分光計(jì)測(cè)光柵光譜實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展

李百芳

(沈陽(yáng)藥科大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110016)

1 前言

高等學(xué)校承擔(dān)著培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要使命，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新知識(shí)、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對(duì)高等教育人才的培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高的要求.用分光計(jì)測(cè)量光柵光譜實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).光柵和棱鏡一樣，是一種重要的分光元件，分光計(jì)與衍射光柵、三棱鏡配合，可以觀察衍射光譜、色散光譜，使用不同光源進(jìn)行衍射光柵實(shí)驗(yàn)，對(duì)光柵的衍射現(xiàn)象進(jìn)行研究，不僅有助于加深對(duì)光的波動(dòng)性的理解，而且也有助于進(jìn)一步學(xué)習(xí)近代光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù).為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量與效率，開闊學(xué)生的視野，讓學(xué)生對(duì)各種光源的發(fā)光機(jī)理與光譜有進(jìn)一步的了解，在分光計(jì)測(cè)光柵光譜實(shí)驗(yàn)中引入了節(jié)能燈做光源.

2 實(shí)驗(yàn)原理

一束波長(zhǎng)為λ的單色光垂直入射到光柵平面上，透過每一狹縫的光都要發(fā)生衍射，經(jīng)過透鏡后會(huì)聚而相互干涉，在透鏡焦平面上形成一系列明條紋[1]，按照光柵衍射理論，衍射光譜中明條紋的位置由下式?jīng)Q定

dsinθk=±kλ(k= 0, 1, 2，…)

(1)

式中λ為入射光波長(zhǎng)，k為明條紋級(jí)數(shù)，θk為k級(jí)明條紋的衍射角.如果入射光不是單色光，則由式(1)可以看出，光的波長(zhǎng)不同,其衍射角也各不相同，于是復(fù)色光將被分解.而在中央k=0，θk=0處，各色光仍重疊在一起，組成中央明條紋，在中央明條紋兩側(cè)對(duì)稱分布著k=1,2，… 級(jí)光譜，各級(jí)光譜線都按波長(zhǎng)大小的順序依次排列成一組彩色譜線，這樣就將復(fù)色光分解為單色光[2].

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 以鈉光燈為光源測(cè)量光柵常數(shù)

以鈉光燈為光源測(cè)量光柵常數(shù)所得數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 鈉光燈為光源的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2 以汞燈為光源的光譜

以汞燈為光源測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 以汞燈為光源的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)

由公式(1)可以看出，對(duì)于同一級(jí)譜線，各色光的波長(zhǎng)不同，其衍射角θk也各不相同，這樣,就把復(fù)色光分解為單色光，各級(jí)譜線按波長(zhǎng)大小順序依次排列成彩色譜線．

3.3 用普通節(jié)能燈作光源及其與汞燈的光譜譜線對(duì)比

用紅色、藍(lán)色節(jié)能燈替代汞燈，測(cè)量光柵衍射的一級(jí)衍射譜線，將測(cè)量數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算出節(jié)能燈的譜線波長(zhǎng),如表3所示.光柵常數(shù)為1 666.66 nm (600條).

表3 節(jié)能燈與汞燈的譜線波長(zhǎng)對(duì)比

節(jié)能燈主要是通過鎮(zhèn)流器給燈管燈絲加熱，大約在1 160 K溫度時(shí)，燈絲就開始發(fā)射電子，電子碰撞氬原子產(chǎn)生非彈性碰撞，氬原子碰撞后獲得了能量又撞擊汞原子，汞原子在吸收能量后躍遷產(chǎn)生電離，發(fā)出253.7 nm的紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)出可見光.雖然節(jié)能燈發(fā)出光的明細(xì)度不如低壓汞燈，但是在實(shí)驗(yàn)中觀察節(jié)能燈的光譜合乎實(shí)驗(yàn)要求.譜線中存在很少的連續(xù)光譜，就教學(xué)來說并不影響實(shí)驗(yàn)觀察[3].對(duì)比紅色、藍(lán)色節(jié)能燈與汞燈光源的譜線波長(zhǎng)，基本處在誤差范圍之內(nèi)，符合光柵實(shí)驗(yàn)光源的要求.

4 結(jié)束語

在實(shí)驗(yàn)中選用多種光源進(jìn)行教學(xué),不僅可使學(xué)生鞏固所學(xué)的知識(shí)，而且對(duì)各種常見光源光譜特性和發(fā)光原理有了更深入的認(rèn)識(shí).直觀地了解了單色光和復(fù)色光衍射光譜的特性，拓展了學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力、創(chuàng)新能力以及科學(xué)思維能力，提高了實(shí)驗(yàn)課的質(zhì)量和效率.

參考文獻(xiàn)

1 鐘鼎.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).天津：天津大學(xué)出版社，2011.163

2 朱世坤,聶宜珍.二級(jí)物理實(shí)驗(yàn)(第二版) .北京：科學(xué)出版社,2005.15

3 夏歡,邢秀文,蔡少森.各種節(jié)能燈在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探究.科協(xié)論壇,2012(5):31～32