高中物理课堂钠元素吸收光谱的简易观察方法

鲁 斌

(浙江省余姚中学 浙江 宁波 315400)

高中物理课堂涉及光谱的观察.在人教版物理“氢原子光谱”[1]一节中，介绍了连续谱、线状谱、吸收谱的产生原理与应用.连续谱和线状谱的观察较易实现，对于吸收谱，学生的认识往往停留在概念和课本的图片，教材也没有给出实验方案.如何设计实验，能够在课堂中观察到谱线，使学生对吸收光谱有更加深刻的认识，这是我们在课堂教学中需要解决的问题.

观察吸收光谱的主要困难在于得到高浓度的原子蒸气.如果有足够多的原子处于低能级，它就能吸收白光中相应频率的光子而产生能级跃迁，这时在连续光谱的背景中原子发射光谱的位置就会出现暗线，这就是要观察的吸收光谱.因此，本实验成功的关键是设法提供足够多低能级的原子来吸收相应频率的光子.当然，其他设备的设计方法和调试方法，也是保证实验能够成功的关键.

在中学物理课堂中，我们可以选取较易得到的氯化钠(食盐)来观察钠元素的吸收光谱.以此说明，化合态的钠元素也能够产生特征光谱，为元素的光谱分析做好铺垫.

1 主要实验器材的准备

1.1 光源的选择

背景光源的选择在本实验中尤为重要.

(1)白光光源采用200 W以上的白炽灯，也可以用200 W以上的浴霸灯或投影仪的灯泡.这样才能保证白光光源有足够高的温度.我们试验了40 W和100 W的灯泡，都没能成功.

(2)实验时，最好用亮度连续可调的台灯座，可以较好地演示在亮度逐渐变强的情况下，钠黄双线由“亮”变“暗”的过程.

(3)将一块凸透镜放置于灯泡前，保证通过凸透镜的光为平行光束.如图1所示.

图1 白炽灯与凸透镜

1.2 样品池的选择

为了产生较浓的钠蒸气，又要使实验操作方便，采用常见的食盐作为主要材料.文献[2]所述将食盐直接溶于酒精得到氯化钠酒精溶液.实验证明，效果不佳.文献[3]用酒精灯上直接喷洒食盐水雾的方法得到钠气，需要多人协助，且谱线时断时续不稳定.

(1)由于氯化钠难溶于酒精，故先将氯化钠溶于水，配制氯化钠饱和溶液.之后将其与95%的酒精混合，比例为1∶3，酒精的浓度最后降为75%.

(2)将配置好的溶液倒入酒精灯中，点燃酒精灯，一段时间后，即可得到较大的黄色火焰，点燃后的效果如图2所示.

图2 点燃倒入溶液的酒精灯得到较大火焰 图3 改进实验获得更大火焰

(3)为了增大钠气浓度，也可以将溶液置于开口的小铁盒中，在其中放上少许棉絮，棉絮上再撒一些食盐颗粒，效果更好(图3).

1.3 制备开口纸盒

(1)找一个大小合适的硬纸板盒，并在前后侧面分别开一个大小位置相同的小口.

(2)将酒精灯或小铁罐放入两端开口的纸盒中，透过开口，能观察到火焰为宜，俯视图如图4所示.

图4 两端开口的纸盒(俯视图)

文献[4]中用开孔的铁盒.大铁盒较难得到，并开口较难.采用硬纸板的盒子制备，一般10 min即可完成.

纸盒的第一个作用是遮挡酒精灯焰， 以减少进入分光镜中钠光的光通量.它不会影响进入分光镜里的白光的光通量，因为白光是平行光束.这样才能使分光镜中白光的光谱强度比酒精灯焰所发的钠光谱强度大，因而才能显出明显的吸收谱线.如果不用孔遮挡酒精灯焰，尽管白光中的黄光成分被钠蒸气吸收了，而灯焰中钠蒸气所发出的黄光进入分光计后，仍然会叠加在吸收谱线上，使吸收谱消失[5].

纸盒的第二个作用是遮挡多余的白炽灯光线.虽然一部分白光折射成为平行光束，但还有相当部分的光通量未被利用.如果这些光线直接通过光栅衍射，也会叠加在吸收谱线上，使吸收谱消失.

纸盒的第三个作用是使火焰稳定，并能够聚集更多的钠气，从而确保实验的成功.

1.4 观察平台的选择

普通的分光计包括平行光管、载物台、望远镜，其性能和精度即可满足要求，实验平台如图5所示.在分光原件的选择上，光栅的分光能力强于三棱镜，本实验要观察钠黄双线，选择以每毫米600刻线即光栅常数为1.67×10-6m的光栅进行实验.

图5 实验平台

2 钠元素的吸收光谱的观察

2.1 实验过程

(1)将实验仪器如图6所示放置.经过反复试验，平行光管的狭缝置于火源稍远位置时，效果更佳.

图6 实验整体装置图

(2)打开白炽灯电源，将台灯亮度控制旋钮调到最低处，使白炽灯亮度最暗.同时，调节白炽灯、凸透镜、两端开口纸盒、分光计狭缝的距离，直到白炽灯发出的光线，经过凸透镜产生平行光束，穿过纸盒的小孔进入平行光管的狭缝.在望远镜中，即可观察到白炽灯发出的连续光谱(图7).

图7 未点燃酒精时观察到的连续光谱

(3)断开电灯电源，点燃酒精，观察到黄色的火焰，火焰光线通过小孔进入分光计狭缝，通过望远镜观察，在一级衍射角下，有明亮的钠黄双线(图8)，这便是钠元素的发射谱.

图8 纳元素的发射谱

(4)打开白炽灯电源，亮度处于最暗挡位.在望远镜中既能看到明亮的连续光谱，同时也能看见明亮的钠线光谱(图9).

图9 观察到纳线光谱

(5)慢慢调节挡位旋钮，使灯光由弱变强，钠光谱的黄线颜色逐渐暗淡，直到消失.这时，仍慢慢地加强白炽灯亮度，不久，明线的位置出现暗线，这便是钠的吸收谱线(图10).可以看出有两条暗线，这便是钠元素的特征光谱.

图10 钠的吸收谱线

2.2 实时投影

在课堂教学中，应设计实验进行课堂展示.我们将摄像头与望远镜连接(图11)进行拍摄，将观察到的画面实时投影到大屏幕上(图12)，便于学生亲身参与实验过程.

图11 摄像头与望远镜连接

图12 实时投影

3 结束语

光谱的观察与分析在高中物理中处于原子结构的内容，主要以记忆为主.在物理课堂中，如果能较好地呈现吸收谱等谱线的特点，能够呈现常见物质产生的光谱，对学生物理观念的培育、物理图像的建立尤为重要.钠分子的吸收谱是相对较容易观察的谱线.本实验要注意的事项较多，包括高温光源的选择、钠盐酒精溶液的配制、凸透镜的使用、开口纸盒的使用、分光计的距离等，这些都是实验成功的关键因素，缺一不可.