Dějiny vědy a techniky 14. (J. Folta, ed.). Rozpravy NTM 200

Nová spektroskopie
Boris Valníček
Spektroskopie, založená na rozkladu světla, tak jak ho původně objevili Jan Marcus Marci z Lanškrouna
r. 1648 a Isaac Newton 1672, se stala v průběhu 19. století po objevech Fraunhofera, Kirchhoffa a Bunsena
jednou ze základních analytických metod. V průběhu 2. poloviny 19. století a v prvé polovině 20. století
byla natolik propracována, že se stala nepostradatelnou v chemické a fyzikální laboratoři a v řadě oborů
technologických, především v metalurgii.
Klasická spektroskopie využívala ve svých počátcích k rozkladu světla především hranoly, ať už
křemenné, skleněné, nebo solné — podle spektrální oblasti, pro kterou byly určené. Po objevu rozkladu
světla mřížkou a zvládnutí technologie rytí mřížek, se začaly užívat spektrometry mřížkové, jejichž hlavní
předností byla rovnoměrná disperze proti hranolům, kde disperze klesá s rostoucí vlnovou délkou. Značná
cena rytých mřížek ale jejich použití omezovala.
Klasické provedení spektrografů a spektrometrů se vyznačovalo značnou hmotností a rozměry (řádu
desítek kilogramů a až metru i více), což vyžadovalo jejich stabilní montáž na pevné laboratorní stoly nebo
i zděné pilíře. Problematická byla také registrace spektra a jeho vyhodnocení. V běžné praxi se užívala
fotografická registrace spektra, obvykle na skleněnou desku, později také na film. K vyhodnocení intenzit
spektrálního záznamu bylo třeba stanovit kalibrační křivku a spektrum proměřit mikrofotometrem.
K měření vlnových délek bylo nutno znát disperzní křivku a spektrum proměřit komparátorem. Ve
druhé polovici 20. století se někde dala použít registrace spektra fotonásobičem — tak vznikly např.
metalurgické kvantometry. V těchto případech býval problém v někdy složitém průběhu křivky spektrální
citlivosti katody fotonásobiče.
Rozvoj technologií ve druhé polovici 20. století přinesl řadu nových konstrukčních prvků a metod,
které ovlivnily řadu oborů. Platí to i pro spektroskopii.
Jaký je současný spektrometr? Především jako disperzní prvek je všeobecně používána mřížka.
Hranoly definitivně patří do muzea. Současné mřížky už nejsou vyráběny metodou rytí diamantovým
hrotem do skleněné nebo kovové desky. Jsou vyráběny holograficky, tj. interferometricky pořízený hologram
s požadovaným počtem ” vrypů“ požadovaných vlastností je zaznamenán na fotocitlivou vrstvu a
pak odleptán. Takto je možné vyrábět seriově mřížky s různými parametry.
Záznam spektra dělá lineární čidlo CCD, s počtem 2500–4500 pixel o rozměrech 8 × 200 mikrometrů,
tj. celková délka registrovaného spektra může být až 40 mm. Signál čidla je ve spektrometru zpracován
elektronikou a vyveden portem USB nebo RS 232 do počítače (např. palm-top, notebook, stolní počítač),
kde je vhodným programem vyhodnocen a uložen v paměti. Záznam spektra s udáním vlnových délek a
intenzit je na obrazovce.
Protože všechny optické prvky jsou zrcadlové, na odraz, je možné použití v nejširší spektrální oblasti,
od ultrafialové do blízké infračervené.
Popsaná technologie dovoluje zmenšit přístroj na minimum — doslova do dlaně. Přitom je běžně
dosaženo rozlišení vlnových délek v desetinách nanometru, což otvírá řadu možností pro praktické využití
spektrálního rozboru. V současné době se taková zařízení užívají při různých pracích v terénu, např. v
ekologii, kdy lze snadno hledat např. těžké kovy, nebo škodliviny ve vodě. Zařízení umožňuje stanovení
obsahu plynů v atmosféře, obsah kyslíku ve vodě, škodlivin v potravinách — to vše přitom zařízením,
které lze nosit v příruční brašně. Pokud se jedná pouze o sběr dat, pak se vystačí s pamětí, vestavěnou
v přístroji a vyhodnocením doma na pracovišti. Takto může pracovat např. spektrometr pro kontrolu
zdrojů krátkovlnného záření, jaké užívají solária, vodárny, tiskárny nebo aseptická pracoviště.
Mimořádný význam má takový spektrometr pro výuku fyziky, chemie nebo biologie, protože umožní
velmi názorně podepřít výklad celé řady jevů.
K přístrojům existuje obsáhlé příslušenství pro nejrůznější použití. Velmi podstatné je, že světelný
signál do přístroje je možné přivádět světlovodem, což usnadňuje práci, protože odpadá složité sestavování
aparatury. Samozřejmé je programové vybavení pro práci se systémy Windows, Linux a pod.
Náklady na samotný přístroj se pohybují v rozmezí 70–200 tisíc Kč (při kurzu dolaru 28,50). Záleží
na požadovaných parametrech a příslušenství. Na spodní hranici leží přístroje pro výuku, na horní pak
přístroje pro výzkumné práce.
Podrobnější informace autor zájemcům rád poskytne na e-mail: valsat@seznam.cz
— · —
Rozpravy Národního technického muzea v Praze, sv. 200 Řada Dějiny vědy a techniky, sv. 14, Praha 2006 55