分光计测光栅光谱实验内容的拓展

李百芳

(沈阳药科大学基础学院 辽宁 沈阳 110016)

1 前言

高等学校承担着培养高素质人才的重要使命，随着科学技术的迅猛发展，新知识、新技术不断涌现，对高等教育人才的培养质量提出了更高的要求.用分光计测量光栅光谱实验是大学物理实验中的基础实验.光栅和棱镜一样，是一种重要的分光元件，分光计与衍射光栅、三棱镜配合，可以观察衍射光谱、色散光谱，使用不同光源进行衍射光栅实验，对光栅的衍射现象进行研究，不仅有助于加深对光的波动性的理解，而且也有助于进一步学习近代光学实验技术.为了更好地提高教学质量与效率，开阔学生的视野，让学生对各种光源的发光机理与光谱有进一步的了解，在分光计测光栅光谱实验中引入了节能灯做光源.

2 实验原理

一束波长为λ的单色光垂直入射到光栅平面上，透过每一狭缝的光都要发生衍射，经过透镜后会聚而相互干涉，在透镜焦平面上形成一系列明条纹[1]，按照光栅衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定

dsinθk=±kλ(k= 0, 1, 2，…)

(1)

式中λ为入射光波长，k为明条纹级数，θk为k级明条纹的衍射角.如果入射光不是单色光，则由式(1)可以看出，光的波长不同,其衍射角也各不相同，于是复色光将被分解.而在中央k=0，θk=0处，各色光仍重叠在一起，组成中央明条纹，在中央明条纹两侧对称分布着k=1,2，… 级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排列成一组彩色谱线，这样就将复色光分解为单色光[2].

3 实验内容

3.1 以钠光灯为光源测量光栅常数

以钠光灯为光源测量光栅常数所得数据如表1所示.

表1 钠光灯为光源的光谱测量数据

3.2 以汞灯为光源的光谱

以汞灯为光源测得的数据如表2所示.

表2 以汞灯为光源的光谱测量数据

由公式(1)可以看出，对于同一级谱线，各色光的波长不同，其衍射角θk也各不相同，这样,就把复色光分解为单色光，各级谱线按波长大小顺序依次排列成彩色谱线．

3.3 用普通节能灯作光源及其与汞灯的光谱谱线对比

用红色、蓝色节能灯替代汞灯，测量光栅衍射的一级衍射谱线，将测量数据代入公式计算出节能灯的谱线波长,如表3所示.光栅常数为1 666.66 nm (600条).

表3 节能灯与汞灯的谱线波长对比

节能灯主要是通过镇流器给灯管灯丝加热，大约在1 160 K温度时，灯丝就开始发射电子，电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离，发出253.7 nm的紫外线，紫外线激发荧光粉发出可见光.虽然节能灯发出光的明细度不如低压汞灯，但是在实验中观察节能灯的光谱合乎实验要求.谱线中存在很少的连续光谱，就教学来说并不影响实验观察[3].对比红色、蓝色节能灯与汞灯光源的谱线波长，基本处在误差范围之内，符合光栅实验光源的要求.

4 结束语

在实验中选用多种光源进行教学,不仅可使学生巩固所学的知识，而且对各种常见光源光谱特性和发光原理有了更深入的认识.直观地了解了单色光和复色光衍射光谱的特性，拓展了学生的知识面，培养了学生的观察能力、创新能力以及科学思维能力，提高了实验课的质量和效率.

参考文献

1 钟鼎.大学物理实验.天津：天津大学出版社，2011.163

2 朱世坤,聂宜珍.二级物理实验(第二版) .北京：科学出版社,2005.15

3 夏欢,邢秀文,蔡少森.各种节能灯在分光计实验中的应用探究.科协论坛,2012(5):31～32