Спектрометр

Вечерний костер на берегу Кучерлинского озера на Алтае

В публикациях в интернете по-разному объясняется, как возникает цвет пламени у костра

Существует две принципиально разные версии. В одной говорится, что излучают раскаленные частицы углерода размером около 100 нм, во второй - что желтый цвет возникает при излучении солей натрия, находящихся в древесине.

В многочисленных публикациях одно или другое из этих объяснений. На форумах обсуждается эта тема, но никто не ссылается на результаты экспериментов.

Вот пример типичных публикаций:

То есть, до настоящего времени нет общепринятого варианта объяснения механизма видимого излучения, возникающего в процессе горения костра!

И все же - почему костер желтый?

Я решил провести эксперименты и найти правильный ответ. Мне нужно было измерить спектр видимого излучения пламени костра и объяснить результаты. Если спектр будет сплошным верна первая версия, если мы будем наблюдать двойную линию натрия вторая.

Замечу, в русскоязычном и англоязычном интернете мне не удалось найти подобных спектров.

Для проведения работы я изготовил и настроил спектрометр.

Самодельный спектрометр

В интернете много публикаций и роликов о том, как сделать спектрометр из DVD диска, однако характеристики этих приборы не позволяют провести нужные измерения. Мне же удалось сделать качественный спектрометр.

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Измерение спектра пламени костра

Были проведены классические эксперименты - измерены спектры Солнца, лазеров, пламени газовой горелки и всевозможных ламп. Спектрометр прошел проверку и теперь можно было приступать к исследованию пламени костра.

Исследуемое пламя костра в каминеЯ разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени

Измерим спектр линии огня - так я назвал увиденную линию.

На фоне очень слабого непрерывного черно-тельного спектра были зарегистрированы две яркие желтые лини с длинами волн 589,0 нм и 589,6 нм. Согласно базе данных NIST - это линии натрия.

Спектры калибровочной лампы, костра в камине, поваренной соли и золы из камина

Ниже на фотографии показана часть спектра пламени костра с большим увеличением, чтобы можно было рассмотреть двойную линию натрия 589,0 нм и 589,6 нм на фоне непрерывного спектра раскаленных частиц углерода:

Крупным планом спектральные линии натрия в костре и линии натрия в золе, горящей в спирте.

В дальнейших исследованиях 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.

Обсуждение результатов экспериментов

Почему мы видим желтый цвет, физиология

Чтобы правильно объяснить результаты экспериментов надо понимать, как наши глаза воспринимают излучения разной длины волны и как мозг обрабатывает эту информацию.

Коротко и очень, очень упрощенно напомню хорошо известные факты. Мы воспринимаем цвет желтым по разным причинам: в одном случае, когда в сетчатку глаза попадает излучение узкого спектра с длинной волны в диапазоне 570нм 590нм, и во многих других, когда в глаза попадает излучение разного спектрального состава. Например, красный и зеленый в правильных пропорциях будут восприниматься как желтый. На экране мониторов мы создаем как раз такой желтый цвет.

То есть наши глаза и затем мозг создают иллюзию цвета и поэтому для понимания физических и химических процессов нам и требуется измерение спектра.

Заблуждение, которое встречается во многих публикациях, в которых объясняют желтый цвет костра - Цвет костра вызван излучением натрия

Данный эксперимент показывает - появление двойной линии натрия не оказывает какого-либо заметного изменения цвета.

Небольшие пояснения

Сравним спектры излучения Солнца и пламени костра.

В солнечном спектре максимум приходится на зеленый цвет, а мощность красного и синего меньше. Излучение именно с такой спектральной характеристикой воспринимается как белый цвет.

В пламени костра из атомов углерода образуются частицы сажи размером до 100нм. Эти частицы 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. Желтый цвет костра это случайное совпадение.

Влияние солей натрия

В процессе горения появляется зола в которой содержатся соли, в том числе и соли натрия. Золы совсем немного. Она начинает подниматься в пламени вверх, и яркая двойная желтая линия натрия постепенно появляется в спектре. Однако ее появление не сказывается заметно на цвете костра, так как желтый цвет от непрерывного спектра глаза уже воспринимают.

Мощность излучения натрия значительно меньше, чем суммарная мощность непрерывного спектра.

Выводы

То, что мы видим костер желтым, не означает, что идет излучение в узком спектральном диапазоне натрия. Наши глаза и мозг воспринимают непрерывный спектр как желтый цвет.

Появление дополнительно яркой линии натрия мало влияет на восприятие цвета костра, который остается таким же желтым. Для нас не заметно изменение цвета, так как такой цвет уже был. Кстати, если бы за цвет костра отвечал только натрий, оттенков бы не было, так как мы бы видели чистый спектральный цвет.

Почему же популярной остается версия о том, что желтый цвет костру придает линия натрия? Скорее всего, случайное совпадение цвета линии натрия и черно-тельного спектра углерода и привело к путанице.

Цвет пламени костра дают ярко светящиеся частицы углерода. Влияние на цвет излучения натрия минимально.

О том, как сделать качественный спектрометр и как правильно проводить эксперименты читайте в моей статье "Самодельный спектрометр с высоким разрешением"

Полезные ссылки:

1. И. А. Леенсон Химия и жизнь 2, 2011 Химия пламени. В статье рассказывается, в том числе, как в пламени возникают светящиеся наночастицы углерода.

2. Информационная система Электронная структура атомов. Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов. Ссылка для натрия.

3. Максим Бондаренко, Как мы воспринимаем цвет. Доступно и интересно написано о сложном.

Радуга над плато УКОК на Алтае

Хорошее разрешение достижимо

В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Конструкция и изготовление прибора

Дифракционная решетка

Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске

Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.

Дифракционная решетка из DVD-R диска

Изготовление сменных оптических щелей

В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.

Корпус спектрометра

Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.

Оптика и регистрация спектра - фотоаппарат NIKON D5100

Зеркальная фотокамера NIKON D5100

Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.

Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.

Настройка и калибровка спектрометра

Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.

Лампа для калибровки

Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.

Спектр лампы с линиями ртутиДве линии ртути крупным планомЕще крупнее

Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3пикселям матрицы. Делаем вывод разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.

Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench

Спектр лампы, которую я применял для калибровки

Измерение различных спектров

Были проведены несколько классических экспериментов.

Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. ПолденьСпектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нмОпыты по определению концентраций растворов KMnO4Спектр пламени газовой горелки

Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр - измерение спектра пламени костра

Исследуемое пламя костра в каминеЯ разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени

На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.

Обработка результата

Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.

Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени

Что это за линия и как она возникает - читайте в моей статье "Спектральный анализ пламени костра. Что делает огонь желтым наночастицы углерода или соли натрия?"

http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/545710/

Полезные ссылки:

1. Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.

https://spectralworkbench.org

2. Информационная система Электронная структура атомов. Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.

http://grotrian.nsu.ru/ru/periodictable/

Предисловие

Это вторая часть обзора дозиметра-радиометра-спектрометра RadiaCode-101, новинки 2021 года в мире дозиметров от компании Скан-Электроникс. В первой части мы рассмотрели прибор, его характеристики, провели некоторые тесты и испытали функцию гамма-спектрометра. Но, прибор позволяет подключатся к смартфонам или ПК, поэтому сегодня мы рассмотрим программное обеспечение для них. Обзор описывает состояние приложения на начало июня 2021, v. 1.00.15, в дальнейшем, возможно, будут дополнения.

Android-приложение

Приложение для управления RadiaCode-101 бесплатное, доступно в Google Play и называется RadiaCode. После скачивания и установки мы попадаем в основное тело приложения, где имеются три вкладки: "Главная", "Журнал", "Спектр".

Во вкладке "Главная" по центру расположены два графика, отображающие скорость счета и мощность доза, а также их значения. Сбоку от графиков имеется шкала мощности дозы, с отметкой установленных порогов, и элементы управления, с помощью которых можно масштабировать и пролистывать графики. Сверху располагаются индикаторы состояния прибора, такие как уровень сигнала, уровень заряда батареи прибора, температура сцинтилляционного детектора, а над ними накопленная доза и время ее накопления.

Вкладка "Главное"

Вкладка "Журнал" представляет собой таблицу, в которую заносятся события и параметра прибора, автоматические измерения, измерения, выполненные вручную и измерения по расписанию. Сверху таблицы отображаются условные обозначения типов записей и значок "Настроек журнала". В "Настройках журнала" можно выбрать, какие события будут отображаться и как сортироваться. При длительном нажатии на запись в журнале ее можно выделить, а затем, при нажатии трех точек в верхнем правом углу, комментировать или удалить, а также очистить весь журнал.

Вкладка "Журнал"

Вкладка "Спектр" представляет собой поле, в котором происходит построение спектрограммы. Поле имеет две отградуированные оси, и элементы масштабирования и управления слева. Помимо этого сверху отображается время набора и частота обновления спектрограммы. Спектр можно приближать, изменять масштаб с логарифмического на линейный, изменять отображение фона. При нажатии трех точек можно перезапустить накопление спектра, поделится им, сохранить в "Библиотеку спектров" или войти в нее. "Библиотека спектров" представляет из себя список всех сохраненных спектров с небольшой иконкой, которые можно переименовывать, устанавливать как фон, делиться ими или удалять. Накопленные спектры можно экспортировать в формате .csv при нажатии кнопки "Поделиться спектром", а затем импортировать в Bequerel Monitor или InterSpec. Возможно три варианта отображения фона на спектре: без наложения фона, наложение поверх, отображение разницы фона и спектра. Накапливаемый спектр подсвечивается оранжевым, фон зеленым, а разница фиолетовым. В "Настройках спектра" можно выбирать единицы осей, масштаб, отображение фона и последнего канала, варианты отрисовки спектра и фона. Также через "Настройки спектра" можно ввести калибровочные коэффициенты (не трогайте эти настройки, если вы не знаете, как калибровать прибор, о калибровке будет отдельная статья).

Вкладка "Спектр"

В самом верху основного тела приложения отображается его версия, серийный номер подключенного прибора, версия его прошивки и "Панель быстрого доступа", при помощи которой можно управлять свето-, звуко- и вибро-сигнализацией прибора, а также выключить его дистанционно, если, например, RadiaCode-101 находится в рюкзаке.

Панель быстрого управления

Помимо этого в приложении есть выпадающее меню, вызываемое нажатием на три полоски слева в верхнем углу. В данном меня содержатся такие пункты как "Приборы", "Настройки приложения", "Настройки прибора", "Карта", "Справка", "Обратная связь" и "О RadiaCode".

В пункте "Приборы" можно выбрать интерфейс соединения, а затем и прибор, чтобы подключится к нему, также есть режим "Demo", для демонстрации работы приложения.

Пункт "Приборы"

Пункт "Настройки приложения" позволяет изменять язык приложения, настраивать сигналы телефона, изменять настройки графиков в пункте "Главное", изменять настройки местоположения и расстояние между маркерами на карте. Имеются так же "Экспертные настройки", которые лучше не трогать, это может привести к неправильной работе приложения.

Пункт "Настройки приложения"

В пункте "Настройки прибора" можно изменять абсолютно все параметры RadiaCode-101 дистанционно, очень удобная функция, если прибор находится в сумке.

Пункт "Настройки прибора"

А вот на пункте "Карта" остановимся поподробнее. Он представляет собой окно с Google-картой в центре, цветовой шкалой мощности дозы справа и элементами управления сверху. Для чего это нужно? Дело в том, что RadiaCode-101 вкупе с приложением смартфона умеет строить трек своего перемещения, отмечая новую позицию маркером на карте, цвет которого зависит от мощности дозы в этом месте. Таким образом, при помощи прибора и смартфона можно составлять карты радиационного фона на местности. Вернемся к элементам управления вверху окна. Данные элементы позволяют просмотреть список записанных треков, автоцентрировать карту, автоматически раскрасить маркеры по минимальным и максимальным значениям мощности дозы, быстро запустить или приостановить запись текущего трека, свернуть цветовую шкалу, а значок настроек позволяет войти в "Настройки карты", где можно изменять настройки, связанные с отрисовкой карты и маркеров, определением местоположения. Раздел "Треки" позволяет просмотреть записанные треки, переименовать, удалить или поделиться ими, а также начать запись нового трека. Для этого необходимо включить определение геолокации (GPS) на телефоне и нажать на зеленый значок справа в верхнем углу. После ввода названия и подтверждения на карте начнут появляться метки, расстояние между ними можно изменить в пункте "Настройки приложения". После остановки записи трек можно будет посмотреть на карте в приложении. Пример трека находится в спойлере ниже.

Пункт "Карта"

Пункт "Справка" состоит из структурированного набора справок, разбитых по разделам. Данный пункт описывает все без исключения функции приложения, и призван помочь пользователю разобраться в работе программы.

Пункт "Справка"

Пункт "Обратная связь" позволяет отправить отчет или сообщение разработчикам прибора, а в пункте "О RadiaCode" имеется история изменений приложения, данные прибора, подключенного в настоящий момент и версия android-приложения.

Пункты "Обратная связь" и "О RadiaCode"

Программа для Windows

Программа RadiaCode для Windows доступна для скачивания на сайте Скан-Электроникс в разделе "Загрузки". Программа почти полностью дублирует приложение для смартфона, за исключением немного другого оформления. Здесь так же имеются вкладки "Графики", "Журнал" и "Спектр", "Настройки прибора" и функции как в мобильной версии, за исключением "Карт" и наложения фона на спектр. Для стационарного использования такого набора функций более чем достаточно.

RadiaCode для Windows

Итоги

Надо отметить, что у разработчиков получилось реализовать удобное и функциональное ПО для работы с прибором. На данный момент ПО RadiaCode-101 немного "сыровато", но разработчики активно исправляют ошибки и добавляют функции, которых просто нет в продуктах других производителей, обновления выходят часто и ПО быстро развивается. Учитывая то, сколько нововведений и исправлений ошибок было сделано, мне кажется, что прибор и его ПО имеют большую перспективу.

P.S. В дальнейшем после глобальных обновлений ПО и функций RadiaCode-101 будут дополнения, а также я намереваюсь написать статью про калибровку этого прибора.

Всех тех, кто купил прибор, приглашаю в Telegram-чат прибора, здесь можно узнать новости, задать вопросы, сообщить разработчикам о багах:https://t.me/radiacode101

Купить прибор можно на сайте компании Скан-Электроникс.

Буду рад, если обзор оказался полезным или интересным!