高中物理常見光譜的觀察

魯斌

(浙江省余姚中學(xué) 浙江 寧波 315400)

物理課堂涉及光譜的觀察.在人教版《物理》選修3-5“氫原子光譜”一節(jié)中，介紹了光譜、連續(xù)譜、線狀譜的概念[1].并通過科學(xué)漫步“光譜與新元素的發(fā)現(xiàn)”，介紹了吸收譜的產(chǎn)生原理與應(yīng)用.學(xué)生對于光譜的認(rèn)識往往停留在概念和課本的圖片，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，能夠在課堂中觀察到這些真實(shí)譜線，從而對光譜有更加深刻的認(rèn)識，這是教師需要思考的問題.

課文中寫道：“用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的波長(頻率)成分和強(qiáng)度分布的記錄，用攝譜儀可以得到光譜的照片.”[1]這已經(jīng)給我們指明了方法.如圖1所示，我們利用分光計(jì)作為平臺，利用三棱鏡或者光柵進(jìn)行分光，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)，在望遠(yuǎn)鏡中即可觀察到光譜.

圖1 觀察系統(tǒng)的搭建

1 原子的發(fā)射光譜

原子的發(fā)射光譜，是由原子中的電子在能量變化時(shí)所發(fā)射的一系列波長的光所組成的光譜.我們利用氫燈、低壓鈉燈、低壓汞燈進(jìn)行觀察.

1.1 氫原子光譜的觀察

氫原子光譜是高中物理的教學(xué)內(nèi)容.要求學(xué)生能夠知道氫原子在可見光區(qū)域的4條譜線，會運(yùn)用巴爾末公式計(jì)算光譜線的波長，會用玻爾理論解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.我們用氫燈作為光源，可以觀察到氫原子在可見光區(qū)域中的全部4條譜線如圖2所示.其中強(qiáng)度較強(qiáng)的為紅光和綠光，兩條紫光特別是波長最短的紫光較難觀察，仔細(xì)調(diào)節(jié)可以確定它的存在.

圖2 氫原子光譜

在課堂教學(xué)中，應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂展示.我們將攝像頭與望遠(yuǎn)鏡連接進(jìn)行拍攝，將觀察到的畫面實(shí)時(shí)投影到大屏幕上，如圖3所示，便于學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)過程.

圖3 將觀察內(nèi)容實(shí)時(shí)投影

1.2 鈉光譜的觀察

在焰色反應(yīng)中，向酒精燈焰上撒一些食鹽，便會看到明亮的黃色，這就是鈉元素所呈現(xiàn)的顏色.我們用鈉燈作為光源，鈉光通過三棱鏡折射，得到了黃色的光譜線如圖4所示，非常明銳.如果通過光柵常數(shù)為1.67×10-6m的光柵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則分光效果更好，在二級衍射角下能夠觀察到鈉黃雙線如圖5所示.

圖4 鈉元素光譜 圖5 鈉黃雙線

我們所觀察到的鈉黃雙線波長為589.0 nm和589.6 nm，就是鈉光譜主線系的第一條譜線[2].鈉原子的最外層只有一個價(jià)電子，內(nèi)層的10個電子與原子核組成原子實(shí)，與氫原子有些類似，導(dǎo)致它們發(fā)出的光譜也有相似的結(jié)構(gòu).鈉黃雙線是鈉元素的特征光譜，利用鈉光譜的觀察，教學(xué)過程中應(yīng)滲透光譜分析的原理和意義.

1.3 汞原子光譜觀察

汞原子發(fā)光在平時(shí)生活中很常見，傳統(tǒng)消毒的紫外線燈即低壓汞燈，傳統(tǒng)日光燈的發(fā)光原理即利用低壓汞燈通電后釋放紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光.于是我們有必要先研究汞原子的發(fā)光規(guī)律.我們利用低壓汞燈作為光源，觀察汞原子光譜如圖6所示.

圖6 汞原子光譜

我們觀察到了其中的紫光、綠光和兩條黃光的譜線.要注意的是，兩條黃光譜線并非鈉黃雙線，它們的波長分別為584.4 nm和589.1 nm.波長差距較大，所以在光柵下很好區(qū)分.教學(xué)過程中在此處也可以進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)特征光譜的意義.汞原子光譜的觀察為理解日光燈的譜線做好了鋪墊.

原子光譜中某一譜線的產(chǎn)生是與原子中電子在某一對特定能級之間的躍遷相聯(lián)系的.因此，用原子光譜可以研究原子結(jié)構(gòu).由于原子是組成物質(zhì)的基本單位，原子光譜對于研究分子結(jié)構(gòu)、固體結(jié)構(gòu)等也是很重要的.另一方面，由于通過原子光譜可以了解原子的運(yùn)動狀態(tài)，從而可以研究包含原子在內(nèi)的若干物理過程.

2 常見光源光譜觀察

常見的光源包括白熾燈、LED燈、日光燈等.對于這些常用光源的光譜觀察，有利于激發(fā)學(xué)生興趣，并增進(jìn)對自然事物的理解.我們進(jìn)行逐一的觀測.

2.1 白熾燈的光譜

課堂中我們提到：熾熱的固體和液體以及高溫高壓的氣體產(chǎn)生連續(xù)譜.

圖7為觀察白熾燈光譜的實(shí)驗(yàn)裝置，白熾燈是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源.熾熱的鎢絲屬于“熾熱的固體”，從發(fā)光原理上也可以推測其為連續(xù)譜線.白熾燈光譜如圖8所示.

圖7 觀察白熾燈光譜的實(shí)驗(yàn)裝置

圖8 白熾燈光譜

我們可以看到，光譜在紅光區(qū)和紫光區(qū)的分布都很多，且譜線較寬，紅色光線非常明亮，可想而知，長波段的能量較高，說明具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，較大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能.

2.2 日光燈的光譜

有部分學(xué)生認(rèn)為[3]：日光燈發(fā)光主要是紫外線激發(fā)管壁上熒光粉發(fā)光，屬熾熱固體發(fā)光，應(yīng)為連續(xù)譜.也有學(xué)生認(rèn)為：日光燈發(fā)光時(shí)燈管內(nèi)的低壓汞蒸氣由于被激發(fā)而發(fā)光，所以看到的應(yīng)是線狀譜.低壓汞原子氣體光譜為線狀譜，那么譜線打到熒光粉上是線狀譜還是連續(xù)譜呢？

如圖9所示，我們用中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中的J2524型紫外線作用演示器中自帶的小日光燈管作為光源進(jìn)行觀測.用分光鏡對著日光燈，可看到在連續(xù)譜的背景上分布著幾條很強(qiáng)的明線，與圖6相對照，這就是汞在可見光區(qū)域內(nèi)幾條最強(qiáng)的譜線.所以觀察日光燈我們看到低壓汞蒸氣的線狀譜，但卻是分布在連續(xù)譜背景上的，日光燈光譜如圖10所示.

圖9 小日光燈

圖10 日光燈光譜

連續(xù)譜的形成是由于熒光粉經(jīng)紫外線照射后，吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并且立即退激發(fā)并發(fā)出比入射光波長長的出射光而形成可見光，產(chǎn)生連續(xù)譜.當(dāng)紫外線停止入射，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失.

2.3 發(fā)光二極管的光譜

發(fā)光二極管的核心部件為晶片(圖11).一共分為3層：最左層為P型半導(dǎo)體層、中間為發(fā)光層、最右層為N型半導(dǎo)體層.當(dāng)電流通過晶片時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的電子與P型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴在發(fā)光層劇烈地碰撞復(fù)合產(chǎn)生光子，以光子的形式發(fā)出能量.我們使用白光LED燈進(jìn)行觀測.

圖11 LED發(fā)光原理示意圖

由于白光LED燈是藍(lán)光LED燈的晶片上加一層熒光粉，所以我們觀察到的是連續(xù)譜(圖12)，光譜在短波區(qū)具有很大的寬度和亮度，長波區(qū)的亮度相對較低，說明熱效應(yīng)不明顯，電能轉(zhuǎn)化為光能的效率較高.

圖12 LED 燈光譜

連續(xù)光譜是指光強(qiáng)度隨頻率變化呈連續(xù)分布的光譜.根據(jù)量子理論，原子、分子可處于一系列分立的狀態(tài).兩個態(tài)間的躍遷產(chǎn)生光譜線.每個光譜線系趨于一個短波極限，波長短于這個極限就出現(xiàn)一個光譜的連續(xù)區(qū).

3 火焰的光譜

火焰光芒的一種產(chǎn)生機(jī)理是處于激發(fā)態(tài)的氣體向普通態(tài)氣體轉(zhuǎn)變時(shí)，電子躍遷而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象.對于火焰的光譜，許多學(xué)生把握不準(zhǔn).我們對蠟燭產(chǎn)生的光譜進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示.

圖13 觀察蠟燭光譜

如圖14所示，我們觀察到的為連續(xù)譜線，長波部分亮度很高，短波部分亮度迅速下降，說明能量主要集中在紅光和紅外區(qū)，具有明顯的熱效應(yīng).

圖14 蠟燭光譜

從對蠟燭精確的光譜分析可以得到[4]，燃燒過程中，還有固體碳粒子存在.形成碳粒子的原因，很可能是大的碳?xì)浞肿尤剂鲜紫确至殉商荚踊螂p原子碳，然后經(jīng)過某種形式形成固體粒子.燃燒過程中，熱氣體和熱輻射使固體碳粒子加熱到白熾程度，白熾的碳粒子與水和CO2反應(yīng)而產(chǎn)生CO.白熾的碳所發(fā)出的熱輻射應(yīng)是白色的，但由于還有少量CO發(fā)射紅色波長以及人眼對不同光的敏感程度，整個光譜區(qū)看上去是淡黃色的.

4 原子的吸收光譜

原子的吸收光譜，是由原子中的電子在能量變化時(shí)所吸收的一系列波長的光所組成的光譜.原子吸收光源中部分波長的光形成吸收光譜，為暗淡條紋.我們觀察以LED燈為背景光源，以光柵為分光原件，以J30032型碘升華管(圖15)作為產(chǎn)生碘蒸氣的容器，以酒精燈為加熱源觀察碘的吸收譜線，核心部件如圖16所示.

圖15 碘升華管 圖16 實(shí)驗(yàn)裝置

打開LED燈，從分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡中即可看到連續(xù)光譜(圖17).用酒精燈將碘升華管加熱，使碘分子升華，則在連續(xù)光譜黃綠色區(qū)域?qū)⒖吹街饾u出現(xiàn)許多黑線，這些黑線由淡變濃(圖18).這是由于樣品池中碘分子蒸氣因溫度升高而增加吸收光能所造成的.當(dāng)樣品池溫度降低時(shí)，碘分子吸收光譜帶將隨著溫度降低而逐漸消失，最后恢復(fù)到連續(xù)光譜.

圖17 LED的連續(xù)光譜

圖18 碘的吸收光譜

精確的實(shí)驗(yàn)測量可以得到[5]，碘分子吸收光譜帶波長范圍在525.3～636.4 nm.且吸收光譜中的暗紋間隔幾乎等間距，這和我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的.

5 結(jié)束語

光譜的觀察與分析在高中物理處于原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，主要以記憶為主.在物理課堂中，如果能較好地呈現(xiàn)連續(xù)譜、線狀譜、吸收譜等譜線的特點(diǎn)，能夠呈現(xiàn)常見物質(zhì)產(chǎn)生的光譜，對學(xué)生的物理觀念的培育、物理圖像的建立尤為重要.

對實(shí)驗(yàn)器材的要求，最重要的是實(shí)驗(yàn)平臺——分光計(jì)的準(zhǔn)備.如果沒有專門的氫燈、鈉燈、汞燈，可以用實(shí)驗(yàn)室的光譜管組代替.分光儀器可以用三棱鏡，有條件的學(xué)校可以用光柵代替，達(dá)到更好的分光效果，并利用光柵方程測量譜線波長.最難實(shí)現(xiàn)的是吸收譜的觀察，利用碘升華管可以很好地解決這個問題.在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)處于黑暗的環(huán)境以及較小的光源，防止外界雜光和自身多余光線通過分光器件造成干擾.