Bild 1: Der vollständige Versuchsaufbau
Eine der großen Schwierigkeiten bei der Interpretation von Spektren ist die Zuordnung der Linien. Diese Schwierigkeit wird noch dadurch vergrößert, dass das Rohspektrum auf der X-Achse mit der Einheit "Pixel" versehen ist und nicht, wie es für eine Linienzuordnung wesentlich einfacher wäre, mit einer akkuraten Wellenlängenskala in Nanometer oder Angström.
In diesem Fall hilft ein Eichspektrum, welches von einer Lichtquelle mit bekannten Emissionslinien ausgestrahlt wird. Nach solchen Lichtquellen muss man aber ein bisschen suchen. Ein erster Versuch wurde mit einer normalen Neon-Röhre durchgeführt, die auch die Linien des Quecksilbers ausstrahlt.
Nach einigem Literaturstudium trifft man dann irgendwann auf die Erwähnung von Neon-Glimmlampen. Diese Glimmlampen werden z.B. in Stromprüfern (220V) eingesetzt. Diese Schraubendreher-Stromprüfer kann man in jedem Baumarkt für ca. 99 Cent erwerben. Dann wird das Teil auseinandergebaut und die Neon-Glimmlampe mit dem Vorwiderstand entnommen. Die Glimmlampe wird mit einem Anschlusskabel für 220V versehen. ACHTUNG: Dies sollte nur von Elektrikern oder erfahrenen Hobby-Elektronikern gemacht werden!
Nun kann das gesamte Experiment aufgebaut werden um ein Spektrum der Glimmlampe aufzunehmen:
Bild 1: Der vollständige Versuchsaufbau
In Bild 1 sieht man auf der linken Seite im Vordergrund die SBIG-Kamera, mit der das Spektrum aufgenommen werden soll. Die Kamera ist am Spektrometer selbst befestigt. Dahinter liegt das Netzteil der Kamera. In der Mitte steht im Vordergrund eine Linse, die das Licht der Neon-Glimmlampe auf den Spalt des Spektrometers fokussiert. Um die richtige Höhe einzustellen, wurden diverse Computerbücher verwendet. Im Hintergrund ist die Steuerelektronik für das Spektrometer (oben) und die dazugehörige Stromversorgung (unten) zu sehen. Im rechten Bildbereich ist das Notebook zu sehen, welches verschiedene Software-Komponenten enthält. Zunächst benötigen wir die Steuersoftware für die CCD-Kamera: CCDSoft Version 5 von Software Bisque. Außerdem läuft auf dem Notebook eine selbst programmierte Software, welche das Gitter des Spektrometers über einen Schrittmotor in die gewünschte Position dreht. Schließlich ist auch die selbstentwickelte Software "SkySpec Version 2" installiert. Die Neon-Glimmlampe ist auf dem folgenden Bild wesentlich besser zu erkennen:
Bild 2: Der "interessante" Teil des Versuchsaufbaus
Die Position der Glimmlampe ist mit einem roten Kreis und einem Pfeil markiert. Die gesamte Versuchsanordnung wird nun noch gegen Fremdlicht abgeschirmt. Danach kann das Spektrum der Lampe aufgenommen werden.
Bild 3 zeigt den interessantesten Teil des Ne-Glimmlampen-Spektrums. Das Spektrum ist bereits in der X-Achse in Angström geeicht:
Bild 3: Das Spektrum der Ne-Glimmlampe
Die Linien im Bereich von 5800 bis 6600 Angström haben folgende Wellenlängen (von links nach rechts):
5852.49 Angström
5881.89 Angström
5944.83 Angström
5975.53 Angström
6030.00 Angström
6074.34 Angström
6096.16 Angström
6143.06 Angström
6163.59 Angström
6217.28 Angström
6266.49 Angström
6304.79 Angström
6334.43 Angström
6382.99 Angström
6402.25 Angström
6506.53 Angström
6532.88 Angström
Bild 4: Der langwelligere Teil des Spektrums
Der langwelligere Teil des Glimmlampen-Spektrums ist in Bild 4 zu sehen. Die Intensitäts-Skalierung in Bild 4 ist eine andere als in Bild 3!
Wenn man die Spektren eicht, kann man aber feststellen, dass die X-Achse nicht linear skaliert. Geht man von einer linearen Skala aus, dann können die Eichlinien im mittleren Bereich des Spektrums nicht mit den korrekten Wellenlängen zur Deckung gebracht werden. Dieser Effekt ist in Bild 5 deutlich zu erkennen:
Bild 5: Die unkorrekte Position der Eichlinien
Im linken und rechten äußeren Bereich können die gemessenen Linien mit den Eichlinien zur Deckung gebracht werden. Im mittleren Bereich dagegen ist die Übereinstimmung nicht zufrieden stellend. Es zeigt sich also, dass die Wellenlängen-Skala genauer geeicht werden muss, um exakte Messungen zu ermöglichen. Normalerweise wird ein Polynom höherer Ordnung als Eichfunktion benutzt:
Wellenlänge (exakt) = a0 + a1 * x + a2 * x2 + a3 * x3 + a4 * x4
Der Platzhalter "x" ist hier die Pixelposition im Spektrum. Die Platzhalter "a" sind zu berechnende Konstanten im Polynom. Die Berechnung der a-Konstanten dieses Polynoms und die korrekte Eichung des Spektrums wird in einem folgenden Artikel beschrieben.
Unser Versuch hat drei Dinge ans Tageslicht befördert:
1.) Ja, man kann eine Neon-Glimmlampe zum Eichen von Spektren benutzen. Die Linien des Elements Neon sind leicht und deutlich zu identifizieren und eignen sich darum ausgezeichnet zur Eichung von Spektren.
2.) Der Eichbereich reicht von ca. 5800 Angström bis ca. 7100 Angström. Im blauen, kurzwelligen Bereich kann man die Neon-Glimmlampe also leider nicht benutzen. In diesem Bereich liegen die Hg-Linien. Darum habe ich nun doch eine Hg(Ar)-Lampe für die Eichung bestellt.
3.) Mein Spektrometer hat leider (wie die meisten anderen Spektrometer auch) keine lineare Wellenlängenachse. Aus diesem Grund muss das Programm "SkySpec" so erweitert werden, dass dem Spektrum ein Polynom n-ter Ordnung als Eichung der Wellenlängenachse zugeordnet werden kann.