小型棱鏡攝譜儀實驗內(nèi)容的有益拓展

屈 奎，倪致祥，顧江鴻

（阜陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037）

小型棱鏡攝譜儀實驗內(nèi)容的有益拓展

屈 奎，倪致祥，顧江鴻

（阜陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037）

利用小型棱鏡攝譜儀觀測了四種白色光源的光譜，分析了它們的特點和形成原因。通過這種對傳統(tǒng)實驗內(nèi)容的拓展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神以及獨立探索的能力，同時也提升了實驗儀器的利用價值。

小型棱鏡攝譜儀；白色光源；實驗內(nèi)容拓展

大學(xué)物理實驗室一般都配備有大量的實驗器材，但大部分情況下，一套實驗器材只用來完成一項教學(xué)內(nèi)容[1,2]，使用范圍非常單一,還有一些老舊的儀器基本處于報廢狀態(tài)。如果能在考慮實驗器材本身特性的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)實驗內(nèi)容進行一些有益的拓展，則既能使資源得到充分利用，又能讓學(xué)生學(xué)的更多更好。

下面以小型棱鏡攝譜儀實驗為例，探討如何對傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容進行拓展，希望能夠拋磚引玉，讓更多的實驗器材物盡其用。

1 小型棱鏡攝譜儀的特點

小型棱鏡攝譜儀是用來觀察和測量光譜的裝置，其主要部件為一塊恒偏向角棱鏡[3]，根據(jù)色散的原理，不同波長的光通過棱鏡后會向不同的方向發(fā)散，所以可用來觀測光的譜線組成。儀器結(jié)構(gòu)簡單明了，使用方便，易于觀測，裝置如圖1。

小型棱鏡攝譜儀實驗的傳統(tǒng)實驗內(nèi)容是測量氫原子和鈉原子光譜。把氫燈或鈉燈放在導(dǎo)軌上，使光線通過狹縫進入棱鏡，在觀測窗口對譜線進行觀測，用線性內(nèi)插法或曲線擬合法計算譜線波長。

小型棱鏡攝譜儀對光譜的分析具有直接明了的特點，只需把光源的光引入入光狹縫就可對光源光譜進行觀測，而光譜可以反映光源的內(nèi)部發(fā)光機制。日常生活中有很多光源，可以利用棱鏡攝譜儀對一些常見光源進行觀測，從而發(fā)現(xiàn)它們的異同點，了解發(fā)光原理，增加對光源的認(rèn)識。

圖1 小型棱鏡攝譜儀裝置圖

2 用小型棱鏡攝譜儀觀測四種白色光源

太陽、汞燈、日光燈、白熾燈都是白色光源，這些光源雖然發(fā)出的都是白色，但眼睛還是能分辨出這些白色有所不同。日光燈的光接近自然光，汞燈的白光則感覺偏冷色調(diào)，白熾燈的光偏暖色調(diào)。眼睛的觀察畢竟是感性的，要想獲得更深入的了解，就可以通過棱鏡攝譜儀來進行觀測。

2.1 對太陽光譜的觀測

太陽是人類賴以生存的最重要的光源。牛頓用三棱鏡所做的色散實驗，是最早研究太陽光譜組成的實驗，發(fā)現(xiàn)了太陽光是由各種不同顏色的光組成，使人類對光的認(rèn)識進入了一個新階段。

將實驗室其它光源關(guān)掉，將所有的窗戶拉上遮光窗簾，創(chuàng)造一個盡可能黑暗的環(huán)境。選擇陽光充足的白天，在向陽的窗戶上開一個孔，用數(shù)塊平面鏡通過反射將太陽光引入棱鏡攝譜儀的入光狹縫。拍到的太陽光光譜如圖2所示。由于出射光管的限制，視場內(nèi)一次只可以看到可見光區(qū)域的一部分光譜，通過調(diào)節(jié)波長鼓輪可以將剩下的可見部分調(diào)至視場內(nèi)。本次實驗需要兩次調(diào)節(jié)波長鼓輪才能看到整個可見光區(qū)域的光譜，所以圖2是由兩次拍攝的圖片構(gòu)成（后面的光譜拍攝情況與此相同）。

圖2 太陽光的可見光光譜

可以看到太陽光譜連續(xù)分布，色彩之間過渡自然，而且各種色彩亮度比較均勻。正因為太陽光具有這種連續(xù)且亮度均勻的光譜，所以太陽光的白色最為自然，被稱為自然光，各種色彩在陽光下都能得到還原。

太陽之所以具有這樣的光譜形態(tài)，是與它內(nèi)部的發(fā)光機制有關(guān)的。太陽是氣態(tài)恒星，能量主要來源于內(nèi)核部分氫原子的核聚變反應(yīng)，核聚變產(chǎn)生巨大的能量使太陽具有極高的溫度，太陽大氣成分基本以等離子體形式存在，自由電子和離子不停進行著復(fù)合和電離的過程，所以形成了波長很寬的連續(xù)電磁波譜，可見光只占很少一部分。

約束條件為：0.072≤t1≤0.29 & 0≤t1≤0.7;0.1≤t2≤0.46 & 0≤t2≤0.16;0.033≤t3≤0.16 & 0≤t3≤0.4。

實際上太陽光譜并非真正連續(xù)[4]，其中包含有大量很窄的暗線，稱為夫瑯和費線。這是由于太陽光中的部分譜線在到達地球的過程中被太陽和地球外圍的大氣成分所吸收而形成的，但實驗室教學(xué)用小型棱鏡攝譜儀分辨率不高無法看到這些夫瑯禾費線。

2.2 對汞燈光譜的觀測

汞燈是實驗室常用光源，在光學(xué)實驗中用途廣泛，由于具有較高亮度經(jīng)常作為照明光源，也可和分光計配合測量光柵常數(shù)或棱鏡折射率等。實驗室用的高壓汞燈如圖3所示。

圖3 實驗室常用汞燈

將實驗室的其他光源關(guān)掉，拉上遮光窗簾，制造一個盡可能黑暗的環(huán)境，點亮汞燈，將光引入棱鏡攝譜儀狹縫。圖4顯示的是從測微目鏡中看到的汞燈光譜。

圖4 汞燈的可見光光譜

從圖4中可看到，汞燈光譜是線狀譜，亮度比較高的有五條，分別是黃色雙線，綠色線，藍色線和紫色線，但是紅色譜線很弱，幾乎觀察不到。正是因為缺少了紅色部分，導(dǎo)致汞燈所發(fā)出的光雖然顯白色，但看起來呈冷色調(diào)。這一點也可以從汞燈對紅色物體的色彩還原能力上來檢驗，如圖5所示。圖的左邊顯示的是顏色卡片在自然光下能夠清晰地分辨出本來的顏色，圖的右邊顯示的是僅在汞燈下觀察時，紅色部分全成了黑色。雖然汞燈很亮，但是由于其對紅色的還原性很差，所以日常生活中并不用汞燈作為照明光源。

圖5 顏色卡片在自然光和汞燈下的顯示

汞燈內(nèi)部充有汞原子，通電以后，陰極發(fā)出的高速電子碰撞汞原子，使汞原子躍遷到較高能級或者電離，處于高能級的原子是不穩(wěn)定的，很快向低能級躍遷，減少的能量以發(fā)光的形式釋放。由于原子的能級不連續(xù)，這些能級躍遷產(chǎn)生的能量差值也不連續(xù)，所以對應(yīng)的光的波長是分立的，通過棱鏡色散后就是一條一條的，稱為線狀譜[5]。電離后的汞離子和電子再復(fù)合也會發(fā)光，這一部分由于躍遷能級間隔較大，發(fā)出的主要是不可見的紫外光譜。

日光燈之所以有此名是因為它是人類最早發(fā)明的最接近自然光的光源，對色彩的還原性非常好，而且節(jié)能，是日常生活中用到的最廣泛的照明光源。

一般實驗室頂部都會裝有日光燈，只需將實驗室遮光簾拉上，防止其他光源的光進入，只保留日光燈光源，用反射鏡將日光燈的光引入棱鏡攝譜儀入光狹縫。圖6顯示的是日光燈的可見光光譜?？煽闯?，光譜是連續(xù)分布的，但在連續(xù)的光譜背景下，出現(xiàn)了一些線狀成分。和圖4的汞燈光譜對比就會發(fā)現(xiàn)，這些線狀成分和汞燈的線狀譜是一樣的。

圖6 日光燈的可見光光譜

由于每種原子能級結(jié)構(gòu)的唯一性，它所發(fā)出的線狀譜結(jié)構(gòu)也具有唯一性，既然日光燈光譜里有汞光譜的成分，就說明日光燈內(nèi)一定含有汞原子。實際上，日光燈管內(nèi)確實充有汞，通電后，在電壓作用下，從電極發(fā)出的高速電子碰撞汞原子，使汞原子向高能級躍，其中大部分被電離，發(fā)光原理和汞燈一樣，不同的是日光燈管的內(nèi)壁上涂有對紫外線敏感的熒光粉。熒光粉是固體物質(zhì)，固體物質(zhì)的能級間隔較小，幾乎是連續(xù)分布的，吸收了紫外線能量的熒光粉自身能級升高，很快向下面的能級躍遷，于是產(chǎn)生了波長連續(xù)變化的連續(xù)光譜[6]。也就是說，日光燈的可見光譜中，汞原子貢獻了其中的線狀譜，熒光粉貢獻了連續(xù)譜。

2.4 對白熾燈光譜的觀測

在日光燈沒有普及之前，白熾燈曾經(jīng)作為最主要的照明光源而被人們熟悉。由于其發(fā)光效率低，使用壽命短等缺點已基本被淘汰，但它價格低廉，有些場合偶爾還能夠見到它的身影[7]。

將實驗室遮光簾拉上，關(guān)掉實驗室其他光源，將白熾燈固定在棱鏡狹縫前端，給白熾燈通電，燈絲電阻在電流通過時具有熱效應(yīng)，溫度會達到2 000℃左右，在如此高溫下燈絲發(fā)出明亮的白熾光。將光引入棱鏡攝譜儀狹縫。圖7顯示的是白熾燈的可見光光譜。可以看出白熾燈的光譜是連續(xù)光譜，不含線狀成分。并且連續(xù)光譜中的紅色部分亮度最高，越向藍色方向亮度越弱。

圖7 白熾燈的可見光光譜

白熾燈從外界吸收的光可以忽略不計，近似把白熾燈看成是一個黑體，根據(jù)普朗克的黑體輻射公式[8]

輻射出的波長λ是連續(xù)變化的，當(dāng)溫度T為2 000℃時，由(1)式繪出單色輻出度ελ,T與波長λ的變化關(guān)系，如圖8所示。可見，白熾燈輻射的能量大部分在紅外波段，這是白熾燈能效不高的原因。在輻射的可見光區(qū)域內(nèi)，輻射能量隨著波長的減小而減小，紅色區(qū)域占據(jù)了可見光總能量的大部分，所以白熾燈的光看起來呈暖色調(diào)。

3 結(jié)語

通過對四種常見白色光源的觀測，把知識和日常生活中的現(xiàn)象結(jié)合了起來，知識變得生動和親近，不僅加深了學(xué)生對對知識的理解，也培養(yǎng)了學(xué)習(xí)興趣，這種拓展是有趣和有益的。而且通過拓展使原來僅僅完成一項單一內(nèi)容的實驗儀器增加了使用價值，實現(xiàn)資源的最大化利用。

圖8 黑體單色輻出度與波長的關(guān)系(T=2 000℃)

很多實驗可以進行拓展，比如拉伸法測楊氏模量所用到的光杠桿[1]，利用其可以測量微小形變的特點，稍微改造就可以測量一些日常生活中肉眼很難看到的物體形變，比如輕壓桌面引起的變化，甚至高層大樓在風(fēng)中的微小抖動等。對傳統(tǒng)實驗內(nèi)容進行拓展要從實驗器材的特點出發(fā)去思考，與學(xué)生熟悉的內(nèi)容或現(xiàn)象結(jié)合起來，在不斷的摸索中找到合適的拓展內(nèi)容。

[1]袁廣宇，朱德權(quán)，丁智勇，等.大學(xué)物理實驗[M].3版.合肥：中科科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2014：92-115.

[2]吳泳華，霍劍青，劉鴻圖，等.大學(xué)物理實驗[M].2版.北京：高等教育出版社，2005：64-104.

[3]林木欣，熊予瑩，高長連，等.近代物理實驗教程[M].北京：科學(xué)出版社，2001：39-48.

[4]楊銘珍，關(guān)文祥，王玉成.太陽光譜分析[J].遼寧師院學(xué)報：自然科學(xué)版，1981（04）：11-15.

[5]楊福家.原子物理學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2011：86-164.

[6]常清英，林一青.日光燈氣體放電是輝光放電還是弧光放電[J].大學(xué)物理，2005，24（6）：24-28.

[7]劉 鈺.道路照明常用電光源光譜及檢測方法[C]//海峽兩岸第二十二屆照明科技與營銷研討會專題報告暨論文集，2015：87-91.

[8]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].5版.北京：高等教育出版社，2014：438-449.

The useful expansion of small prism spectrograph experiment

QU Kui，NI Zhi-xiang，GU Jiang-hong
(School of Physics and Electronic Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui236037,China)

The spectrum of four kinds of white light was observed by using small prism spectrograph,whose characteristics and causes were analyzed.Through the expansion of traditional experiment content,the students'creative spirit and the independent exploration ability are developed,what’s more,the value of the experimental instrument is also improved.

prism spectrograph;white light source;expansion of traditional experiment

O433.1

：A

：1004-4329（2016）04-110-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2016)04-110-04

2016-05-20

安徽省教學(xué)團隊(20100636)；國培計劃校本研修課題(FYGP1502)；安徽省質(zhì)量工程在線開放課程(MOOC)示范項目(2014mooc032)資助。

屈 奎（1982- ），碩士，講師，研究方向：分子與原子物理。