高中物理課堂鈉元素吸收光譜的簡易觀察方法

魯 斌

(浙江省余姚中學 浙江 寧波 315400)

高中物理課堂涉及光譜的觀察.在人教版物理“氫原子光譜”[1]一節中，介紹了連續譜、線狀譜、吸收譜的產生原理與應用.連續譜和線狀譜的觀察較易實現，對于吸收譜，學生的認識往往停留在概念和課本的圖片，教材也沒有給出實驗方案.如何設計實驗，能夠在課堂中觀察到譜線，使學生對吸收光譜有更加深刻的認識，這是我們在課堂教學中需要解決的問題.

觀察吸收光譜的主要困難在于得到高濃度的原子蒸氣.如果有足夠多的原子處于低能級，它就能吸收白光中相應頻率的光子而產生能級躍遷，這時在連續光譜的背景中原子發射光譜的位置就會出現暗線，這就是要觀察的吸收光譜.因此，本實驗成功的關鍵是設法提供足夠多低能級的原子來吸收相應頻率的光子.當然，其他設備的設計方法和調試方法，也是保證實驗能夠成功的關鍵.

在中學物理課堂中，我們可以選取較易得到的氯化鈉(食鹽)來觀察鈉元素的吸收光譜.以此說明，化合態的鈉元素也能夠產生特征光譜，為元素的光譜分析做好鋪墊.

1 主要實驗器材的準備

1.1 光源的選擇

背景光源的選擇在本實驗中尤為重要.

(1)白光光源采用200 W以上的白熾燈，也可以用200 W以上的浴霸燈或投影儀的燈泡.這樣才能保證白光光源有足夠高的溫度.我們試驗了40 W和100 W的燈泡，都沒能成功.

(2)實驗時，最好用亮度連續可調的臺燈座，可以較好地演示在亮度逐漸變強的情況下，鈉黃雙線由“亮”變“暗”的過程.

(3)將一塊凸透鏡放置于燈泡前，保證通過凸透鏡的光為平行光束.如圖1所示.

圖1 白熾燈與凸透鏡

1.2 樣品池的選擇

為了產生較濃的鈉蒸氣，又要使實驗操作方便，采用常見的食鹽作為主要材料.文獻[2]所述將食鹽直接溶于酒精得到氯化鈉酒精溶液.實驗證明，效果不佳.文獻[3]用酒精燈上直接噴灑食鹽水霧的方法得到鈉氣，需要多人協助，且譜線時斷時續不穩定.

(1)由于氯化鈉難溶于酒精，故先將氯化鈉溶于水，配制氯化鈉飽和溶液.之后將其與95%的酒精混合，比例為1∶3，酒精的濃度最后降為75%.

(2)將配置好的溶液倒入酒精燈中，點燃酒精燈，一段時間后，即可得到較大的黃色火焰，點燃后的效果如圖2所示.

圖2 點燃倒入溶液的酒精燈得到較大火焰 圖3 改進實驗獲得更大火焰

(3)為了增大鈉氣濃度，也可以將溶液置于開口的小鐵盒中，在其中放上少許棉絮，棉絮上再撒一些食鹽顆粒，效果更好(圖3).

1.3 制備開口紙盒

(1)找一個大小合適的硬紙板盒，并在前后側面分別開一個大小位置相同的小口.

(2)將酒精燈或小鐵罐放入兩端開口的紙盒中，透過開口，能觀察到火焰為宜，俯視圖如圖4所示.

圖4 兩端開口的紙盒(俯視圖)

文獻[4]中用開孔的鐵盒.大鐵盒較難得到，并開口較難.采用硬紙板的盒子制備，一般10 min即可完成.

紙盒的第一個作用是遮擋酒精燈焰， 以減少進入分光鏡中鈉光的光通量.它不會影響進入分光鏡里的白光的光通量，因為白光是平行光束.這樣才能使分光鏡中白光的光譜強度比酒精燈焰所發的鈉光譜強度大，因而才能顯出明顯的吸收譜線.如果不用孔遮擋酒精燈焰，盡管白光中的黃光成分被鈉蒸氣吸收了，而燈焰中鈉蒸氣所發出的黃光進入分光計后，仍然會疊加在吸收譜線上，使吸收譜消失[5].

紙盒的第二個作用是遮擋多余的白熾燈光線.雖然一部分白光折射成為平行光束，但還有相當部分的光通量未被利用.如果這些光線直接通過光柵衍射，也會疊加在吸收譜線上，使吸收譜消失.

紙盒的第三個作用是使火焰穩定，并能夠聚集更多的鈉氣，從而確保實驗的成功.

1.4 觀察平臺的選擇

普通的分光計包括平行光管、載物臺、望遠鏡，其性能和精度即可滿足要求，實驗平臺如圖5所示.在分光原件的選擇上，光柵的分光能力強于三棱鏡，本實驗要觀察鈉黃雙線，選擇以每毫米600刻線即光柵常數為1.67×10-6m的光柵進行實驗.

圖5 實驗平臺

2 鈉元素的吸收光譜的觀察

2.1 實驗過程

(1)將實驗儀器如圖6所示放置.經過反復試驗，平行光管的狹縫置于火源稍遠位置時，效果更佳.

圖6 實驗整體裝置圖

(2)打開白熾燈電源，將臺燈亮度控制旋鈕調到最低處，使白熾燈亮度最暗.同時，調節白熾燈、凸透鏡、兩端開口紙盒、分光計狹縫的距離，直到白熾燈發出的光線，經過凸透鏡產生平行光束，穿過紙盒的小孔進入平行光管的狹縫.在望遠鏡中，即可觀察到白熾燈發出的連續光譜(圖7).

圖7 未點燃酒精時觀察到的連續光譜

(3)斷開電燈電源，點燃酒精，觀察到黃色的火焰，火焰光線通過小孔進入分光計狹縫，通過望遠鏡觀察，在一級衍射角下，有明亮的鈉黃雙線(圖8)，這便是鈉元素的發射譜.

圖8 納元素的發射譜

(4)打開白熾燈電源，亮度處于最暗擋位.在望遠鏡中既能看到明亮的連續光譜，同時也能看見明亮的鈉線光譜(圖9).

圖9 觀察到納線光譜

(5)慢慢調節擋位旋鈕，使燈光由弱變強，鈉光譜的黃線顏色逐漸暗淡，直到消失.這時，仍慢慢地加強白熾燈亮度，不久，明線的位置出現暗線，這便是鈉的吸收譜線(圖10).可以看出有兩條暗線，這便是鈉元素的特征光譜.

圖10 鈉的吸收譜線

2.2 實時投影

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(圖11)進行拍攝，將觀察到的畫面實時投影到大屏幕上(圖12)，便于學生親身參與實驗過程.

圖11 攝像頭與望遠鏡連接

圖12 實時投影

3 結束語

光譜的觀察與分析在高中物理中處于原子結構的內容，主要以記憶為主.在物理課堂中，如果能較好地呈現吸收譜等譜線的特點，能夠呈現常見物質產生的光譜，對學生物理觀念的培育、物理圖像的建立尤為重要.鈉分子的吸收譜是相對較容易觀察的譜線.本實驗要注意的事項較多，包括高溫光源的選擇、鈉鹽酒精溶液的配制、凸透鏡的使用、開口紙盒的使用、分光計的距離等，這些都是實驗成功的關鍵因素，缺一不可.