طیف‌سنج نوری خانگی با وبکم؛ یک آزمایشگاه کوچک بساز

اول بیایم خیلی ساده ببینیم داستان طیف‌سنجی چیه. این مفاهیم معمولا تو کلاس‌های فیزیک مطرح می‌شن، ولی درک عملی اون‌ها خیلی جذاب‌تره.

طیف‌سنج دستگاه هوشمندانه‌ای برای اندازه‌گیری ویژگی‌های نوره. این ابزار به دانشمندها اجازه می‌ده آزمایش‌های زیادی انجام بدن؛ از تشخیص مواد تشکیل‌دهنده اشیای روزمره گرفته تا کشف عناصر موجود در سیارات دور.

مبنای کار این دستگاه اینه که یک پرتو نور ناشناخته به یک عنصر نوری می‌تابه. این عنصر، پرتو نور رو بر اساس طول موج‌های مختلفی که داخلش وجود داره، می‌شکافه و از هم جدا می‌کنه.

هر طول موج به مقدار متفاوتی منحرف می‌شه. با اندازه‌گیری دقیق این انحراف‌ها، می‌شه فهمید نور از چه اجزایی تشکیل شده و حتی منبع اصلی اون در فاصله میلیون‌ها کیلومتری، چه ویژگی‌هایی داشته. قدیما دانشمندها از منشور برای تجزیه پرتو نور و از عدسی‌های چشمی متحرک برای اندازه‌گیری زاویه انحراف استفاده می‌کردن.

اما امروزه، شبکه‌های پراش (Diffraction Grating) جای منشور رو گرفتن و سنسورهای الکترونیکی جای چشم انسان رو پر کردن تا داده‌ها مستقیم به کامپیوتر منتقل و پردازش بشن.

تو این مرحله باید وسایلت رو جمع‌وجور کنی. خوبی این پروژه اینه که بیشتر قطعاتش رو احتمالا همین الان تو خونه پیدا می‌کنی و اصلا نیازی به تهیه قطعات گرون‌قیمت نیست:

• کارتن یا مقوای ضخیم
• کاغذ مشکی
• دی‌وی‌دی (DVD) قدیمی
• تیغ کاتر
• وبکم
• چسب
• چسب نواری

به جز وبکم که ممکنه از قبل داشته باشی، بقیه وسایل تقریبا برات هیچ هزینه‌ای ندارن.

+8

حالا بریم سراغ ساخت محفظه تاریک. می‌تونی از یه جعبه آماده استفاده کنی، ولی ساختنش از صفر باعث می‌شه دقیقا فیت وبکمت دربیاد. اول ابعاد وبکم رو اندازه بگیر:

1. ارتفاع بدنه وبکم
2. عرض بدنه
3. ارتفاع قرارگیری لنز از سطح زمین

حالا یک جعبه با ابعاد زیر طراحی کن:

• طول بین 20 تا 25 سانتی‌متر
• عرض جعبه، 2 سانتی‌متر بیشتر از عرض وبکمت باشه
• ارتفاع جعبه، 1 سانتی‌متر بیشتر از ارتفاع وبکمت باشه

با توجه به این اندازه‌ها، 6 تا مستطیل برای وجه‌های مختلف جعبه روی کارتن بکش و با کاتر ببرشون. روی پنل پشتی یه شکاف در بیار تا کابل وبکم ازش رد بشه. روی پنل جلویی هم، دقیقا هم‌ارتفاع با لنز وبکم، یه سوراخ 2 در 1 سانتی‌متر ایجاد کن.

تمام این قطعات کارتنی رو با چسب روی کاغذ مشکی بچسبون و بعد دورتادور مقواها رو ببر. یه ترفند خوب اینه که پشت قطعات با مداد اسمشون رو بنویسی تا موقع مونتاژ کردن قاطی نشن.

+3

بریم که قطعات رو سرهم کنیم. پنل پایینی و دو تا پنل کناری رو کنار هم قرار بده و با نوار چسب به هم بچسبونشون. بعدش پنل‌های پشت و جلو رو اضافه کن. حواست باشه جهت‌ها درست باشن و بخش مشکی‌رنگ همیشه سمت داخل جعبه بیفته.

پنل بالایی رو فقط از یک لبه چسب بزن تا مثل در لولایی باز و بسته بشه. این‌طوری هر وقت خواستی می‌تونی جای وبکم رو تنظیم کنی. برای اینکه نوری از لبه‌های بالایی وارد نشه، چند تکه کارتن کوچیک اضافه دور لبه‌ها بچسبون تا روی هم اورلپ بشن.

از یکی از شکاف‌ها داخل جعبه رو نگاه کن؛ باید تاریکی مطلق باشه. اگه دیدی از درزی نور میاد، روش رو با چسب برق مشکی یا هر چسب مات دیگه‌ای کامل بپوشون.

برای ساخت شکاف ورودی نور، یکی از تیغ‌ها رو به صورت عمودی روی سوراخ پنل جلویی قرار بده و بچسبون تا نیمی از سوراخ رو بپوشونه. تیغ دوم رو دقیقا موازی تیغ اول تنظیم کن. برای اینکه یه فاصله خیلی باریک میلی‌متری بینشون بیفته، می‌تونی از یه ورق کاغذ استفاده کنی. بعد از تنظیم، تیغ دوم رو هم محکم بچسبون و با چسب برق دورتادور تیغ‌ها رو کاور کن تا نور فقط از همون شکاف مویی وارد بشه.

+3

این مرحله مهم‌ترین بخش پروژه‌ست. شبکه پراش قراره نور رو تجزیه کنه و طیف نوری بسازه. یه گزینه اینه که این شبکه رو آماده بخری. اما یه راه خیلی جذاب‌تر و بی‌هزینه، استفاده از یه DVD قدیمیه که دقیقا همون عملکرد شبکه پراش رو بهت می‌ده.

با قیچی یه برش روی دی‌وی‌دی بزن. می‌بینی که لایه‌های اون از هم باز می‌شن. دو تا لایه رو کامل از هم جدا کن و اون نیمه‌ای که لایه نقره‌ای‌رنگ داره رو دور بنداز. حالا از همون لایه شفاف، یه تیکه مستطیل یا مربع کوچیک، کمی بزرگ‌تر از ابعاد لنز وبکم ببر.

این تیکه طلق رو با یه چسب موقت و خیلی کم، روی لنز وبکم بچسبون. چسبت باید جوری باشه که اگه بعدا خواستی وبکم رو برای کار دیگه‌ای استفاده کنی، به راحتی بتونی طلق رو جدا کنی.

نکته فوق‌العاده مهم: خطوط و شیارهای طلق دی‌وی‌دی باید به صورت عمودی و کاملا موازی با شکاف تیغ‌ها قرار بگیرن. اگه کج باشن یا زاویه داشته باشن، طیف نوری درست تشکیل نمی‌شه.

وقتی شبکه پراش روی لنز چسبید، کابل وبکم رو از شکاف پشتی جعبه رد کن. وبکم رو انتهای جعبه، روبروی شکاف جلویی قرار بده. زاویه وبکم باید حدود 30 درجه نسبت به پنل جلویی باشه.

قبل از اینکه جاش رو ثابت کنی، کابلش رو به کامپیوتر وصل کن و برنامه دوربین رو باز کن. جعبه رو سمت یه منبع نور بگیر و جای وبکم رو اون‌قدر آروم تغییر بده تا طیف رنگین‌کمانی نور، دقیقا بیاد وسط تصویر کامپیوترت. وقتی کادر ایده‌آلت رو پیدا کردی، همون‌جا وبکم رو با استفاده از چسب دوطرفه به کف جعبه محکم کن.

+1

برای اینکه مطمئن بشی دستگاهت دقیق کار می‌کنه، اون رو سمت یه منبع نور ثابت بگیر. ارتفاع دستگاه و منبع نور رو تنظیم کن تا تو یک راستا باشن. می‌تونی از چند تا کتاب یا هر وسیله دیگه‌ای زیر جعبه استفاده کنی تا دقیقا هم‌تراز بشن.

حالا دوباره تصویر دوربین رو روی کامپیوتر چک کن. باید یه طیف نوری تمیز و واضح رو ببینی. اگه همه‌چیز مرتب بود، می‌تونی ظاهر دستگاه رو با لیبل‌ها و استیکرهای جالب تزئین کنی تا شبیه یه ابزار آزمایشگاهی واقعی بشه.

دیدن عکس رنگین‌کمان به تنهایی اطلاعات علمی خاصی بهت نمی‌ده. برای همین به برنامه‌ای نیاز داریم که بیاد شدت نور رو به صورت نمودار رسم کنه. این کار فاصله بین قله‌های نوری رو مشخص می‌کنه و باهاش می‌تونی طول موج منابع نوری مختلف رو پیدا کنی.

برای این کار، می‌تونی از یک اسکریپت ساده پایتون استفاده کنی. اول باید زبان برنامه‌نویسی Python رو روی کامپیوترت نصب داشته باشی. بعدش باید چند تا کتابخونه پردازش تصویر و رسم نمودار رو از طریق محیط ترمینال یا CMD ویندوز با دستور pip نصب کنی:

1. برای نصب Opencv بزن: pip install opencv-contrib-python
2. برای نصب Numpy بزن: pip install numpy
3. برای نصب Matplotlib بزن: pip install matplotlib

وقتی کتابخونه‌ها نصب شدن، کافیه یه اسکریپت آنالیز طیف نوری رو اجرا کنی. به محض اجرای برنامه، تصویر زنده وبکم رو می‌بینی. طیف‌سنج رو سمت نور بگیر و کلید r رو روی کیبورد بزن تا بتونی محدوده نور رو جدا کنی. حالا با موس روی طیف نوری بکش و اینتر بزن.

بعد از انتخاب محدوده، اگه کلید s رو بزنی برنامه شدت نور رو محاسبه می‌کنه و یه نمودار جذاب بهت می‌ده. با زدن کلید q هم خیلی راحت از برنامه خارج می‌شی.

+4

حالا که دستگاهت کاملا آماده شده، وقت آزمایشه! طیف‌سنج رو به سمت منابع نوری مختلف مثل لامپ‌های کم‌مصرف، لامپ رشته‌ای، نئون یا حتی لامپ‌های ال‌ای‌دی هوشمند بگیر و نمودارهاشون رو با هم مقایسه کن. حتی می‌تونی دستگاه رو ببری بیرون و به سمت یه بخش صاف از آسمون بگیری تا طیف نور خورشید رو بررسی کنی.

برای اندازه‌گیری دقیق طول موج‌ها، می‌تونی کار رو با یه منبع نور استاندارد مثل لیزر که طول موجش مشخصه شروع کنی تا رابطه بین پیک‌های نمودار و طول موج واقعی برات کالیبره بشه.

از اینجا به بعد کلی آزمایش جالب می‌تونی انجام بدی؛ از تشخیص سدیم در نمک طعام گرفته تا پیدا کردن کلروفیل توی روغن زیتون. با همین ابزار ارزون و ساده، یه آزمایشگاه خونگی کوچیک درست کردی که درهای جدیدی رو به روت باز می‌کنه.

امیدوارم از ساخت این طیف‌سنج نوری حسابی لذت برده باشی و دیدن نتایجش روی نمودار شگفت‌زده‌ت کرده باشه. این کاردستی علمی، فیزیک رو به شکل عملی و قابل لمس بهت نشون می‌ده.

حتما این پروژه رو بساز و عکس‌های آزمایشگاه کوچیکت رو تو اپلیکیشن آیسی‌مدار برامون بفرست تا بقیه کاربرها هم از ایده فوق‌العاده‌ت الهام بگیرن. موفق باشی! Happy Making!