Während wir in den ersten Teilen auf die Beobachtung und die Fotografie eingegangen sind und wirklich tolle Anleitungen zu Langzeitaufnahmen der Sonnenbahn oder dem Basteln einer Sonnenuhr gefunden haben, so werden wir heute das Licht zerlegen.

Das Licht in seine Bestandteile zu zerlegen ist gar nicht so schwer. Wir werden uns selbst ein Spektrometer basteln und dort verschiedene Lichtquellen im Lichtspektrum untersuchen.

Und auch wenn dieser Hinweis nun schon 4 mal in den Artikeln erschienen ist, muss ich daran denken, dass diese Artikel später nur von Google gefunden werden und die Besucher direkt auf die Teile kommen ohne die anderen Teile gelesen zu haben.

Daher kommt hier nun wieder mein ACHTUNG-Hinweis:


!!!ACHTUNG!!!

Auch ich muss nochmal und mit Nachdruck darauf Hinweisen, dass man niemals, und ich sage NIEMALS, auch nicht manchmal oder einmal, sondern niemals mit dem Teleskop ohne Sonnenfilter in die Sonne schaut. Auch nicht mit dem Fernglas. Es können massive Augenschäden entstehen und bis zur völligen Erblindung führen. Also NIEMALS mit dem Teleskop in die Sonne schauen ohne ausreichender Vorbereitung und entsprechenden Filtern. Ihr wollt doch schließlich das Hobby der visuellen Astronomie betreiben oder nicht?


Als erstes müssen wir natürlich klären was gemeint ist mit “Zerlegen des Lichts”.

Dazu müssen wir uns anschauen aus was Licht überhaupt besteht. Wisst Ihr es schon? Dann springt doch einfach weiter.

Aus was besteht Licht?

Die Wissenschaft hat sich sehr lange Zeit gelassen mit dem finden der Antwort zu dieser Frage. Schließlich sieht man ja Licht nicht so direkt. Okay, nimmt man einen Laser, dann sieht man Licht auch. Aber hier kann man Licht ebenfalls nur sehen, weil es sich an Gegenständen (Staub) bricht.

Ohne Licht wäre die Welt dunkel. Nur das Licht zeigt uns wie die Welt aussieht. Direkt kann man Licht nicht sehen. Könnte man Licht direkt sehen, dann wäre der ganze Raum, also alles um uns herum, ja mit Licht gefüllt. Wir können aber sehen, wenn Licht auf eine Oberfläche trifft und reflektiert wird. Dabei passiert etwas ganz interessantes. Die Eigenschaften der Oberfläche sorgen dafür, dass Licht immer anders reflektiert wird.

So wird Licht von eine glatten Stein anders Reflektiert als von der Wasseroberfläche eines Sees. Deshalb wissen wir das der Stein etwas anderes sein muss als das Wasser des Sees. So lässt sich das auf alle Objekte auf der Welt oder im Weltall anwenden. Wir machen uns das sogar zu nutze um herauszufinden, aus welchen Materialien ein Planet oder ein Stern besteht. Denn Licht wird von gleichen Materialien auch immer gleich gebrochen.

Was ist also Licht? Als Licht wird also der für das Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet. Unser Auge begrenzt also unsere Wahrnehmung von Licht.

Wie das sein kann? Hitze zum Beispiel ist ebenfalls Teil der elektromagnetischen Strahlung. Hitze können wir zwar fühlen aber nicht sehen. Nimmt man nun aber eine Infrarot-Kamera, dann kann man mit dieser Kamera Hitze auch sehen.

Unten seht Ihr nun was wir mit unserem Auge sehen können. Und hier kommt nun auch das Spektrum zum tragen.

File:Spectre.svg

Das alles können wir also mit unserem Auge sehen. Nun leuchten oder reflektieren aber nicht alle Objekte alle Wellenlängen des Lichts.

Das Spektrum des Lichts

Hier kommt nun das Spektrum ins Spiel. Das komplette Spektrum des Lichts umfasst die Farben von Dunkelblau (ca. 400 nm Wellenlänge) bis Dunkelrot (ca. 700 nm Wellenlänge).

Nun habe ich oben schon beschrieben, tritt das Licht welches zum Beispiel von unserer Sonne ausgestrahlt wird in Wechselwirkung mit der Materie. Es wird reflektiert oder absorbiert. Es kann gestreut oder gebrochen werden. All das sind Effekte die auftreten können, wenn Licht auf Materie, wie einen Stein, fällt.

Nehmen wir uns nun das Licht der Sonne vor, dann sehen wir das hier das Licht schon unterschiedliche Farben annehmen kann. Bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang ist das Licht plötzlich rot oder orange. Am Tag ist das Licht ziemlich weiß. Das liegt aber nicht daran das die Sonne unterschiedliches Licht aussendet, sondern das Licht wird auf dem Weg zur Erde gebrochen. Und zwar von unserer Atmosphäre. Dabei wird ein teil des Lichtes (das Blaue) gefiltert und daher sieht der Himmel rot aus, wenn die Sonne aufgeht oder untergeht.

Tagsüber muss das Licht durch viel weniger Atmosphäre und daher wird weniger Blau rausgefiltert.

Ihr seht also das Licht oder das Spektrum des Lichts besteht aus vielen Farben, die gemischt sind. Dabei kommen manche Farben stärker vor und andere weniger. Hier kommt nun das Spektrum und das Spektrometer ins Spiel.

Wir basteln uns ein Spektrometer

Wenn nun das Licht aus unterschiedlichen gemixten Farben besteht, dann kann man diese sicherlich wieder zerlegen. Hier kommt nun das Spektrometer zum tragen. Wir können uns das Licht ganz einfach zerlegen.

Eigentlich nimmt man zum Licht zerlegen ein Prisma. Leitet man einen Lichtstrahl durch das Prisma, dann wird dieser gebrochen und zerlegt sich in sein Spektrum.

Was wir aber machen werden ist einen Effekt ausnutzen, den jeder schon einmal gesehen hat. Nimmt man sich eine DVD oder CD und hält diese gegen das Licht, dann sieht man schon ein Spektrum. Nämlich den Regenbogen.

Wir haben also schon einen Gegenstand der uns Licht in seine Bestandteile zerlegen kann. Da nun aber von allen Seiten Licht auf diesen Gegenstand fällt, brauchen wir etwas was unseren Gegenstand etwas abdunkelt und erlaubt nur eine bestimmte Lichtart darauf zu werfen.

Wir wollen ja schließlich sehen, wie das Spektrum aussieht.

Die Zutaten zu unserem Spektrometer

  • Schere und ein scharfes Messer (Skalpell oder Teppichmesser)
  • eine CD
  • ein wenig Klebeband zur Stabilisierung
  • ein Karton (ich habe Kartoffelpüree genommen, andere nehmen hier eine Müslipackung)
  • Lineal und Geodreieck (ungleichschenkliges Dreieck reicht auch)

IMG_0622

Das war es eigentlich schon. Auf dem Bild sieht man noch Alufolie. Diese sollte man nach einer anderen Beschreibung verwenden, aber ich brauchte diese nicht.


TIPP: Liebe Kinder, lasst Euch von Euren Eltern helfen. Das Ausschneiden ist nicht ganz so einfach und man benötigt nicht nur Geschick sondern man sollte auch mit dem scharfen Messer umgehen können. Daher sollte vielleicht eher Papi oder Mutti das ausschneiden übernehmen.


imageNun kommen die folgenden Schritte die ich aus der Anleitung vom Caltech übernommen habe und ins deutsche Übersetzen konnte.

Bevor wir aber starten, seht Ihr rechts was wir machen wollen. Wir wollen eine CD so an dem Karton anbringen, dass Licht durch den Spalt fallen kann und dieses dann gebrochen wird. Wir schauen uns dann unser Spektrum von oben auf der CD an.

Schritt 1:

IMG_0625Wir schneiden oben auf der Kartonoberseite ein Quadrat aus dem Karton aus. Das heißt das wir ein Stück herausschneiden, welches genauso lang ist wie der Karton breit ist.

Da die meisten Kartons ja einen Deckel haben, kommt hier die Pappe doppelt vor. Lieber aufmachen und einzeln zerschneiden, dann kann man wenig kaputt machen. Lasst aber für den nächsten Schritt die Deckel noch offen. Es reicht das Quadrat auszuschneiden.

Schritt 2:

IMG_0623Nun schneiden wir die 60 Grad-Schrägen ein. Diese dienen der Aufnahme der CD.

Mit dem ungleichschenkligen Dreieck kann man die 60 Graf sehr einfach anzeichnen. Hier ist ja eine Seite immer 60 und die andere 30 Grad.

Wenn Ihr nun eine Seite einschneidet, dann messt vorher aus wie weit Ihr reinschneidet. Damit das auf er anderen Seite auch passt.

Außerdem müsst Ihr nicht nur den Schlitz einschneiden sondern auch etwas ausschneiden. Eine CD ist zu dick und daher muss man wirklich einen Schlitz von 1-2 mm schneiden. Ganz genau muss es nicht sein, aber die CD sollte ohne Gewalt dort reingeschoben werden können.

Schritt 3:

IMG_0642Nun kommt der schwierigste Teil. Der Schlitz. Nun muss man mit dem Teppichmesser auf der Gegenüberliegenden Seite eine Schlitz in die Pappe schneiden.

Der Schlitz sollte zum Schluss ca. 1 mm groß sein und je feiner der Schlitz ist, desto besser wird das Licht gebrochen. Das heißt umso genauer ist das Spektrum.

Ich habe mit dem Teppichmesser einen Schlitz von 2-3 mm eingeschnitten. Das musste sein, da der Karton auch dort doppelt war und ich sonst nicht an den inneren Karton gekommen wäre.

Danach habe ich mit Packetklebeband den Schlitz verkleinert. Ein Kollege von mir hat zum Beispiel zwei Rasierklingen an diese Stelle geklebt und mit den Rasierklingen den Schlitz gebildet.

Die Anleitung vom Caltec nimmt Alufolie dafür. Egal wofür Ihr Euch entscheidet, der Schlitz muss sauber und möglichst schmal sein.

IMG_0645Damit ist nun man nun auch Fertig.

Das Endprodukt sieht dann so aus. Es ist halt ein Kartoffelpüree-Spektrometer.

Man kann zum Schluss das ganze noch stabilisieren und ich bin auch am Überlegen das Spektrometer noch zu optimieren.

Zum Beispiel sollte es einfacher sein das Spektrum zu sehen, wenn man oben das Quadrat verkleinert. Dann ist es ja dunkler in der Box.

Das Ergebnis.

IMG_0638Ich habe als erstes das Spektrum einer Kerze aufgenommen. Das ist gar nicht so einfach ein Foto vom Spektrum zu machen.

Auf dem ersten Bild rechts seht Ihr ein Spektrum. So sieht das aus, wenn man in den Karton schaut. Natürlich interessiert mich nur das Spektrum und hier hat meine Kamera einfach versucht alles darzustellen. Daher habe ich mal auf manuelle Steuerung gestellt und das Spektrum besser fotografiert.

Nun kann man mit dem Spektrometer herumspielen und alle möglichen Lichtquellen in seine Bestandteile zerlegen.

Spektrum einer Kerze

Nicht ganz scharf und ich musste es rausschneiden.

Kerze

LED-Taschenlampe

Eine LED-Taschenlampe. Aufgesetzt auf den Spalt und dann von vorn Fotografiert.

IMG_0631

Sonne

Bitte schaut nicht durch die Kamera auf die CD. Die Sonne ist extrem hell und hier muss man seine Augen einfach schützen. Ich hatte hier ein Stativaufbau verwendet.

IMG_0649

Fazit

Ein Spektrometer zu bauen ist echt nicht schwer und dauert keine halbe Stunde. Man kann damit viele Lichtquellen untersuchen. Will man wirklich Spektroskopische Untersuchungen von Materialien anstellen, braucht man ein wenig mehr.

Ich fand es spannend und es hat Spaß gemacht. Ich werde auch noch einige Lichtquellen untersuchen und vielleicht mein Spektrometer optimieren.

Ausblick

Das war nun der 5. und vorerst letzte Teil zu meiner kleinen Serie. Ich werde diese Artikel auf jeden Fall verfeinern und in einem eBook allen interessierten zur Verfügung stellen.

Dann kommt auch sicherlich mein optimiertes Spektrometer zur Vorstellung. Mal sehen was mir noch so einfällt. Ihr könnt ja mal Meldung geben, falls eines der Experimente Euch gefallen hat oder Ihr selbst eins gebastelt habt.

Zum den anderen Teilen im Projekt:

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