简易光谱观察仪的制作与应用①

(广东省中山市杨仙逸中学，广东 中山 528400)

1 制作背景

高中物理课程标准中要求“了解氢原子光谱的不连续性及各个线系，知道每种原子都有其特定的原子光谱。通过观察氢原子光谱的实验，知道一种观察光谱的方法。”2017年高考物理考试大纲也明确要求“知道氢原子光谱、氢原子的能级结构和能级公式”。

在实际的教学中，由于现有教材所介绍的实验装置结构比较复杂，调试困难，学生很难经历实验探究的过程，从而缺乏对原子光谱的感性认识，对理解原子的能级结构、能级跃迁等问题产生困难。笔者根据光盘对光的衍射等原理，制成光谱观察仪，制作简单，观察方便，能有效地帮助学生观察氢原子及其他原子的光谱，对连续光谱和线状光谱有感性的认识,帮助学生理解原子的能级结构与跃迁。

图1

光盘由于其特殊的构造，当光入射到光盘表面后会发生色散现象，从不同的角度能看到彩色条纹。光盘由基板、记录层和保护层构成(如图1)，基板一般采用光学性能和机械性能较好的材料，如有机玻璃等，记录层是附着在基板上的薄膜，采用光刻胶、金属薄膜(如碲合金薄膜)等材料，保护层是为保护记录层不受外界损伤而覆盖在记录层表面上的透明物质。

如图1所示，在光盘上刻录信息时，记录层被烧蚀成凹点或气泡，凹点宽度约为0.6μm，长度约在0.3～3μm之间，深度约为0.12μm，两螺旋轨道的距离为1.6μm.由于记录层信息轨道尺寸与可见光的波长(约0.77～0．4μm)接近，被记录层反射出的光在靠近记录层传播的过程中遇到轨道密纹，会产生衍射现象，并且衍射范围从光盘中心向外延展。同时，可见光分别在保护膜上下表面反射时产生薄膜干涉现象，产生彩色花纹。

2 仪器制作

图2

如图2所示，取一张A4纸大小、一面为黑色的卡纸，按照一定尺度制好模板，定好折合线、光缝、观察孔及光盘斜插缝隙，模板可参照图2按比例放大到A4纸大小。按折线将卡纸折成一个扁平的长方体暗盒，在暗盒窄面上方正中央开一条入射光缝，在宽面开一个方形观察孔，在另一宽面开一缝隙，将光盘斜插入缝隙中，光盘正面朝向光缝和观察孔(如图3)。图4是为提高观察效果而设计的原子光管灯箱,灯箱内侧为黑色背景,成为一个小暗室,各原子光管紧卡于塑板之间,两端电极露出板面,以便连接电源。

图3

图4

3 实验原理

图5

图5是本实验仪器的光路图，光通过暗盒的狭缝进入盒内，在光盘表面产生反射及衍射现象。人眼在观察孔可观察到类似于反射光栅的衍射条纹。如果是频率连续的光源，则观察到的是连续光谱；如果光源是某种原子发出的光,则观察到的是该原子特有的分立的线状光谱。

4 实验效果

图6是学生在利用本仪器观察原子光谱，观察时入射光缝对准光源,调节光缝的位置和角度，即可清晰地观察到多种原子的明线光谱。图7是白炽灯发出的连续光谱，图8是荧光灯对某种原子的吸收光谱，图9是氦原子的明线谱。

图6

图7

图8

图9

5 特点和创新

传统中学物理、小学科学中光的色散实验一般利用三棱镜，应用三棱镜对光的折射原理，例如小学和初中利用三棱镜将平行的白光或太阳光分开，从而在屏幕上看到彩色的条纹，实验中要求入射光为平行光或太阳光，要求较强的亮度，屏幕和三棱镜间要求有足够的距离，实验操作一般要在暗室中进行；高中用分光镜观察原子光谱，利用三棱镜对连续光谱和线状光谱进行观察和分析，分光镜虽然精度较高，但结构比较复杂，造价比较高，观察时要进行复杂的调试，实验操作也需要在暗室中进行。

本仪器依据光在光盘上发生反射、衍射、干涉的原理设计而成，比利用三棱镜对光的折射原理而设计的实验装置(如分光镜)结构更简单，效果更理想。

在观察连续光谱时，实验操作可以全天候进行，即只要有光进入暗盒的光缝，即可观察到彩色光谱，入射光不一定要求是太阳光或平行光，光强大小不受限制，不需要屏幕，不要求在暗室内进行。在观察原子光谱时，只要狭缝对准光源，调节狭缝及暗盒的位置和角度，就能清晰观察到各种原子的明线光谱，方法和操作比教材上的分光镜更方便，效果很好。

仪器构造简单、操作方便，效果明显，易于推广，具有较强的适用性。

本仪器对原子光谱只能作定性的观察和研究，定量的原子光谱分析需要借助更精密的光谱分析仪。