魯 斌

(浙江省余姚中學(xué) 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(jié)中，介紹了連續(xù)譜、線狀譜、吸收譜的產(chǎn)生原理與應(yīng)用.連續(xù)譜和線狀譜的觀察較易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于吸收譜，學(xué)生的認(rèn)識(shí)往往停留在概念和課本的圖片，教材也沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)方案.如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，能夠在課堂中觀察到譜線，使學(xué)生對(duì)吸收光譜有更加深刻的認(rèn)識(shí)，這是我們?cè)谡n堂教學(xué)中需要解決的問(wèn)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(jí)，它就能吸收白光中相應(yīng)頻率的光子而產(chǎn)生能級(jí)躍遷，這時(shí)在連續(xù)光譜的背景中原子發(fā)射光譜的位置就會(huì)出現(xiàn)暗線，這就是要觀察的吸收光譜.因此，本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是設(shè)法提供足夠多低能級(jí)的原子來(lái)吸收相應(yīng)頻率的光子.當(dāng)然，其他設(shè)備的設(shè)計(jì)方法和調(diào)試方法，也是保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒Φ年P(guān)鍵.

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

1 主要實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備

1.1 光源的選擇

背景光源的選擇在本實(shí)驗(yàn)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?cè)囼?yàn)了40 W和100 W的燈泡，都沒(méi)能成功.

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，最好用亮度連續(xù)可調(diào)的臺(tái)燈座，可以較好地演示在亮度逐漸變強(qiáng)的情況下，鈉黃雙線由“亮”變“暗”的過(guò)程.

(3)將一塊凸透鏡放置于燈泡前，保證通過(guò)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(chǎn)生較濃的鈉蒸氣，又要使實(shí)驗(yàn)操作方便，采用常見(jiàn)的食鹽作為主要材料.文獻(xiàn)[2]所述將食鹽直接溶于酒精得到氯化鈉酒精溶液.實(shí)驗(yàn)證明，效果不佳.文獻(xiàn)[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(xié)助，且譜線時(shí)斷時(shí)續(xù)不穩(wěn)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(diǎn)燃酒精燈，一段時(shí)間后，即可得到較大的黃色火焰，點(diǎn)燃后的效果如圖2所示.

圖2 點(diǎn)燃倒入溶液的酒精燈得到較大火焰 圖3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)獲得更大火焰

(3)為了增大鈉氣濃度，也可以將溶液置于開(kāi)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(kāi)口紙盒

(1)找一個(gè)大小合適的硬紙板盒，并在前后側(cè)面分別開(kāi)一個(gè)大小位置相同的小口.

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

圖4 兩端開(kāi)口的紙盒(俯視圖)

文獻(xiàn)[4]中用開(kāi)孔的鐵盒.大鐵盒較難得到，并開(kāi)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(gè)作用是遮擋酒精燈焰， 以減少進(jìn)入分光鏡中鈉光的光通量.它不會(huì)影響進(jìn)入分光鏡里的白光的光通量，因?yàn)榘坠馐瞧叫泄馐?這樣才能使分光鏡中白光的光譜強(qiáng)度比酒精燈焰所發(fā)的鈉光譜強(qiáng)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(fā)出的黃光進(jìn)入分光計(jì)后，仍然會(huì)疊加在吸收譜線上，使吸收譜消失[5].

紙盒的第二個(gè)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(dāng)部分的光通量未被利用.如果這些光線直接通過(guò)光柵衍射，也會(huì)疊加在吸收譜線上，使吸收譜消失.

紙盒的第三個(gè)作用是使火焰穩(wěn)定，并能夠聚集更多的鈉氣，從而確保實(shí)驗(yàn)的成功.

1.4 觀察平臺(tái)的選擇

普通的分光計(jì)包括平行光管、載物臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡，其性能和精度即可滿足要求，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示.在分光原件的選擇上，光柵的分光能力強(qiáng)于三棱鏡，本實(shí)驗(yàn)要觀察鈉黃雙線，選擇以每毫米600刻線即光柵常數(shù)為1.67×10-6m的光柵進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 鈉元素的吸收光譜的觀察

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)將實(shí)驗(yàn)儀器如圖6所示放置.經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，平行光管的狹縫置于火源稍遠(yuǎn)位置時(shí)，效果更佳.

圖6 實(shí)驗(yàn)整體裝置圖

(2)打開(kāi)白熾燈電源，將臺(tái)燈亮度控制旋鈕調(diào)到最低處，使白熾燈亮度最暗.同時(shí)，調(diào)節(jié)白熾燈、凸透鏡、兩端開(kāi)口紙盒、分光計(jì)狹縫的距離，直到白熾燈發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)凸透鏡產(chǎn)生平行光束，穿過(guò)紙盒的小孔進(jìn)入平行光管的狹縫.在望遠(yuǎn)鏡中，即可觀察到白熾燈發(fā)出的連續(xù)光譜(圖7).

圖7 未點(diǎn)燃酒精時(shí)觀察到的連續(xù)光譜

(3)斷開(kāi)電燈電源，點(diǎn)燃酒精，觀察到黃色的火焰，火焰光線通過(guò)小孔進(jìn)入分光計(jì)狹縫，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察，在一級(jí)衍射角下，有明亮的鈉黃雙線(圖8)，這便是鈉元素的發(fā)射譜.

圖8 納元素的發(fā)射譜

(4)打開(kāi)白熾燈電源，亮度處于最暗擋位.在望遠(yuǎn)鏡中既能看到明亮的連續(xù)光譜，同時(shí)也能看見(jiàn)明亮的鈉線光譜(圖9).

圖9 觀察到納線光譜

(5)慢慢調(diào)節(jié)擋位旋鈕，使燈光由弱變強(qiáng)，鈉光譜的黃線顏色逐漸暗淡，直到消失.這時(shí)，仍慢慢地加強(qiáng)白熾燈亮度，不久，明線的位置出現(xiàn)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(shí)時(shí)投影

在課堂教學(xué)中，應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂展示.我們將攝像頭與望遠(yuǎn)鏡連接(圖11)進(jìn)行拍攝，將觀察到的畫(huà)面實(shí)時(shí)投影到大屏幕上(圖12)，便于學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程.

圖11 攝像頭與望遠(yuǎn)鏡連接

圖12 實(shí)時(shí)投影

3 結(jié)束語(yǔ)

光譜的觀察與分析在高中物理中處于原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，主要以記憶為主.在物理課堂中，如果能較好地呈現(xiàn)吸收譜等譜線的特點(diǎn)，能夠呈現(xiàn)常見(jiàn)物質(zhì)產(chǎn)生的光譜，對(duì)學(xué)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(duì)較容易觀察的譜線.本實(shí)驗(yàn)要注意的事項(xiàng)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(kāi)口紙盒的使用、分光計(jì)的距離等，這些都是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素，缺一不可.