[摘要]对于培养学生的思维和动手能力,实验不乏是一种有效的教学手段。在物理实验教学中,可以通过实验教学方法的改进、理论与实验分析、自组实验仪器设计,使老实验焕发出新活力。
[关键词]棱镜摄谱实验 氦氖光源 实验方法
光谱是从无线电波延伸到γ射线和宇宙射线的电磁波谱。而摄谱仅为其经可见光的一小段、波长约为400～800nm。用铁光谱作“标准尺”去测量这一小段其他谱线的波长是一种定性方法。实际操作通常是以铁谱为标准、原因是铁谱的谱线多,在210～660纳米范围内有数千条谱线,谱线间距离分配均匀,容易对比,适用面广,且铁谱上每一条谱线的波长都已被准确测量,定位准确。
常常需要摄谱、冲洗底片、映谱仪看谱比对等,即费时费力效果又差。随着时代的进步,要求我们使其简单且实用化。作为普及教育,我们可以选一些谱线相对较多、谱线波长已知的元素光谱代替铁谱作“标准尺”来测量。如用氦氖光谱代替铁谱选作“标准尺”去测量、同样能达到预期的效果。操作起来即简捷又方便。
一、氦氖光源
氦氖激光光源主波长是由看的见的红光(6328A0)和看不见的红外线(3.39μm)组成;它们都是氖原子发射的,氦气只是辅助气体,用以提高氖原子的泵浦速率。
氦氖激光光源属辉光发电这一类型、其主要特点是工作电压较高、工作电流较小。
氦氖激光光源的结构如上图1所示。氦氖气体按一定比例和压力充入玻璃的放电管内。当阴极和阳极之间加上适当的电压后,气体就在放电管内的毛细管中放电发光。反射镜直接胶合在放电管两端并保持平行。一接上电源就有激光从部分反射镜顶端射出。
注意:我们是用氦氖激光光源经反射逸出腔外的光(放电管的侧面)来观测谱线。
二、读谱
1.氦氖光谱
对这部分波长的电磁辐射,用氦氖气体做光源、经过棱镜摄谱仪的分光处理、并按照波长顺序读(摄)谱记录,可呈现有规则的线条排列的光谱图。如下图。
2.小型棱镜摄谱仪
光谱分析常用摄谱仪来进行。小型棱镜摄谱仪用测微目镜的直接观察和读谱、为实验的进行带来方便。原理是以棱镜作为色散系统,观察记录或拍摄物质的发射光谱。
摄谱仪如图:主要由照明系统、平行光管系统、色散系统和光谱接收系统构成。如下图。
3.读谱实验原理
用一组已知波长的光谱线作为标准,测出它们的鼓轮刻度值,作定标线(“标准尺”)。
记下待测光谱各条谱线所对应的鼓轮刻度值,对照定标线(“标准尺”)来确定未知各谱线的波长。
实验原理等效图如下图:
三、實验方法
实验验证:用两种测量方法的结果近似相等。两种测量方法理论上成立。
四、实验中同学易犯的错误
1.位移手轮的作用如图7。它是用来定测量谱线的主窗口及测量的初始位置,不能用它读取实验数据。因其观察与测量分离,造成人为的测量系统误差,实验数据相差甚远。
2.用测微目镜读谱时,狭缝调的太宽或太窄。宽或窄都会使测量误差加大。谱线宽度应为十个小格(0.10mm)左右。
3.测量读法应读两谱线间距离,而不是两谱线中心点距离。因为谱线有宽度,越宽测量误差越大。同时应该注意:谱线有非均匀加宽的特征特性;另外,物体在吸收或发射电磁辐射时,能量是不连续变化,不能按常规从中心测量。这也是我们最容易忽视的一个问题。
举例如下:
小结:为了减小测量误差,测量时用测量准线的单线测量、且需测两已知波长的内间隔、即测两谱线间的距离。
五、理论与实验分析
1.光谱线的线型和加宽
光谱在没有外界的影响下,其谱线仍具有一定宽度,它与激发态原子的平均寿命有关。管子越老,谱线宽度变的越宽。
在物理学中,等离子体是气体处在高度电离状态,其所形成的空间电荷密度大体相等,使得整个气体呈电中性。在光谱学中,等离子体是指包含有分子、原子、离子、电子等各种粒子电中性的集合体。 等离子体有一定的体积、温度与原子浓度在其各部分分布不均匀,因为中间部位温度高、边缘低,这就引起了原子的热运动。它使我们观察到的谱线总是稍有差异(温度变宽),这种现象称为多普勒(Doppler)效应。由于热运动使各个发光粒子相对接受端有不同的相对速度、多普勒效应导致每个发光粒子发出的光有不同的频率波长,从而引起的是非均匀谱线加宽。放大观察每一条谱线,即把狭缝调宽、就可发现左边亮且稍宽。即其成分所占比例多,右边暗且窄。即其成分所占比例少。每一条谱线都是如此。
2.测量误差客观存在
由图知,氦氖光谱主要谱线遵从其线性关系。其中两点值线性稍差。究其原因是因为读谱的微小误差,相差一小格(±0.01mm)、代入公式计算就会引起4nm～5nm的误差。
六、自组实验仪器设计
用光栅从某一角度观察氦氖光源,可看到摄谱仪拍谱的同样效果(完整的谱图)。这可用菲涅耳波动光学理论的衍射现象进行解释。
用He-Ne灯泡、光栅、分光计组成实验小系统。通过光栅观察、分光计调整读数、手机拍摄光谱。然后输入电脑读储卡处理图像、将其粘贴于实验报告。
七、结束语
在实测读谱中,有一系列的不稳定因素、有客观的,也有人为的。读谱与摄谱因其时间差异而略显不同;但考虑到大学的普及教育,同学学习主要是学习实验的方法。作为实验,它的经济方便且简捷实用令人向往。对于培养学生的思维和动手能力,不乏是一种有效的手段。
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