棱镜摄谱实验的教学改进

中国校外教育教 学 方 法

棱镜摄谱实验的教学改进

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韩立唐

陈汉军

龚 宁

(西南交通大学理学院, 四川 成都)

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。

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C 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400~800n m 。用铁光谱作/标准尺0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0来测量。如用氦氖光谱代替铁谱选作/标准尺0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(6328A ) 和看不见的红外线(3. 39L m) 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。

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0) 。

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0) 来确定未知各谱线的波长。

实验原理等效图如下图:

图4

三、实验方法

将测微目镜安装在摄谱仪摄影箱的拍片窗口上; 将作为/标准尺0的光谱光源放到摄谱仪的入射狭缝前, 调节摄谱仪和测微目镜, 从测微目镜中可观察到清晰的刻度、叉丝和光谱线(三者共面) 。转动螺旋测微计, 使测微目镜做平行移动, 当叉丝的交叉点或竖线对准每一条谱线时, 记录下主尺的坐标和谱线的波长。移开作为/标准尺0的光源, 换上待测谱线光源, 注意:不要改变摄谱仪, 只使用测微目镜来读每一条待测光谱线的谱线位置坐标, 然后用公式K x =K 1+

K 2-K 1

dx 计算每一条待测谱线波长。氦氖光源的测量标定:用一组汞灯双黄光标准数据5770A 0、5790A 0定标氦氖光源的一组双黄光数据作为/标准尺0:

图1

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。

由5885A 、5896A 组成一组/标准尺0、得氦氖光源谱线波长的第一种测量方法(1), 图5。

表1

用三试样均值法、通过公式计算:

图2

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。

图5

我们再选择5885A 、和氦氖光源已知主信号波长6328A 组成另一组/标准尺0。

得氦氖光源谱线波长的第二种测量方法(2), 图6。

图3

图6

中国校外教育

用两种测量方法同时测量三条同一未知谱线的数据、记入同一表2:

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

教 学 方 法

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

标注解释:

D 01=d 01为氦氖谱线波长5885A 黄线的定标位置; d 02为氦氖谱线波长5896A 0黄线的定标位置;

D 02为氦氖谱线波长6328A 红线相伴右侧暗线的定标位置; d=d 02-d 01为氦氖谱线波长5896A 减5885A 距离的定标位置; D=D 02-D 01为氦氖谱线波长6328A 减5885A 距离的定标位置; d x1=d 1-d 01为氦氖谱线未知波长的定标位置; d x2=d 2-d 01为氦氖谱线另一未知波长的定标位置; d x3=d 3-d 01为氦氖谱线另一未知波长的定标位置。其中, d 1=D 1d 2=D 2

谱线。

d 3=D 3。

注意:为了便于比较, 我们要求同学用两种方法、同测三条同一未知

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(Do pp l er) 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

1900年普朗克掘弃经典物理学中的/能量均分原理0, 提出了能量量子化的假说。他认为:物体在吸收或发射电磁辐射时, 能量的变化是不连续的, 存在着能量变化的最小单元E 。如用氦氖激光光源也存在着$K =2@10n m 的微小变量; 这都说明测量误差是客观存在的, 但应尽量地减至最小。

3. 实验数据分析

用清晰的氦氖谱线及其所对应的实验数据, 做成表4。看氦氖光谱是否是线性关系。

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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。

表4

图7

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. 10m m) 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:

图10 氦氖光谱主要谱线的线性表现趋势

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4n m~5n m 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H e-Ne 灯泡、光栅、分光计组成实验小系统。通过光栅观察、分光

图8用测量准线的单线测两谱线间距离

数据看上表2, 测量误差极小(数据计算近似100A 0) 测量方法正确。

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

图9用叉丝线测两谱线中心点距离

数据看下表3, 测量误差较大(数据计算相差约48A ) 测量方法错误。两种测量方法、用叉丝线测两谱线中心点距离。数据记入表3。

表3

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。

参考文献:

[1]吴晓立, 杨仕君, 朱宏娜. 大学物理实验教程[M].成都:西南交通

大学出版社, 2007, 2.

[2]吴平. 激光基础及应用[M].成都:西南交通大学出版社, 1997, 1. [3]徐行可, 张晓, 张庆福. 物理学概论[M].成都:西南交通大学出版

社, 1997, 10.

[4]高俊杰, 余萍, 刘志江. 仪器分析[M].国防工业出版社, 2005, 9. [5]刘志广, 张华, 李亚明. 仪器分析[M].辽宁:大连理工大学出版社,

2004, 8.

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

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