自制光谱仪
用光盘自制光谱仪, 所需材料只要一片光盘, 一只纸盒而已. CD数据一面用肉眼直接观看五彩缤纷. 这是因为CD的数据轨道非常致密, 可用作衍射光栅. 但由于各个方向的光线混杂在一起, 所以看不到光谱. 不过我们只要在前面装一个狭缝就是一台简易光谱仪. 虽然离专业光谱仪有很大差距, 但是作为科普工具人人可做, 对普及一些物理知识还是很有用的. 这还是个很好的玩具.
自制光谱仪结构如下: 纸盒一侧开一条水平狭缝, CD倾斜60度左右斜插在另一边, 从纸盒上方开口观看. 注意看到的应该不是狭缝的镜像, 而是光谱. 狭缝要不宽不窄, 太宽谱线模糊, 太窄亮度不足. 我用0.2mm左右, 大家试验决定. 用多种CD试验发现 (1)可写光盘CD-R比普通CD光谱亮一些. CD-R牌子不同亮度也不一样. 把CD翻过来看哪个最绚丽即可. 写过和没写过的CD-R区别不大. (2)上面的角度不适用于DVD.
光谱哪里来? 中学物理里学过:
1. 稠密物质, 包括高压气体和等离子体, 按黑体辐射发出连续光谱.
2. 低压气体发出离散亮谱线, 亮度随气体温度升高而增加.
3. 具有连续光谱的光线通过低压气体, 对应2)中位置出现离散黑线.
好了,下面让我们看看日常生活中的光谱. 所有照片由作者用尼康995数字相机拍摄.
(1) 和天文密切相关的首推太阳光谱. 太阳是黑体辐射, 所以太阳光谱主要是连续谱, 但是上面有黑线, 即著名的夫琅和费线(Fraunhofer lines). 它们是光线通过太阳表面大气和地球大气被选择性吸收而形成的. 这光谱仪虽然简单,但是(1c, 1d)照片里也能看见数条黑线: 深红色里的C(氢H-alpha, 656nm), 桔黄色里的D(钠,589nm), 绿色里的E(铁,527nm)和b1,b2(镁,518nm), 天蓝色里的F(氢H-beta, 486nm), 紫色里的G(铁和钙, 431nm).
有趣的是中午的阳光和太阳落山时的阳光光谱不同! 对比(1c)和(1d), 我们发现红色里多了一条a(地球氧气分子,628nm). 这是因为太阳仰角低时, 阳光经过更多的地球大气, 有些地球分子吸收线就表露了出来. C线和D线下面也出现了新的吸收带.
(2) 白炽灯是普通灯泡, 钨丝加热发光, 按黑体辐射发出连续光谱, 所以从红到紫一片连续, 和太阳光谱相比少了那些黑线. (图中黄色不明显, 可能是数字相机对黄谱段不敏感). 卤钨灯(tungsten halogen lamp)发光原理和白炽灯相似, 光谱也是连续的.
(3) 日光灯发光分两步: 首先水银蒸汽被激发主要发出紫外线, 然后管壁上的荧光粉将紫外线转化为宽谱可见光. 所以日光灯在连续背景上有亮水银谱线, 以绿色的546nm最显著.
(4) 桔黄色的高压钠灯被广泛用于晚间照明. 有趣的是它的光谱也会变化! 如果你看刚刚点亮的高压钠灯, 会看到几条亮线, 其中有黄色的钠发射谱线(589nm) (4c). 但是若干秒后随着灯越来越亮, 黄色慢慢变宽, 中心出现细黑线(4d, 4e). 等高压钠灯稳定发光后, 灯泡内缘充满相对较冷的钠蒸汽, 强烈吸收谱线. 所以此时黄色位置由亮线变成很粗的黑线(4f,4b). (4c--f)拍摄参数完全一样.
(5) 计算机CRT显示器白色屏幕的光谱. 红色是离散谱线, 但绿,蓝则是连续光谱.
(6) 笔记本电脑液晶显示屏和CRT显示器发光原理显然不同.
(7) 红色发光二极管在红色部分发出连续光谱.
(8) 接线板红色指示灯是氖气(neon)发光. 发出许多条红色, 桔红色的离散亮谱线.
(9) 绿色夜灯就是一层荧光粉, 电致发光发出连续光谱.
(10) 节能灯(又称紧凑型日光灯, compact fluorescent light)和普通日光灯(3)发光原理类似, 但它采用新型三色荧光粉, 而非普通的宽谱白色荧光粉. 光谱仪下连续谱不见了, 代之以各种颜色的谱线.
(11) 这种绿,紫色霓虹灯光谱主要是荧光粉不同.
(12) 这张照片摄于 2004年10月27日月食开始前. 光谱仪手持于20cm反射镜的目镜后面. 因为月光就是反射的太阳光, 所以光谱和太阳光谱类似: 连续背景上有黑色夫琅和费吸收线(1).
(13) 蜡烛发出连续谱. 不过我用的蜡烛和火柴在刚刚点燃的时候还有黄色的钠线, 几秒之后消失. 用铅丝蘸食盐燃烧则黄色钠线很明显, 来源自然是氯化钠里的钠. 钠应该是双线, 这个光谱仪分辨不出.
(14) 金属卤化物灯是高压水银灯的变种. 谱线十分复杂.
(15) 蓝色霓虹灯不知是氩和水银, 还是有荧光粉在里面. 红色霓虹灯光谱明显的是氖(neon), 和(8)一样.
