[Post 1 af 1] Direkte link til denne post

Museumsnummer: 253792

Ramanspejl / parabolspejl

Genstanden er i magasin

Tilføj en kommentar   

Information om genstanden

Museumsnummer

253792

Generelle Oplysninger

Lysspredning

Når en foton rammer et molekyle, kan der ske forskellige ting, afhængigt af molekylet og af fotonens frekvens. Ofte bliver fotonen absorberet i molekylet. Men hvis det ikke sker, bliver fotonen sendt ud igen med en ny retning. Vi siger, at lyset spredes ved sammenstødet med molekylet. I langt de fleste tilfælde spredes lyset med uændret frekvens, det såkaldte Rayleigh-spredte lys (opkaldt efter Lord Rayleigh, som var en af optikkens grundlæggere). Men i ganske få tilfælde, måske i et tilfælde ud af ca. 1000 (1012 eller 1014), ændres lysets frekvens. Det kaldes Raman-spredning efter den indiske forsker C.V. Raman, som opdagede denne effekt i 1924.

Ramanspektre
Den ændring, der sker i lysets frekvens ved Ramanspredning, er i de fleste tilfælde nedad, hvilket vil sige, at fotonen har tabt noget af sin energi til molekylet, som åbenbart har to energiniveauer med en energidifferens, som ifølge Bohrs frekvensbetingelse er lig med Plancks konstant gange forskellen i fotonens frekvens før og efter spredningen. Vi ønsker at bestemme denne energidifferens, fordi den giver en oplysning om molekylets energinivauer, som vi gerne vil kende, fordi de er grundlaget for en stor del af molekylets egenskaber. Denne bestemmelse af de to frekvenser får man ved at optage et såkaldt Ramanspektrum, d.v.s. et spektrum, som viser frekvenserne både for Raman-lyset og for Rayleigh-lyset.

Ramaninstrumentet
Det her viste spejl var en essentiel del af et instrument til optagelse af sådanne Raman-spektre af gasser. Det blev projekteret og bygget på Aarhus Universitets Kemiske Institut i årene 1968 til 1971. De optagne spektre viste sig at have en så god kvalitet, at dette instrument i årene 1972 til 1983 så at sige havde verdensmonopol på optagelse af de såkaldte rotations-vibrations Ramanspektre af gasser, d.v.s. spektre, som viser frekvensændringer, som skyldes en ændring både af molekylets vibrationelle energi og dets rotationelle energi.
Den høje kvalitet af spektrene skyldtes tre specielle egenskaber ved instrumentet. For det første skete lysspredningen i en gascelle, som udgjorde den ene ende af kaviteten i en Argon-ion-laser. Det ene vindue i cellen var en samlelinse, som fokuserede lysstålen inde i kaviteten ned til en diameter af kun 0,05 mm, hvorved både laserlyset og det spredte lys blev meget intenst på dette sted. Den fokuserede del af strålen blev afbildet på indgangsspalten til en dobbelt for-monokromator, som var den anden vigtige egenskab ved instrumentet. Denne for-monokromator var indrettet således, at en midterspalte begrænsede frekvensområdet af det lys, der passerede til det frekvensområde, som den fotografiske plade i gitterspektrografen omfattede. Herved fjernedes primært det meget intense Rayleigh-spredte lys, men også andet og eventuelt mere intenst Raman-lys end det, som skulle undersøges. Denne sortering af lyset betød, at de optagne Ramanspektre var usædvanligt fri for baggrund og for de såkaldte Geistere fra gitteret.
Den tredie specielle egenskab ved instrumentet var den høje optiske kvalitet af gitterspektrografen. Den var - højst usædvanligt - udstyret med en cylinderlinse nogle cm foran den fotografiske plade. Det reducerede højden af spektret på pladen med en faktor 10, hvilket gav en tilsvarende forhøjelse af lysintensiteten på pladen, en egenskab som var helt afgørende ved studiet af svage Raman-spektre. Til gengæld blev opløsningsevnen let ødelagt, hvis ikke spektrallinierne unden cylinderlinsen var helt retliniede og meget smalle.
En gennemregning af strålegangen i spektrografen før komponenterne blev bestilt viste, at dette kunne opnås ved, at alle komponenterne i spektrografen havde et fælles vandret midterplan, at indgangsspalten var krum med en radius på 468 mm, at indgangsspalten og midten af pladen lå næsten lige langt fra, men tæt på hver sin side af spejlets focalpunkt, og endeligt at spejlet var meget tæt på at være en perfekt paraboloide. Spejlet blev brugt både til at omdanne lyset fra et punkt på indgangsspalten til et parallelbundt af lys, som ramte gitteret, dels til at samle de parallelbundter af lys, som kom ud fra gitteret, i et punkt på den fotografiske plade. Dvs. at spejlet fungerede både som indgangs- og som udgangslinse i spektrografen, men det var to forskellige rektangulære områder af spejlet, som varetog disse to funktioner.
Da indgangsspalten og pladen skulle ligge tæt på focalpunktet, måtte gitteret nødvendigvis anbringes et godt stykke væk fra focalpunktet. Det ødelagde ikke den gode strålegang, men det betød, at de to områder af spejlet, som skulle bruges, kom til at ligge på samme side af spejlets midtpunkt og det ene af dem så langt ude, at spejlet nødvendigvis måtte have en diameter på 60 cm. For at det ikke skulle blive deformeret, måtte det også være ca. 10 cm tykt, hvilket gjorde, at spejlet kom til at veje ***** kg. [eller: blev meget tungt.]
Det var altså kun en forholdsvis lille del af spejlet, som faktisk blev brugt, og det var en nærliggende tanke at save dette stykke ud og kassere resten af spejlet. Men det modsatte leverandøren, firmaet Bernhard Halle Nachf. i Berlin, sig, det ville sandsynligvis ødelægge den høje optiske kvalitet af spejlet. Et sådant spejl må nødvendigvis være cirkulært, når det slibes, og den form må opretholdes, hvis spejlet ikke skal deformeres. Når spejlet slibes, ligger det på et vandret, roterende bord, ligesom en pottemagers roterende bord. Når det så er slebet, som sliberen antager, at det skal gøres, ligger spejlet i en uges tid og falder til ro efter den brutale behandling. Derefter måler man optisk hvor og hvor meget overfladen afviger fra den ideelle paraboloide. Slibningen genoptages, spejlet hviler i en uge, målingen gentages, og således bliver man ved, til spejlet er indenfor de tolerancer, som kræves. For dette spejl varede det næsten et år.
Det skal tilføjes, at den fotografiske plade var anbragt på en slæde, som kunne forskydes lodret med stor præcision. Det udnyttedes ved bestemmelsen af den frekvens, som den enkelte spektrallinie svarer til, idet man før og efter Ramanspekteret over og under Ramanspektret fotograferede et liniespektrum af grundstoffet Thorium. Det har mange linjer behageligt fordelt i det interessante spektralområde, og deres frekvens er kendt med stor præcision.
Spektrografen er i stand til at adskille spektrallinier, som kun ligger 0,04 mm fra hinanden på pladen, hvilket for Ramanspektrene svarer til omkring 0,1 cm-1.
Hele Raman-instrumentet og de første resultater er beskrevet i en afhandling fra 1973 af Svend Brodersen og Jørgen Bendtsen, Journal of Raman Spectroscopy, bind 1, side 97-107.
Da cellen kun havde et volumen på 25 ml, var instrumentet velegnet til undersøgelse af de ofte kostbare isotop-substituerede forbindelser som 15N2 og 14N15N eller metanforbindelsen CH2D2. Der foreligger en række afhandlinger om spektre optaget med dette instrument.
(Det er i det ovenstående forudsat, at læseren er fortrolig med følgende begreber: et parabolsk hulspejl og dets focalpunkt, en paraboloide, en foton og dens frekvens, Bohrs frekvensbetingelse, molekylers energiniveauer, rotations-energi og vibrationel energi, kaviteten i en laser, en monokromator, en cylinderlinse, enheden cm-1, tekst af Brodersen og Lolck).

Sagsnummer


405 Raman spektrograf

Emnegrupper


16230 Spejle
16180 Spektroskopi

Størrelse

kasse: 68 x 68 x 17 cm

Beskrivelse

Parabolspejl med en diameter på 60 cm. Spejlet er i sortmalet trækasse.
Det blev brugt i årene 1972 til 1983 på Aarhus Universitets Kemiske Institut
til at optage vibration-rotation Raman-spektre.

Datering

1968 - 1971