Spectroscopy by simple means

Panteleimon Bazanos

Secondary education teacher ­ Chemist

Abstract. Spectroscopy is a field of science that has not been given much attention in the preparation of curricula inGreece, despite its importance to the understanding of our word. In the present paper we investigated some areas ofcurricula that spectroscopy can be integrated using some activities combining experimental constructions made ofsimple and useless materials and everyday technology such as PCs, cameras and free software,  through a STEMperspective.

Keywords: Spectroscopy, optical disks, constructions, STEM activities

1. Introduction

Spectroscopy and spectroscopic analysis is a field of science that has offered and still offers muchto our understanding of the world and in our culture. Its range applies from the smallest (atoms) tothe largest (galaxies) bodies. But our educational system seems to ignore this field, perhaps becauseit considers it is a difficult subject, students will hardly understand the issues dealt with or maybethe instruments required are expensive. In the curricula of the three school levels (primary, middlehigh school, hight school) there are cognitive areas related to spectroscopy (colors, rainbow, skycolor, emission and absorption spectra, atomic structure) and the negotiation of these issues whileusing a spectroscope can activate  the “observation – hypothesis  – experiment  –  verification orrefutation – feedback” scheme and make learning more interesting and effective. 

In this paper, we will show using some examples, that spectroscopy can be incorporated in thelearning process of all  school ages using optical disks to handmake spectroscopes and performactivities   with   them,   that   include   many   disciplines   (science,   technology,   mathematics,   design,photography).

2. Optical disks as spectroscopes

Because of their design, optical disks (CDs, DVDs) contain a diffraction grating which can create“rainbow” colors when illuminated by a wide spectrum light source.

Picture 1. Daylight spectrum on the surface of a DVD

Diffraction   gratings   are   widely   used   in   manufacturing   optical   spectroscopes,   so   we   can   use

diffraction gratings from CDs and DVDs to made improvised spectroscopes [1]. These handmadespectroscopes can be simple as eyeglass spectroscopes or more complicated as devices that can beadapted to cameras, camcorders or mobiles for spectrum monitoring and processing [2]. 

Picture 2. Eyeglass spectroscopes

Picture 3. A spectroscope that can be adapted on a camera

Starting with a piece of CD or DVD and having as final goal the construction of experimentaldevices, students will engage in a process to plan and organize their learning, to raise questions andgive answers, discuss and plans collectively, to do research on a variety of sources, analyze andpresent data,  to develop a  thinking framework, to present and explain their  plans and solutionsproposed, to record and evaluate the progress of their learning.

3. Compatibility with the curricula

At all levels of education there are science areas where handmade spectroscopes based on opticaldisks can be used.

3.1. Kindergarten – first classes of Primary School

In this level, simple activities involving  observations of luminous bodies through optical disks areproposed.  The colors  on   the  CD’s surface  can  stimulate   little  pupils,   so  they  can  easily  madeeyeglasses as those in picture 2 and then they can observe the daylight entering the class or the light

emitted from the class bulbs or from other sources. Also, field observations, such as observation ofthe moon, a lightened store in the city at night, the sunset, etc, can be done.

Picture 4. Little pupil looks luminous bodies through eyeglasses made of  CD.

Picture 5. Looking through a CD a lightened store at night.

3.2. Last classes of Primary School – Junior High School – High School

The   running   curricula  of   these   educational   levels   contain   topics   (bodies   color,   light   and   lightseparation, atomic structure) where experimental constructions based on optical disks can be used.In this category, experiments and activities related to the spectra of luminous bodies (classificationactivities) and the identification of substances according to their light spectrum (chemical analysis)are proposed.  For example, students can made their own spectroscopes and then observe the lightemitted from various luminous bodies, such as light lamps of different types, the light of a candle,etc, and try to find similarities and differences. Yet, by observing the spectrum of light that objectsemit, students can approach the subject of color perception. Finally, knowing the spectra of somereference substances, students can find out the composition of other substances (eg. If we know thespectra of magenta, cyan and yellow inks, we can find out what inks was used to paint a gelatinpaper green). Also, interdisciplinary projects about light can be designed, that rely on use of opticaldisks as spectroscopes.

Two simple examples of these ideas are given next.In the images below, some spectra have been taken having putting a piece of CD ahead of thecamera’s lens: Daylight (a), full moon (b), cfl lamp (c), gas flame (d), candle flame (e).

Picture 6. Photos of spectra having putting a piece of CD ahead of camera’s lens

Picture 7. The previous spectra after some processing

The images in  picture 7 have been derived from those of picture 6 using an image processingsoftware by copying a strip of 2­3 pixels width from the central area of each image and then pastingthem several times.

In the picture below (picture 8),  photos of white   light spectra  that  has passed  through oils  areshown: virgin olive oil (a), pomace oil (b), sun flower oil (c) and a mixture of 50% virgin olive oil –sunflower oil (d). The spectra  have been taken using a piece of CD ahead of the camera’s lens.

Picture 8. Spectra of white light that has passed through oils

a b c d e

a b c d e

Using the spectroscope of picture 3, one can obtain spectra that have many details. Such spectra areshown in the following pictures.

Picture 9. Daylight spectrum

Picture 10. CFL lamp light spectrum

Picture 11. LED lamp light spectrum that has passed through a potassium permanganate solution

3.3 Application in Chemistry – A STEM approach

Solutions   cover   a   large   portion   of   school   Chemistry   and   spectroscopes   play   a   major   role   indetermining the concentration of them. This situation is quite convenient to attempt a approachwithin a STEM perspective that could be generally described by the following steps:

1. Stimulation of students  interest about  light and the information it  can give us  involvingscience,   technology and mathematics   (vision,  colors,  microscopes,   telescopes,   star   light,equations about light, spectra, spectroscopes, etc)

2. Construction of simple handmade spectroscopes  and taking spectra  with them (daylight,light of various types lamps, light that has passed through colored solutions, etc)

3. Evaluation of the obtained spectra with respect to the information they provide.4. Particular evaluation for the possibility of exploiting of the spectra obtained in chemical

analysis (spectra of colored solutions, Beer – Lambert law).5. Conception of a procedure for determining the concentration of a substance in a solution.6. Implementation   of   the   process   (eg.   selection   and/or   construction   of   the   parts,

interconnection   of   the   parts,   mathematization   where   needed,   execution,   valuation,presentation).

A procedure   like   the  above,  can  boost   students   to   identify  questions,   to   seek  solutions,   to  doresearch, to collect and organize data, to think mathematically, to design experimental apparatus, sostudents can helped to consider the interconnections between science, technology and mathematicsand by strengthening engineering disciplines they be able to act creatively and innovatively in thelife.

All of the above could result in a specific implementation, in which the spectroscope of  picture 3by exploiting the visible  spectrum of  light  and  in  combination with a  camera,  a  computer  andappropriate software, leads to the calculation of concentration of a colored solution as following:

1. Capturing the spectrum of light that passes through the solution2. Importing the image in the computer.3. Using an image editing software (Gimp for example) to desaturate the image and save it as

FIT file [3].4. Introducing the FIT file into the FV software (NASA’s HEASARC software) and producing

the spectral profile [4], [5].

Picture 12. Schematic representation of taking the spectral profile of a solution with FV

Having available to us the spectral profile, we can calculate the absorption of the solution using theBeer – Lambert law and assuming that the power of radiation comes out of solution is proportionalof the “counts” that FV software calculates.

Picture 13. The implementation of Beer – Lambert law in our case

A ≃ logPblank

Psample

= loga⋅Countsblank

a⋅Countssample

= logCountsblank

Counts sample

= ε⋅b⋅c = k⋅c

Schematically and in summary, the process of concentration calculation is shown in the picture below [6].

Picture 14. Making calibration curve to calculate the concentration

4. A chance

Modern mobiles (smartphones) can run computer applications and there are many of them aboutlight   that   take   input   from   an   external   device   or   a   photo.   Thus,   all   procedures   schematicallydescribed in pictures 12, 13, and 14 is possible to be integrated in a modern mobile, so, this devicecan function as a spectrophotometer.

Picture 15. Handmade spectroscope mounted on a mobile

5. In conclusion

Because the light plays an important role in our life and because the light – matter interaction leavesmarks that reveal much about our world, dealing with spectroscopy is a worth in the whole range ofschool ages. The construction of simple spectroscopes from optical disks is simple and inexpensiveand activities can be designed within the STEM framework. Furthermore, the use of cameras to takephotos of spectra adds a flavor of art, while the opportunity to use useless materials and old devicesfor the activities touches environmental issues.

6. References

1. A guide for making diffraction grating from an optical disk and a list of activities that can bedone, can be downloaded from: http://photodentro.edu.gr/ugc/r/8525/840

2. A  guide   to  build   a   spectroscope   with   thin   slit   that   contain   a   piece  of   optical   disk   asdiffraction grating and it is applicable to a camera, as well as detailed examples of its use inchemical   analysis   and   supporting   files,   can   be   downloaded   from:http://photodentro.edu.gr/ugc/r/8525/841

3. FIT is a file type that contains among others information about the  luminosity of  each pixelof a digital image. See also at: https://en.wikipedia.org/wiki/FITS

4. FV is an easy to use graphical program for viewing and editing FITS format image or tableand also provides a portal into HERA data analysis service at the HEASARC. FV can bedownloaded from:http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/software/ftools/fv/

5. A   guide   for   taking   spectral   profiles   using   FV   can   be   downloaded   from:http://photodentro.edu.gr/ugc/r/8525/841

6. Explanation   of   the   method   with   many   examples   can   be   found   at:http://photodentro.edu.gr/ugc/r/8525/841