DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V.

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1 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht SCHÜEX BAYERN Lichtspektren von verschiedenen Lichtquellen Tobias Harand Schule: Albert-Schweizer-Gymnasium Erlangen Jugend forscht 2012

2 Lichtspektren von verschiedenen Lichtquellen Schüler Experimentieren 2012 Fachbereich Physik Tobias Harand (12 Jahre) betreut von Herrn Marco Wießler Albert-Schweitzer-Gymnasium Erlangen

3 Kurzfassung Weißes Licht ist nicht gleich weißes Licht. Es kommt darauf an, aus welcher Lichtquelle es kommt. Das merkt man zum Beispiel dann, wenn man eine Glühbirne gegen eine Energiesparlampe austauscht. Es ist das Ziel meiner Arbeit, die Unterschiede der Lichtspektren von Sonne, Glühlampen, Energiesparlampen und Leuchtdioden herauszufinden. Dazu habe ich mir selbst ein Spektroskop gebaut, das das weiße Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Diese habe ich dann mit einer Digitalkamera aufgenommen und miteinander verglichen. Die Unterschiede sind größer als gedacht und nicht jede weiße Lichtquelle zeigt auch alle Spektralfarben, die es gibt. Tobias Harand, ASG-Erlangen 2

4 Inhalt: 1. Einleitung 2. Erzeugung von Lichtspektren 3. Bau eines Spektroskops 4. Aufgenommene Lichtspektren 5. Zusammenfassung 6. Quellenverzeichnis Tobias Harand, ASG-Erlangen 3

5 1. Einleitung Es gibt verschiedene Leuchtmittel, z.b. Halogenlampe, Glühlampe, LED, Energiesparlampe und Leuchtstoffröhre, doch das weiße Licht von ihnen ist nicht gleich. Das Licht einer Glühlampe wirkt warm, das einer weißen LED eher kalt. Nimmt man mit einer Digitalkamera bei fest eingestelltem Weißabgleich (Tageslicht, bewölkt ) unter verschiedenen Beleuchtungen eine weiße Tafel auf, so bekommt das Bild unterschiedliche Farbstiche. Die Farben eines aufgemalten Regenbogens wirken auch unterschiedlich: Normale Glühlampe Halogenlampe Energiesparlampe weiß Energiesparlampe warmweiß Weiße LED-Taschenlampe Tageslicht Tobias Harand, ASG-Erlangen 4

6 Weißes Licht ist in Wirklichkeit eine Mischung verschiedener Spektralfarben. Das sieht man zum Beispiel in einem Regenbogen, in dem das Sonnenlicht von den Regentropfen in seine Spektralfarben aufgespalten wird. Auch wenn man auf eine CD schaut, sieht man diese Spektralfarben in den Lichtreflexen. Meine Absicht ist, die Unterschiede in den verschiedenen Lichtspektren zu untersuchen. Dazu baue ich mir ein Spektroskop und nehme diese Farbspektren mit einer Digitalkamera auf. 2. Erzeugung von Lichtspektren Glasprisma (Lichtbrechung) : Man kann mit einem Glasprisma das Licht durch Brechung in seine Spektralfarben aufspalten. An den Oberflächen des Prismas wird das Licht abgelenkt, wenn es schräg auf die Fläche trifft. Durch die besondere Form des Prismas wird das Licht zweimal in die gleiche Richtung abgelenkt und verlässt das Prisma unter einem bestimmten Winkel. Mit einem Diaprojektor und zwei Spalten aus Pappe kann man ein schmales Lichtbündel erzeugen und den Verlauf der Lichtstrahlen sichtbar machen: Vom Prisma reflektiertes Licht Licht vom Diaprojektor Prisma Vom Prisma reflektiertes Licht Abgelenkter Lichtstrahl In diesem Bild sieht man, wie der Lichtstrahl abgelenkt wird, man kann aber kaum eine Aufspaltung in verschiedene Farben erkennen. Tobias Harand, ASG-Erlangen 5

7 Dreht man das Prisma ein bisschen, wird der Ablenkwinkel größer und das Spektrum besser sichtbar. Die einzelnen Spektralfarben werden im Prisma unterschiedlich stark abgelenkt. Der Ablenkwinkel ist bei violett / blau am größten und bei rot am kleinsten. Spektralfarben der Lichtquelle Optisches Gitter (Lichtbeugung) Man kann das Licht aber auch durch Beugung mit einem optischen Gitter (Durchlicht- Beugungsgitter) in seine Spektralfarben aufspalten. Unbeleuchtet Seitlich beleuchtet Tobias Harand, ASG-Erlangen 6

8 Das Lichtbündel, das auf das Durchlicht-Beugungsgitter trifft, läuft zum Teil einfach gerade durch, zum Teil wird es aber auch zu beiden Seiten abgelenkt. Rotes Licht wird dabei am stärksten abgelenkt, violettes/blaues Licht am schwächsten, genau umgekehrt wie beim Prisma. Dadurch werden die abgelenkten Strahlen spektral aufgespalten. Abgelenktes Lichtspektrum Licht vom Diaprojektor Durchlicht-Beugungsgitter Abgelenktes Lichtspektrum Im Vergleich zum Prisma ist die Aufspaltung mit meinem Gitter stärker, aber die Spektren sind dafür nicht so hell. Das liegt daran, dass im Gitter nur ein Teil des Lichts abgelenkt wird und auf 2 Spektren verteilt wird. Tobias Harand, ASG-Erlangen 7

9 3. Bau eines Spektroskops Ein Spektroskop ist ein Gerät, mit dem man Lichtspektren von beliebigen Lichtquellen erzeugen kann. Das Wichtigste dabei ist ein Durchlicht-Beugungsgitter oder Prisma. Ich habe mich wegen der breiteren Spektren für das Gitter entschieden. Es ist ein Durchlicht-Beugungsgitter vom AstroMedia -Versand. Es besteht aus einer 0,05mm dicken Acetatfolie und hat Tausend Linienpaare pro Millimeter. Die Folie befindet sich in einem Diarähmchen. (Bilder siehe oben) Außerdem benötigt man einen dünnen Spalt, durch den das Licht scheint, um die Spektralfarben nachher gut voneinander unterscheiden zu können. Bei einer breiten Lichtquelle ohne Spalt überlappen sich die einzelnen Farben im Spektrum und vermischen sich. Ich habe einen Spalt gebastelt, indem ich in eine etwas dickere Alufolie mit einem Cutter einen Schlitz geritzt habe. Die Alufolie mit dem Spalt kam dann in ein Diarähmchen. Um einen einstellbaren Spalt zu bekommen, habe ich dann noch die zwei scharfen Kanten einer Rasierklinge in ein Diarähmchen nebeneinander gelegt und die offenen Seiten mit Alufolie abgedeckt. Die Rasierklingenteile kann man verschieben und so die Spaltbreite einstellen. Je dünner der Spalt ist, umso besser werden die Farben im Spektrum getrennt, aber umso weniger Licht hat man dann auch zur Verfügung. Daher ist es wichtig, dass in das Spektroskop nur Licht durch den Spalt fällt und kein störendes Umgebungslicht auf das Gitter fällt. Es musste also ein so stark wie möglich abgedunkeltes Gehäuse gebaut werden. Ich habe ein CS-Diamagazin benutzt, in das ich die Diarähmchen mit Spalt und Gitter einstecken kann. Über das Magazin wurde ein Deckel aus Pappe gestülpt, der innen mit schwarzem Samtpapier beklebt ist, um Streulicht aufzufangen. Das reichte aber nicht aus, um alles Streulicht aufzufangen. Deswegen habe ich noch mehrere leere Diarähmchen als Blenden eingesteckt. Tobias Harand, ASG-Erlangen 8

10 Stellt man nun vor den Spalt eine helle Lichtquelle und schaut man auf der anderen Seite schräg durch das Gitter in das Gehäuse, so kann man das Spektrum sehen. Mit einem Fotoapparat an Stelle des Auges kann man das Spektrum auch fotografieren. Das Gitter spiegelt aber auch Licht aus der Umgebung. Deswegen habe ich mir ein Prisma aus schwarzer Pappe mit einer Öffnung für das Spektroskop und einer für den Fotoapparat gebaut. Die Öffnung für den Fotoapparat (EOS 450D + Objektiv EFS 1:2.8/60mm) steht im 34 Winkel zu der Öffnung für das Spektroskop, weil dann das Spektrum komplett auf dem Bild zu sehen ist. Der Fotoapparat muss auf den Spalt scharf gestellt werden. Je nach Helligkeit der Lichtquelle und Breite des Spaltes muss man die Belichtungszeit sinnvoll einstellen, damit das Spektrum nicht überbelichtet, aber auch nicht zu schwach ist. Tobias Harand, ASG-Erlangen 9

11 4. Aufgenommene Lichtspektren Mit meinem selbstgebauten Spektroskop habe ich einige Spektren von verschiedenen Lichtquellen aufgenommen. Glühlampen Standard-Glühbirne: Halogenlampe: Wie man sieht, sind die Spektren von normaler Glühbirne und Halogenlampe ziemlich gleich, sie zeigen lückenlos alle Spektralfarben, die es gibt. Sonne: Aufnahme mit sehr dünnem Spalt. Das Licht wurde mit einem Spiegel in das Spektroskop gelenkt. Auch das Sonnenlicht enthält alle Spektralfarben, bis auf einige dunkle Streifen. Diese nennt man Fraunhoferlinien, die durch Lichtabsorption in der Sonnen- und Erdatmosphäre entstehen (Information aus ABC der Optik ). Kerze: Das Spektrum ist ähnlich wie das der Glühlampen, nur der Blauanteil ist geringer. Tobias Harand, ASG-Erlangen 10

12 Energiesparlampen Normale Energiesparlampe: Warmweiße Energiesparlampe: Energiesparlampe länger belichtet: Die Energiesparlampe hat nur bestimmte Spektralfarben und kein durchgehendes Spektrum. Der Blauanteil ist geringer als der Rot- und Grünanteil. Normale und warmweiße Energiesparlampen haben die gleichen Spektrallinien, bei der normalen Lampe sieht man im blauen Bereich zwischen den blauen und grünen Linien zusätzlich noch Lichtschleier. Macht man eine Aufnahme mit längerer Belichtungszeit sieht man neben den hellen Linien noch viele schwächere Linien. Roter Laserpointer: Ein Laserpointer ist zu stark, um direkt aufgenommen zu werden. Daher habe ich vor den Spalt ein Blatt Papier gelegt und den Laserstrahl dadurch abgeschwächt. Das Spektrum besteht nur aus einer einzigen tiefroten Spektrallinie. Die Lichtwellenlänge beträgt 670nm. Tobias Harand, ASG-Erlangen 11

13 Leuchtdioden: Weiße LED: Die weiße LED hat einen großen Blauanteil, durch den das Licht kalt wirkt. Zwischen Blau und Grün ist eine deutliche Lücke. Sonst ist das Spektrum durchgehend. RGB-LED: Eine RGB-LED besteht aus jeweils einer roten, grünen und blauen Leuchtdiode, die zusammen in einem Gehäuse untergebracht sind. Man kann sie einzeln dimmen. Lässt man alle drei Dioden leuchten, entsteht weißes Licht. Im Spektrum kann man sehen, dass nicht alle Spektralfarben gleichstark vorhanden sind. Hier die Spektren der einzelnen Leuchtdioden der RGB-LED, die alle nur einen Teil des gesamten Lichtspektrums abdecken und daher farbig erscheinen: Andere Blaue LED: Dies ist das aufgenommene Spektrum einer einfachen, blauen Leuchtdiode. Tobias Harand, ASG-Erlangen 12

14 5. Zusammenfassung Wenn man das Licht aus verschiedenen weißen Lichtquellen in seine Spektralfarben aufspaltet, fällt einem auf, dass das Licht doch recht unterschiedlich zusammengesetzt ist. Durch Hitze entstehendes Licht (Sonne, Glühlampe, Kerze) besteht aus durchgehend allen Spektralfarben. Dagegen sind im Licht aus modernen Lichtquellen (Energiesparlampe, Leuchtdiode) die verschiedenen Spektralfarben sehr unterschiedlich stark vertreten. Damit Licht weiß erscheint, müssen nicht alle Spektralfarben vorhanden sein. Es reicht, wenn blaue, grüne und rote Anteile in etwa gleicher Stärke vorhanden sind. Fehlt einer dieser Bereiche oder ist einer nur schwach vertreten, so erscheint das Licht farbig. Je schmaler das Spektrum ist, desto klarer ist die Farbe. 6. Quellenverzeichnis > AstroMedia-Versand, Bastelmaterial, Internet (Aufruf am ): > K.Mütze u.a., ABC der Optik, Verlag Werner Dausien 1961 > Gottfried Schröder, Technische Optik Grundlagen und Anwendungen, 7.Auflage, 1990, Vogel Buchverlag Würzburg, ISBN X > Volker Martini, Selbstbau eines Spektrometers für die Digitalkamera, , Internet (Aufruf am ): > Alle Bilder in dieser Arbeit wurden entweder von mir selbst oder meinem Vater Bernd Harand aufgenommen. Erlangen, Januar 2012 Tobias Harand, ASG-Erlangen 13