吳雨倫，劉麗颯

(南開(kāi)大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071)

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基于可口可樂(lè)熒光和濾光特性的光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)

吳雨倫，劉麗颯

(南開(kāi)大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071)

摘要：通過(guò)熒光光譜儀，確定可樂(lè)的弱熒光物質(zhì)和濾光特性，對(duì)532 nm激光激發(fā)的紅移現(xiàn)象進(jìn)行解釋. 自組微調(diào)夾持轉(zhuǎn)向裝置，利用教學(xué)用光柵單色儀定量研究了激光與可樂(lè)作用深度對(duì)光譜的影響. 實(shí)驗(yàn)結(jié)合了熒光光譜和物質(zhì)濾光特性等知識(shí)，物理內(nèi)涵豐富，可通過(guò)自組實(shí)驗(yàn)裝置鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

關(guān)鍵詞：熒光光譜;濾光特性；光柵單色儀；作用深度

1引言

可樂(lè)作為一種碳酸飲料，因?yàn)槠渲邪恍┨厥馓砑觿┒蔀槭称疯b定、分析等方面關(guān)注較多的一種物質(zhì)[1]，2013年在瑞士洛桑舉行的的國(guó)際物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Physicists’ Tournament)中的一道賽題[2]有這樣的敘述：使用一束綠色的激光和一瓶沒(méi)有裝滿(mǎn)的可口可樂(lè). 當(dāng)綠色的激光水平照射可樂(lè)時(shí)，從瓶口處可觀測(cè)到激光傳播了一定距離，并且出現(xiàn)紅移現(xiàn)象. 隨著照射位置變深，光線(xiàn)紅移越明顯(圖1). 本文研究并解釋這個(gè)現(xiàn)象，并研究觀測(cè)到的光譜隨照射位置上方可樂(lè)層厚度變化的關(guān)系.

筆者將這道題目的解答，設(shè)計(jì)成全新的光譜學(xué)實(shí)驗(yàn). 本文分析確定了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原理：激光射入可樂(lè)與其中的弱熒光物質(zhì)作用，產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換熒光，觀察到紅移現(xiàn)象. 隨著照射位置變深，基于可樂(lè)的濾光特性，綠色波段被吸收較紅色波段明顯，導(dǎo)致紅色波段所占比例上升. 因此總光強(qiáng)減弱，紅移現(xiàn)象更加明顯. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用532 nm波長(zhǎng)的激光作為光源和科研熒光光譜儀研究了被激光照射的可口可樂(lè)的熒光譜并檢測(cè)了物質(zhì)的濾光特性；使用自組“夾持轉(zhuǎn)向裝置”控制激光與可樂(lè)的作用深度；利用國(guó)產(chǎn)的教學(xué)光柵單色儀研究不同照射距離引起的液體層厚度對(duì)光譜紅移的影響.

(a)　　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　　　　(d)圖1　紅移現(xiàn)象隨照射深度增加而增加

2原理與相關(guān)現(xiàn)象觀察

熒光是從激發(fā)態(tài)分子衰變?yōu)樽孕嘀囟认嗤幕鶓B(tài)或低激發(fā)態(tài)時(shí)的自發(fā)發(fā)射現(xiàn)象. 固定激發(fā)波長(zhǎng)，掃描發(fā)射光波長(zhǎng)，得到熒光發(fā)射光譜. 固定發(fā)射波長(zhǎng)，掃描激發(fā)光波長(zhǎng)，得到熒光激發(fā)光譜.

熒光的3個(gè)基本定律[3]：

1) 為了讓一種物質(zhì)發(fā)射熒光，它必須吸收光和其他形式的能量.

2) 一般來(lái)說(shuō)，熒光波長(zhǎng)比激發(fā)光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，即存在斯托克斯線(xiàn)(也存在反斯托克斯線(xiàn)).

3) 熒光光子產(chǎn)額決定于熒光發(fā)射光子數(shù)與吸收的激發(fā)光子數(shù)比值

其中kf代表熒光發(fā)射的速率常量，∑k代表各種單分子的非輻射去活化過(guò)程速率常量的總和.

現(xiàn)象的關(guān)鍵是激光束在液體中發(fā)生下轉(zhuǎn)換熒光，紅移量約為100 nm. 符合此情況的是熒光現(xiàn)象，即基于斯托克斯定律的下轉(zhuǎn)換熒光. 首先入射光子將溶液粒子激發(fā)到高能級(jí)Sground+hν→Sex，之后進(jìn)行兼有輻射躍遷和無(wú)輻射躍遷的過(guò)程，躍遷至低能級(jí)Sex→Slower+hν′+heat(S為能級(jí)).

熒光現(xiàn)象產(chǎn)生于可樂(lè)中的焦糖色素(一種食用色素，在可樂(lè)中除水之外含量最高，具有微弱的熒光效應(yīng)[4])， 可以通過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 如取雪碧和可口可樂(lè)，置于量杯中，分別使用532 nm綠色激光照射，可樂(lè)中產(chǎn)生紅移現(xiàn)象(圖2)，雪碧中沒(méi)有現(xiàn)象(圖3). 考慮對(duì)光波長(zhǎng)移動(dòng)有影響的物質(zhì)，可樂(lè)中有焦糖色素，而雪碧中沒(méi)有. 再如，將一定量可樂(lè)裝于燒杯，在空氣中靜置1周(圖4)，取上清液，過(guò)濾，并使用綠色激光進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)，不能產(chǎn)生紅移現(xiàn)象(圖5). 因?yàn)榇藭r(shí)可樂(lè)中的熒光物質(zhì)焦糖色素被大部分菌類(lèi)呼吸作用分解，產(chǎn)生的小分子物質(zhì)如葡萄糖(具有旋光效應(yīng)[5]，與本文的熒光現(xiàn)象無(wú)關(guān))、二氧化碳和水，沒(méi)有共軛雙鍵，因而不存在熒光現(xiàn)象.

綜上，當(dāng)綠色激光射入可樂(lè)時(shí)，由于焦糖色素這種弱熒光物質(zhì)的存在，產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換熒光，發(fā)出紅光.

圖2　激光通過(guò)可樂(lè)的現(xiàn)象

圖3　激光通過(guò)雪碧的現(xiàn)象

圖4　糖酵解

圖5　紅移現(xiàn)象消失

3定量測(cè)量

1)可口可樂(lè)熒光光譜的測(cè)量

使用Horiba公司Flog-3熒光光譜儀對(duì)可口可樂(lè)進(jìn)行熒光光譜測(cè)量. 使用功率為200 mW的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的532 nm激光作為外接光源(激發(fā)光)，得到可口可樂(lè)原溶液的熒光光譜，見(jiàn)圖6. 由可樂(lè)溶液的熒光光譜可知，入射的綠光能激發(fā)出紅色的熒光，是紅移現(xiàn)象的成因.

2)可口可樂(lè)濾光特性研究

使用Horiba公司Flog-3熒光光譜儀同步測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)可樂(lè)的濾光性質(zhì)進(jìn)行研究，并將透射光

和入射光光強(qiáng)比繪制成曲線(xiàn)(圖7). 可樂(lè)具有與中心波長(zhǎng)640 nm，帶寬95 nm的帶通濾波效應(yīng). 因此實(shí)驗(yàn)中由于可樂(lè)帶通濾波特性，側(cè)向觀察雜散光時(shí)綠光的強(qiáng)度明顯減弱，而紅光透過(guò)顯著，所以盡管可樂(lè)的紅色熒光較弱，卻可以被明顯地觀察到. 需要說(shuō)明的是綠光減弱的明顯并不是因?yàn)樯⑸洌腔趲V波性質(zhì). 因?yàn)樗芤禾幱诿资蠀^(qū)，產(chǎn)生的散射與波長(zhǎng)關(guān)系不大[6].

圖6　熒光光譜

圖7　濾光特性曲線(xiàn)

3)透射光譜與激光和可樂(lè)作用深度的定量觀測(cè)

采用國(guó)產(chǎn)教學(xué)用單色儀，自制夾持裝置，如圖8布置實(shí)驗(yàn)光路. 將可口可樂(lè)注入比色皿中，由鐵夾夾持激光器，使用微動(dòng)平臺(tái)固定鐵夾起到改變“照射位置”作用，固定光源為532 nm半導(dǎo)體激光器，豎直射入比色皿. 比色皿側(cè)面正對(duì)光柵單色儀的探測(cè)端(光電倍增管). 對(duì)照IPT題目的描述，此裝置將正常的觀測(cè)方向和照射方向成90°側(cè)向觀測(cè)，即“人眼”位置等價(jià)于光柵單色儀的探測(cè)端. 有螺旋測(cè)微儀控制的夾持裝置可以將水平移動(dòng)設(shè)置為變量，等價(jià)于IPT題目中照射深度的變化. 轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微儀，記錄不同位置的光譜. 可見(jiàn)隨著激光和可樂(lè)作用長(zhǎng)度的增加，看到紅色的峰值向右側(cè)移動(dòng)，紅、綠光強(qiáng)度均減弱，但紅光減弱得慢，綠紅光強(qiáng)比下降,如圖9、圖10和表1所示.

圖8　實(shí)驗(yàn)光路

圖9　隨照射深度變化的光譜曲線(xiàn)

圖10　隨照射深度變化的綠紅中心波長(zhǎng)光強(qiáng)比　數(shù)據(jù)及趨勢(shì)線(xiàn)

D(g)/nmI(g)max/Eλm(r)/nmI(r)/EFWHM(r)/nmI(g)I(r)2.000998.6621.531.3142.031.93.000455.4616.819.1159.023.84.000388.3623.418.3162.821.25.000322.5628.215.4160.420.96.000302.9630.315.3168.519.87.000286.7635.515.1169.119.0

實(shí)驗(yàn)受比色皿尺寸的影響，距離變化量只能在7 mm以下. 并且由于單色儀樣品倉(cāng)的底座反射了大量激發(fā)光，因此測(cè)量到的雜散綠光的總量大于直接用激光照射可樂(lè)瓶不同深度時(shí)的情況，進(jìn)一步完善需添加光學(xué)元件將激發(fā)綠光導(dǎo)出.

4結(jié)束語(yǔ)

可口可樂(lè)的對(duì)紅光的帶通濾光特性，且存在微弱的熒光物質(zhì)，因此通過(guò)對(duì)可口可樂(lè)的光譜特性測(cè)試與分析，使學(xué)生可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)多種光譜學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法. 此外，在進(jìn)行傳統(tǒng)熒光實(shí)驗(yàn)的基本參量測(cè)量的基礎(chǔ)上,利用自組裝置,定量分析了可樂(lè)的熒光現(xiàn)象以及激發(fā)光與熒光物質(zhì)作用距離的變化規(guī)律，拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力. 可口可樂(lè)不僅取材容易，成本較低，安全性高，貼近了生活，相比于之前關(guān)于光譜儀的實(shí)驗(yàn)如對(duì)光譜儀的標(biāo)定[7]，此實(shí)驗(yàn)使用光譜儀分析生活中常見(jiàn)的物質(zhì)，趣味性強(qiáng)，是一個(gè)應(yīng)用性好和趣味性強(qiáng)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).

參考文獻(xiàn)：

[1]Cheng C, Wu S C. Simultaneous analysis of aspartame and its hydrolysis products of Coca-Cola Zero by online postcolumn derivation fluorescence detection and ultraviolet detection coupled two-dimensional high-performance liquid chromatography [J]. Journal of Chromatography A, 2011,1218(20):2976-2983.

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[責(zé)任編輯：郭偉]

A spectroscopy experiment based on fluorescent and filtering characters of Coca-Cola

WU Yu-lun, LIU Li-sa

(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Abstract:Using fluorescence spectrometers, the weak-fluorescence substance and the optical filtering properties of Coca-Cola were found out to explain the red shift phenomenon when excited at 532 nm. The quantitative relationship between excitation depth and spectrum was studied using a set of apparatus and a grating spectrometer. This experiment applied many physics knowledge, including fluorescence spectrum, filtering properties etc. A part of the experiment devices needed to be made by students themselves, which could develop their abilities to solve problems in research.

Key words:fluorescence spectrum; optical filtering; grating spectrometer; excitation depth

中圖分類(lèi)號(hào)：O433.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)02-0038-04

作者簡(jiǎn)介：吳雨倫(1992-)，男，天津塘沽人，南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院伯苓班2011級(jí)本科生.通訊作者：劉麗颯(1978-),女，河北秦皇島人，南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院副教授，博士，從事基礎(chǔ)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué).

基金項(xiàng)目:國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助(No.J1103208，No.J1210027)

收稿日期：2014-05-29；修改日期：2014-09-26

“第8屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文