Спектрометр на базе конструктора LEGO сделает изучение физики дешевле

Немецкие преподаватели физики изготовили универсальный спектрометр в схеме Черни — Тернера с использованием конструктора LEGO и подручных материалов. Авторы показали, что с его помощь можно исследовать спектры атомной эмиссии, пропускания, отражения и флуоресценции. Перестройка прибора под разные задачи занимает несколько минут, а суммарная стоимость прибора не превышает 500 евро, что делает его отличным инструментом для лабораторных работ в школах и университетах. Результаты работы опубликованы в Physics Education.

Существует определенный разрыв в технологической базе, используемой для научных и образовательных целей. Оборудование, которое можно встретить в лабораториях школ или ВУЗов с не слишком большим бюджетом, как правило, годится для изучения только самых простых явлений. Фирмы, занимающиеся производством учебных лабораторных комплексов, стараются сократить этот разрыв, однако их продукция все равно остается довольно дорогой.

Это заставляет педагогов и инженеров изобретать способы, чтобы сделать максимально сложные явления доступными для исследования как можно большему числу людей. Не последнюю роль в этом играют смартфоны и еда. Особый интерес представляет продукция, полученная с помощью массового производства, например, батончики и печенье, поскольку в этом случае сохраняется высокая повторяемость отдельных единиц товара, а значит, и высокая степень воспроизводимости опытов, проведенных с их помощью.

В этом плане конструктор LEGO и совместимые с ним конструкторы оказывают инженерам большую помощь. Унифицированность форм-факторов его деталей, достигаемая с помощью литья под давлением, гибкость конструирования и надежность получающихся таким образом структур вкупе с его дешевизной помогают в изучении акустики и микрофлюидики, в 3D-печати и даже строительстве.

На этот раз к знаменитому конструктору обратились преподаватели из Оснабрюкского университета, Германия, во главе с Мирко Имлау (Mirco Imlau). Их задачей было создать дешевую установку по оптической спектроскопии для углубленного изучения студентами атомной и твердотельной физики. И хотя в литературе можно встретить инструкции по сборке дешевых самодельных спектрометров, большинство из них заточены под узкие экспериментальные задачи, а также имеют ограниченное спектральное разрешение. Авторам же удалось изготовить модульный прибор на базе деталей LEGO, который позволяет решать сразу несколько спектроскопических задач с минимальным временем перестройки и небольшой стоимостью.

Ученые выбрали схему Черни — Тернера в качестве модели для создания спектрометра. Она включается в себя входную щель, два вогнутых зеркала, дифракционную решетку и какой-либо приемный элемент. Все оптические компоненты были смонтированы на большую LEGO-пластину, из деталей конструктора авторы также собрали корпус спектрометра и крепеж для компонентов. Роль входной щели играли два бритвенных лезвия, а в качестве дифракционной решетки физики использовали кусочек от компакт-диска, который хорошо подходит на эту роль. Спектральные компоненты в схеме Черни — Тернера становятся пространственно разделенными, что авторы считывали с помощью коммерческого линейного массива ПЗС. С учетом того, что часть оптических компонентов спектрометра была куплена у профильных фирм, стоимость прибора достигла 500 евро, что, однако, существенно дешевле коммерческих спектрометров.

Схема спектрометра Черни — Тернера

Mattis Osterheider et al. / Physics Education, 2022

Физики продемонстрировали применимость своего прибора к нескольким учебным задачам. Для проведения атомно-эмиссионной спектроскопии они использовали стандартную для таких лабораторных работ ртутную лампу. В качестве заданий для студентов может выступать как юстировка ПЗС-линейки по известному спектру, так и изучение самих спектральных линий на настроенном приборе. Спектральное разрешение, достигнутое авторами, не превышало одного нанометра, что в несколько десятков раз лучше, чем у DIY-спектрометров, описанных в литературе.

Прибор также поддерживал работу в режиме спектроскопии пропускания, отражения и флуоресценции. Физики смогли провести на нем работу по измерению концентрации раствора перманганата калия в зависимости от интенсивности пиков в спектре пропускания, снять спектр излучения раствора флуоресцеина, а также посмотреть, как отличаются друг от друга спектры отражения разноцветных деталек LEGO. Время перестройки спектрометра от одного режима к другому не превысило пяти минут, что очень важно, учитывая ограниченное время школьных или университетских занятий. Авторы подчеркивают, что конструктор LEGO подходит не только для постройки спектрометра по схеме Черни — Тернера. Таким способом можно будет собрать множество других оптических схем, начиная от интерферометра Майкельсона и заканчивая системами с генерацией второй гармоники лазерного излучения.

Ранее мы рассказывали, как конструктор LEGO использовали для обучения программированию.