高中物理常見光譜的觀察

魯斌

(浙江省余姚中學 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].并通過科學漫步“光譜與新元素的發(fā)現(xiàn)”，介紹了吸收譜的產生原理與應用.學生對于光譜的認識往往停留在概念和課本的圖片，如何設計實驗，能夠在課堂中觀察到這些真實譜線，從而對光譜有更加深刻的認識，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)成分和強度分布的記錄，用攝譜儀可以得到光譜的照片.”[1]這已經給我們指明了方法.如圖1所示，我們利用分光計作為平臺，利用三棱鏡或者光柵進行分光，通過適當調節(jié)，在望遠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內容.要求學生能夠知道氫原子在可見光區(qū)域的4條譜線，會運用巴爾末公式計算光譜線的波長，會用玻爾理論解釋氫原子光譜的實驗規(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.其中強度較強的為紅光和綠光，兩條紫光特別是波長最短的紫光較難觀察，仔細調節(jié)可以確定它的存在.

圖2 氫原子光譜

在課堂教學中，應設計實驗進行課堂展示.我們將攝像頭與望遠鏡連接進行拍攝，將觀察到的畫面實時投影到大屏幕上，如圖3所示，便于學生親身參與實驗過程.

圖3 將觀察內容實時投影

1.2 鈉光譜的觀察

在焰色反應中，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的光柵進行實驗，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電子，內層的10個電子與原子核組成原子實，與氫原子有些類似，導致它們發(fā)出的光譜也有相似的結構.鈉黃雙線是鈉元素的特征光譜，利用鈉光譜的觀察，教學過程中應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.教學過程中在此處也可以進一步強調特征光譜的意義.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構.由于原子是組成物質的基本單位，原子光譜對于研究分子結構、固體結構等也是很重要的.另一方面，由于通過原子光譜可以了解原子的運動狀態(tài)，從而可以研究包含原子在內的若干物理過程.

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)學生興趣，并增進對自然事物的理解.我們進行逐一的觀測.

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生連續(xù)譜.

圖7為觀察白熾燈光譜的實驗裝置，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驗裝置

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，說明具有很強的熱效應，較大部分電能轉化為熱能.

2.2 日光燈的光譜

有部分學生認為[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，應為連續(xù)譜.也有學生認為：日光燈發(fā)光時燈管內的低壓汞蒸氣由于被激發(fā)而發(fā)光，所以看到的應是線狀譜.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，我們用中學物理實驗室中的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的明線，與圖6相對照，這就是汞在可見光區(qū)域內幾條最強的譜線.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紫外線照射后，吸收光能后進入激發(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，產生連續(xù)譜.當紫外線停止入射，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型半導體層、中間為發(fā)光層、最右層為N型半導體層.當電流通過晶片時，N型半導體內的電子與P型半導體內的空穴在發(fā)光層劇烈地碰撞復合產生光子，以光子的形式發(fā)出能量.我們使用白光LED燈進行觀測.

圖11 LED發(fā)光原理示意圖

由于白光LED燈是藍光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，說明熱效應不明顯，電能轉化為光能的效率較高.

圖12 LED 燈光譜

連續(xù)光譜是指光強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

火焰光芒的一種產生機理是處于激發(fā)態(tài)的氣體向普通態(tài)氣體轉變時，電子躍遷而產生的發(fā)光現(xiàn)象.對于火焰的光譜，許多學生把握不準.我們對蠟燭產生的光譜進行觀察，實驗裝置如圖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.

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，很可能是大的碳氫分子燃料首先分裂成碳原子或雙原子碳，然后經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反應而產生CO.白熾的碳所發(fā)出的熱輻射應是白色的，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 實驗裝置

打開LED燈，從分光計的望遠鏡中即可看到連續(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)域將看到逐漸出現(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.當樣品池溫度降低時，碘分子吸收光譜帶將隨著溫度降低而逐漸消失，最后恢復到連續(xù)光譜.

圖17 LED的連續(xù)光譜

圖18 碘的吸收光譜

精確的實驗測量可以得到[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，這和我們的實驗結果是吻合的.

5 結束語

光譜的觀察與分析在高中物理處于原子結構的內容，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，能夠呈現(xiàn)常見物質產生的光譜，對學生的物理觀念的培育、物理圖像的建立尤為重要.

對實驗器材的要求，最重要的是實驗平臺——分光計的準備.如果沒有專門的氫燈、鈉燈、汞燈，可以用實驗室的光譜管組代替.分光儀器可以用三棱鏡，有條件的學校可以用光柵代替，達到更好的分光效果，并利用光柵方程測量譜線波長.最難實現(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.在實驗過程中，應處于黑暗的環(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.