簡易光譜觀察儀的制作與應用①

(廣東省中山市楊仙逸中學，廣東 中山 528400)

1 制作背景

高中物理課程標準中要求“了解氫原子光譜的不連續性及各個線系，知道每種原子都有其特定的原子光譜。通過觀察氫原子光譜的實驗，知道一種觀察光譜的方法。”2017年高考物理考試大綱也明確要求“知道氫原子光譜、氫原子的能級結構和能級公式”。

在實際的教學中，由于現有教材所介紹的實驗裝置結構比較復雜，調試困難，學生很難經歷實驗探究的過程，從而缺乏對原子光譜的感性認識，對理解原子的能級結構、能級躍遷等問題產生困難。筆者根據光盤對光的衍射等原理，制成光譜觀察儀，制作簡單，觀察方便，能有效地幫助學生觀察氫原子及其他原子的光譜，對連續光譜和線狀光譜有感性的認識,幫助學生理解原子的能級結構與躍遷。

圖1

光盤由于其特殊的構造，當光入射到光盤表面后會發生色散現象，從不同的角度能看到彩色條紋。光盤由基板、記錄層和保護層構成(如圖1)，基板一般采用光學性能和機械性能較好的材料，如有機玻璃等，記錄層是附著在基板上的薄膜，采用光刻膠、金屬薄膜(如碲合金薄膜)等材料，保護層是為保護記錄層不受外界損傷而覆蓋在記錄層表面上的透明物質。

如圖1所示，在光盤上刻錄信息時，記錄層被燒蝕成凹點或氣泡，凹點寬度約為0.6μm，長度約在0.3～3μm之間，深度約為0.12μm，兩螺旋軌道的距離為1.6μm.由于記錄層信息軌道尺寸與可見光的波長(約0.77～0．4μm)接近，被記錄層反射出的光在靠近記錄層傳播的過程中遇到軌道密紋，會產生衍射現象，并且衍射范圍從光盤中心向外延展。同時，可見光分別在保護膜上下表面反射時產生薄膜干涉現象，產生彩色花紋。

2 儀器制作

圖2

如圖2所示，取一張A4紙大小、一面為黑色的卡紙，按照一定尺度制好模板，定好折合線、光縫、觀察孔及光盤斜插縫隙，模板可參照圖2按比例放大到A4紙大小。按折線將卡紙折成一個扁平的長方體暗盒，在暗盒窄面上方正中央開一條入射光縫，在寬面開一個方形觀察孔，在另一寬面開一縫隙，將光盤斜插入縫隙中，光盤正面朝向光縫和觀察孔(如圖3)。圖4是為提高觀察效果而設計的原子光管燈箱,燈箱內側為黑色背景,成為一個小暗室,各原子光管緊卡于塑板之間,兩端電極露出板面,以便連接電源。

圖3

圖4

3 實驗原理

圖5

圖5是本實驗儀器的光路圖，光通過暗盒的狹縫進入盒內，在光盤表面產生反射及衍射現象。人眼在觀察孔可觀察到類似于反射光柵的衍射條紋。如果是頻率連續的光源，則觀察到的是連續光譜；如果光源是某種原子發出的光,則觀察到的是該原子特有的分立的線狀光譜。

4 實驗效果

圖6是學生在利用本儀器觀察原子光譜，觀察時入射光縫對準光源,調節光縫的位置和角度，即可清晰地觀察到多種原子的明線光譜。圖7是白熾燈發出的連續光譜，圖8是熒光燈對某種原子的吸收光譜，圖9是氦原子的明線譜。

圖6

圖7

圖8

圖9

5 特點和創新

傳統中學物理、小學科學中光的色散實驗一般利用三棱鏡，應用三棱鏡對光的折射原理，例如小學和初中利用三棱鏡將平行的白光或太陽光分開，從而在屏幕上看到彩色的條紋，實驗中要求入射光為平行光或太陽光，要求較強的亮度，屏幕和三棱鏡間要求有足夠的距離，實驗操作一般要在暗室中進行；高中用分光鏡觀察原子光譜，利用三棱鏡對連續光譜和線狀光譜進行觀察和分析，分光鏡雖然精度較高，但結構比較復雜，造價比較高，觀察時要進行復雜的調試，實驗操作也需要在暗室中進行。

本儀器依據光在光盤上發生反射、衍射、干涉的原理設計而成，比利用三棱鏡對光的折射原理而設計的實驗裝置(如分光鏡)結構更簡單，效果更理想。

在觀察連續光譜時，實驗操作可以全天候進行，即只要有光進入暗盒的光縫，即可觀察到彩色光譜，入射光不一定要求是太陽光或平行光，光強大小不受限制，不需要屏幕，不要求在暗室內進行。在觀察原子光譜時，只要狹縫對準光源，調節狹縫及暗盒的位置和角度，就能清晰觀察到各種原子的明線光譜，方法和操作比教材上的分光鏡更方便，效果很好。

儀器構造簡單、操作方便，效果明顯，易于推廣，具有較強的適用性。

本儀器對原子光譜只能作定性的觀察和研究，定量的原子光譜分析需要借助更精密的光譜分析儀。