A Fraunhofer vonalak fényképezésének nehézségei avagy A színkép fényképezés szépségei A Fraunhofer-féle vonalak a Nap színképében található sötét vonalak. Felfedezésük Joseph von Fraunhofer (1787–1826) német optikus nevéhez fűződik, bár nem ő, hanem William Hyde Wollaston (1766–1828) angol kémikus vette először észre a sötét vonalak létezését, 1804-ben. Fraunhofer 1814-ben, Wollastontól függetlenül fedezte fel a jelenséget, és elkezdett méréséket végezni és publikálta az eredményeket. 570 vonalat írt le, és azokat betűkkel nevezte el. A korszerű mérőeszközökkel több ezer vonal látható.1 A színképelemzés a csillagászat egyik legfontosabb eszköze lett, aminek nem kis mértékben épp a fenti vonalak azonosíthatósága az oka. A vonalak keletkezésének magyarázatára még sokat kellett várni, de már az okok felderítése előtt nyilvánvaló volt, hogy adott színképvonalak meghatározható kémiai elemektől származnak. Jelen esetben sötét vonalakról van szó, épp azokon a hullámhosszakon, ahol az adott elemek gerjesztett állapotban fényt bocsátanak ki. A színképelemzés lehetőséget adott az egyes csillagok anyagi összetételének vizsgálatára. A színképek keletkezésének fizikája kidolgozott fejezet, a kvantummechanika a kialakulása során szinte mindenre magyarázatot adott.
Az atom modellje jól szemlélteti a megadott rezgésszámú fotonok keletkezését, valamint, hogy miért lehet az adott foton segítségével az anyagot azonosítani. Egy fényforrás által kibocsátott fény spektruma un. emissziós színkép. Az emissziós színkép lehet folytonos, amelyben minden hullámhossz egyaránt képviseltetve van. Az emissziós színképek intenzitás-eloszlása is valamilyen görbét mutat, annak függvényében, hogy melyik hullámhosszak jelennek meg nagyobb energiával. A felhevített testek általában ilyen spektrumot mutatnak, pl. izzólámpa spektruma. Lehet azonban vonalas is a színkép. Pl az energiatakarékos izzók vonalas színképet mutatnak. Érdekes, hogy régi típusú izzó, és 1
Wikipédiából
az energiatakarékos is látszólag fehér, vagy ahhoz közeli fényt sugároznak. A jó világító test az, amelyik legjobban meg tudja közelíteni a Nap felszíni sugárzáseloszlását, vagy ahhoz igen közeli színérzetet kelt.
Érdekes fizikai törvény, hogy ha egy gázon halad át a fehér fény, amely minden hullámhosszat tartalmaz, akkor gerjeszti azt. Gerjesztéskor a gázatomok folyamatosan felveszik azt az energiát, amely az elektronburok energiapályáinak megfelel. Ez a folyamat az abszorpció.
Természetesen az elnyelt energiát azonnal vissza is sugározzák, de míg az áthaladó fény csak felénk tart, addig a visszasugárzott a tér minden irányába. Ezért a színképen egy sötét vonal jelenik meg. Pontosan ezek az un. Fraunhofer féle vonalak. Hogyan lehetett a színképet előállítani, és hogyan lehet azt lefényképezni?
A képen látható eszköz egy fényforrás képét egy résen keresztül egy prizmára vetíti. A rés képe színeire bontva jelenik meg, amit egy távcsövön szemlélünk. A Nap színképe, még ennél is nehezebben állítható elő, mert a csövet a Nap irányába kell helyezni. A fényképezés maga is különleges technikákat igényel. A mai spektrográfok meglehetősen drága eszközök. Egy ilyen eszköz vázlata az alábbi.
Prizma helyett rácsot célszerű alkalmazni. Az iskolákban található rácsok alkalmasak színkép fényképezésre. Amatőr gyakorlatban a megfelelő rés előállítása a legnehezebb kérdés. Miért kell a rés? Az erre adott válasz vezethet esetleg valami más megoldáshoz. Próbáljuk lefényképezni egy kiterjedt fényforrás képét a fényképezőgép elé tett rács segítségével, vagy egyszerűen csak nézzünk át a rácson. Mivel a rács eltéríti a fényt, az első maximum irányát egy bizonyos szögben látjuk.
Az első erősítés irányába a fénycső képét látjuk, minden olyan színben ,amilyen fényt kibocsát. Az eredeti kép is a kibocsátott fények keveréke, de a különböző hullámhosszhoz tartozó fénysugarak más szöggel térnek el. Az adott helyen az eltérítés miatt másfajta színek sugarai találkoznak, mint az eredeti képen. Minden esetben az adott ponton látható színek addíciós keverékét látjuk. Ha rést használunk, akkor annak a képét állítjuk élesre. Az eltérítés itt is a résről érkező sugarak keveréke, de elegendően kis rés és jó diszperzióval rendelkező rács esetén, egy helyen sokkal kisebb az oda eső hullámhossztartomány. Ha az oda eső hullámhossztartomány egy részéből hiányzik a sugárzás, akkor jelentős intenzitásesést tapasztalunk. Milyen módon keletkezik a színkép a fényképen?
Az eltérítési szög:
sin( )
d
Itt a szokásos jelöléssel λ a hullámhossz, d pedig a rácsállandó. Az ötlet dr. Hudoba György kollégától származik: Fényképezzünk le egy elegendően távoli fémtárgyról visszaverődő napsugarat rácson keresztül. A keletkező felbontás elegendően nagy lehet, hogy a napsugár Fraunhofer vonalai látszódjanak. Így a résre nincs szükség, mert a fényforrás elegendően kicsiny, hogy az egymás mellé leképeződő hullámokban kimutatható, valamelyik hiánya. A csillagok fényképezésekor sem kell rést alkalmazni, hisz kiterjedés nélkülinek látszanak távcsövön keresztül is. Kísérletezni lehet távoli fém kéményekről visszaverődő fénnyel. Célszerűbb olyan eszközt kidolgozni, amellyel többször is megismételhető a felvétel. Mielőtt megtaláltam, a megoldást próbáltam távoli fényes tárgyakról színképeket fotózni. Távoli ostorlámpák, reklámok. Eredeti méretük a fényképen nagyon kicsi, színképük azonban elég nagy nagyítás esetén, az egész képen látható csík. Egy gyertya is megfelel, ha megfelelő távolságban van, pl. néhány méter. Érdekes képek készültek. Néhányat alább bemutatok.
A Nap színképének fényképezésére egy papírhenger tartó bizonyult a legjobbnak. Kb. 4mm átmérőjű 20 cm hosszú fényes fémpálca. Alkalmas szögben kell megdönteni, hogy a kiszemelt helyről fényképezve jól tükrözze a napfényt. Alkalmi eszközöket használtam kitámasztásra. A feldolgozás során derült ki néhány olyan mellékkörülmény, amely igazán fontos a színkép fényképezésekor. Erre az alábbiakban még kitérek.
A fényképek készítésére EOS 300-as digitális kamerát használtam. Eredetileg csillagok és bolygók fényképezése miatt szereztem be olyan közgyűrűt, amellyel a régi HELIOS objektívet, valamint a 300mm fókusztávolságú fotópuska objektívet tudom használni. Fókuszkétszerezővel akár 600 mm es objektívet kapok egy elég jó fényképezőgép elé. A gépen a közgyűrű miatt az elektronikát el lehet felejteni, vagyis automatikus távolságállítás és blende nincs. Kizárólag az idő vezérlése működik, de az EOS esetében ez eléggé széles határok között mozog. Lehetséges RAW képeket készíteni, amelyen minden információ elérhető, de ez a későbbiek során nem volt annyira fontos. A digitális fénykép, illetve annak színei, ha a színkép elemzéséről van szó, akkor sok-sok elméleti kérdést felvet, de ezeket a meggondolásokat most mellőzzük. Később lehet a kapott eredményeket még ezen megfontolások fényében értékelni. Fontos azonban, hogy a kapott színképek értékeléséhez milyen eszközt használhatunk. Tulajdonképp azt szeretnénk tudni, hogy egy adott kicsiny hullámhossz tartományban, amelynek középértékét egy adott hullámhossz jellemzi, milyen intenzitást tapasztalunk. Ezúttal a hullámhossztartományt az alkalmazott rés vagy világító tárgy mérete, illetve a CCD finomsága szabja meg, de nem foglalkozunk vele a kiértékelés során. Vagyis csak azt adjuk meg, hogy adott hullámhossznál milyen intenzitást tapasztalunk. Be kell látni, hogy tekintélyes információveszteséggel van dolgunk. Csodálatos módon mégis produkálni lehet a szakirodalomban található értékeket.
A http://www.rspec-astro.com oldalról letölthető és egy hónapig szabadon használható szoftvert használtam a színképek elemzéséhez.
A szoftver képernyőképe látható fent. Tartozik hozzá elég sok minta, valamint a használatot bemutató videofelvétel is. A kép azonban magáért beszél. A bal oldali kockába tölthetjük be a színképet tartalmazó képünket. Mintaként a Vega csillag színképét mutatja. Ezúttal nem nagy a nagyítás, a csillag és színképe elfér a képen. Természetesen a kép némi előmunkálat után került ide. Mód van forgatásra, hogy vízszintes legyen a színkép, valamint az értékelésre kijelölt sáv tágítására összehúzására. A jobb oldali képrészen találjuk a baloldalon kijelölt sáv intenzitás eloszlását. A függőleges lefelé mutató tüskék épp a Vega Fraunhofer féle vonalai. A jobb oldali kijelölt keskeny sávban a szoftver függőleges pixeloszloponként kiszámítja az intenzitás átlagot. Ezt látjuk a jobb oldalon. Ismert hullámhoszszú vonalakhoz kalibrálva a jobb oldali képen megkaphatjuk a hullámhosszakhoz tartozó intenzitást. Érdekes, hogy a bal oldali képen alig ismerhető fel valami helyi intenzitáshiány, a jobb oldali képen pedig jól kiütközik. Ugyanakkor jobban megnézve a jobb oldalon kialakult görbét, láthatón „szőrösnek” mutatkozik. Nyilván ezek is kisebb intenzitáshiányok. Nyilván sok kép kiértékelése mellett lehet valamelyikről bizonyosat mondani. Mindenképp imponáló, ha az elkészült színképünkön azonosítva valamely jól látható sötét vonalat a kalibrálás során a többi is olyan helyre kerül, amelynek a hullámhosszát felismerhetjük. A fentiek igazolására néhány kép, és esetleg azok kiértékelése. Elsőként egy utcai lámpa fénye. Elég távoli a tárgy, mérete is megfelelő. Az exponálásnál fontos szerep jut az expozíciós időnek. Természetesen az utca a háttér. A lámpa egy falon van, tőle távolabb, ahol a színkép megjelenik a fal elég sötét. A fényforrás kissé beégett, egy nagy folt lett belőle, a színképre természetesen kevesebb fény
jutott, de az is elmosódik kissé. Jól látszanak az intenzitás maximumok. A képet először a színképelemzés szempontjából jónak gondoltam.
A kiértékelésnél látszik, hogy a szoftver elég jól tolerálja az expozíciós hibákat. Éles csúcsok jelzik azokat a helyeket, ahol az emisszió történik.
Hasonló lámpa fényét egy résen át is sikerült lefotózni. Egy hosszú papírcső végére tettem egy kis rést. A közeli lámpa fényét próbáltam lencsevégre kapni. Sok próbálkozás után egy sikeres kép. Kidolgozása is látványosabb.
Érdekes a kék reklámfény viselkedése. A képen is jól látható, hogy az utcai halogénlámpák a már előbb megismert elnyújtott színképet adják, addig a kék reklámfény szinte valóban csak a kék színben sugároz. A kiértékelésen látszik, hogy a kék szín kiemelkedő intenzitású, az előtte és utána található háttér azonos intenzitást mutat. Jól látható, hogy a szoftver kellemesen kezelhető. A képet szinte minden előmunkálat nélkül alkalmaztam. Némi forgatás után sikerült az Office O betűjét, és annak színképét egy vízszintes vonalra hozni. A kiértékelendő terület, pedig egy alig látható keskeny sáv, amibe semmi más nem került be, csak a fényforrás és a színképe közötti háttér. A következőben egy érdekes kép következik. A gyertyaláng elvileg folytonos színképet hoz létre. Természetesen a karakterisztikája lényegesen eltér a Nap sugárzásának karakterisztikájától. Vannak benne csúcsok, völgyek, de eléggé folytonos, mert a látható spektrum teljes tartományát lefedi.
Vegyük észre a gyertya testén visszatükröződő gyertyafényt. Színkép erről is készült. Természetesen a gyertyaláng kissé túlexponált, de az intenzitás-eloszlás jól mérhető. Jelentősen különbözik azonban a gyertyaláng és a visszatükröződés karakterisztikája.
A Nap felszínéről jövő fényt a Nap légkörében levő gázok megszűrik. A gázatomot gerjeszti az a foton, amelynek energiája megegyezik az atom elektronjainak a kvantumszámok által meghatározott energiakülönbségeivel. Ezen fotonok egy része eltűnik a Nap felszínének folytonos színképéből. A foton hiány így egy nagyon vékony elvileg egyetlen hullámhosszhoz, vagy nagyon keskeny hullámhossz tartományhoz tartozó sötét vonalként jelenik meg a színképben. Elsőként próbáljuk meg, egy az internetről letöltött kép kiértékelését.
Először is a kép fekete fehér eredetileg. Így az intenzitás eloszlás sokkal jobban detektálható. A vonalak élesek, az is lehet, hogy rajzzal van dolgunk. A kapott profilon nagyon élesen megtalálhatóak az intenzitáshiányok. A fent leírt módszerrel készültek az alábbi képek. Az első bemutatott három különböző felvétel egy képre helyezve. Jól látszanak a színskálára merőleges sötét vonalak. Bemutatjuk az egyik kép kiértékelését is. Mivel a megfelelő nagyítást azzal értük el, hogy nagyobb fókusztávolságú objektívet alkalmaztunk, amivel együtt jár a látószög beszűkülése. A fényforrás vagyis a fémpálca nem kerülhetett a képre. A kiértékeléskor így a hullámhosszskála 0 pontja nem lehet a fényforrás. A szoftver erre az esetre két ismert hullámhossz azonosítása után elkészíti a hullámhosszskálát. Két egymástól távoli, és elég jól kiugró hullámvölgyet lehet találni, szinte mindegyik képen. Az egyik az 5890 Angström semleges nátrium vonala. A másik jól felismerhetően egymástól nem távol található 4861Angström, valamint a 5270 Angström semleges hidrogén vonala. Ezek segítségével jól beállítható a skála két pontja. Az így kalibrált skálára rápróbálhatjuk a szoftver adatbázisában található ismert vonalakat. A képen jól látszik, hogy az adatbázis vonalai nagyon jól a hisztogram tüskeszerű bemélyedéseihez igazodnak. Mindezek segítségével kereshetjük meg képünkön a sötét vonalakat azonosító hullámhosszakat, és a neki megfelelő kémiai elemeket.
Bemutatásként a legalsó sávból egy keskeny csíkot választottunk ki. A hisztogramomon, jól azonosíthatók a színkép sötét vonalai. Ha nagyobb fókusztávolságú objektívet használunk, akkor a teljes színkép nem fér egy képre. Ekkor többféle módszert alkalmazhatunk a kiértékelés végrehajtására. Egyenként azonosítjuk a vonalakat megelégedve a színkép egy részével, vagy egy képre montírozzuk folytatólagosan a csíkokat. A nagyobb felbontásért jelentős többletmunkával fizetünk. Az alábbiakban három képet mutatunk be, amelyek alkalmasak jelentő photoshop munka után az összemontírozásra. Alább felsorolok néhány pontot, amire jó figyelni a munka közben. Csillagok színképének fényképezése nagyságrendekkel nehezebb a Nap esetéhez. Különösen fontossá válik az 5. pont. A jól sikerült kép értékelhetetlenné válik, ha a színkép mögött olyan háttér van, amely világos és sötét részeket felváltva tartalmaz.
1. Alkalmas tárgy keresése rés vagy visszaverő felület 2. Megfelelő rács (elvileg az iskolai rácsok alkalmasak), végül 500/mm fólia 3. Kis látószögnél nehéz megtalálni a színképet, mert a forrás kiesik a mezőből 4. Megfelelő állvány 5. Milyen a színkép háttere 6. Nagyon pontos távolság beállítás kell, mert a rés éles képe a színkép 7. Soha nem tudhatjuk, milyen expozíciós idő a jó 8. Kiértékelés előtt sokféle képkidolgozás kell (GIMP, Fotoshop) Székesfehérvár, 2014 aug.8.
Nyirati lászló
