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光学科学综合演示平台

作者: kevin    发布于: 2020-02-09 22:49    点击:

 
光学科学综合演示系统

 
1802年,有一位英国物理学家沃拉斯顿为了验证光的色散理论重做了牛顿的实验。这一次,他在三棱镜前加上了狭缝,使阳光先通过狭缝再经棱镜分解,他发现太阳光不仅被分解为牛顿所观测到的那种连续光谱,而且其中还有一些暗线。可惜的是他的报告没引起人们注意,知道的人很少。
1814年,德国光学家夫琅和费制成了第一台分光镜,它不仅有一个狭缝,一块棱镜,而且在棱镜前装上了准直透镜,使来自狭缝的光变成平行光,在棱镜后则装上了一架小望远镜以及精确测量光线偏折角度的装置。夫琅和费点燃了一盏油灯,让灯光通过狭缝,进入分光镜。他发现在暗黑的背景上,有着一条条象狭缝形状的明亮的谱线,这种光谱就是现在所称的明线光谱。在油灯的光谱中,其中有一对靠得很近的黄色谱线相当明显。夫琅和费拿掉油灯,换上酒精灯,同样出现了这对黄线,他又把酒精灯拿掉,换上蜡烛,这对黄线依然存在;而且还在老位置上。
夫琅和费想,灯光和烛光太暗了,太阳光很强,如果把太阳光引进来观测,那是很有意思的。于是他用了一面镜子,把太阳光反射进狭缝。他发现太阳的光谱和灯光的光谱截然不同,那里不是一条条的明线光谱,而是在红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的连续彩带上有无数条喑线,在1814到1817这几年中,夫琅和费共在太阳光谱中数出了五百多条暗线;其中有的较浓、较黑,有的则较为暗淡。夫琅和费一一记录了这些谱线的位置。并从红到紫,依次用A、B、C、D……等字母来命名那些最醒目的暗线。夫琅和费还发现,在灯光和烛光中出现一对黄色明线的位置上,在太阳光谱中则恰恰出现了一对醒目的暗线,夫琅和费把这对黄线称为D线。
为什么油灯、油精灯和腊烛的光是明线光谱,而太阳光谱却是在连续光谱的背景上有无数条暗线?为什么前者的光谱中有一对黄色明线而后者正巧在同一位置有一对暗线?这些问题,夫琅和费无法作出解答。直到四十多年后,才由基尔霍夫解开了这个谜。
1858年秋到1859年夏,德国化学家本生埋头在他的实验室里进行着一项有趣的实验,他发明了一种煤气灯(称本生灯),这种煤气灯的火焰几乎没有颜色,而且其温度可高达二千多度,他把含有钠、钾、锂、锶,钡等不同元素的物质放在火焰上燃烧,火焰立即产生了各种不同的颜色。本生心里真高兴,他想,也许从此以后他可以根据火焰的颜色来判别不同的元素了。可是,当他把几种元素按不同比例混合再放在火焰上烧时,含量较多元素的颜色十分醒目,含量较少元素的颜色却不见了。看来光凭颜色还无法作为判别的依据。
本生有一位好朋友是物理学家,叫基尔霍夫。他们俩经常在一起散步,讨论科学问题。有一天,本生把他在火焰实验中所遇到的困难讲给基尔霍夫听。这位物理学家对夫琅和费关于太阳光谱的实验了解得很清楚,甚至在他的实验室里还保存有夫琅和费亲手磨制的石英三棱镜。基尔霍夫听了本生的问题,想起了夫琅和费的实验,于是他向本生提出了一个很好的建议,不要观察燃烧物的火焰颜色,而应该观察它的光谱。他们俩越谈越兴奋,最后决定合作来进行一项实验。
基尔霍夫在他的实验室中用狭缝、小望远镜和那个由夫琅和费磨成的石英三棱镜装配成一台分光镜,并把它带到了本生的实验室。本生把含有钠、钾、锂、锶,钡等不同元素的物质放在本生灯上燃烧,基尔霍夫则用分光镜对准火焰观测其光谱。他们发现,不同物质燃烧时,产生各不相同的明线光谱,接着,他们又把几种物质的混合物放在火焰上燃烧,他们发现,这些不同物质的光谱线依然在光谱中同时呈现,彼此并不互相影响。于是,根据不同元素的光谱特征,仍能判别出混合物中有那些物质,这种情况就象许多人合影在同一张照片上,每个人是谁依然可以分得一清二楚一样。就这样,基尔霍夫和本生找到了一种根据光谱来判别化学元素的方法——光谱分析术。
根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法叫光谱分析.其优点是灵敏,迅速.历史上曾通过光谱分析发现了许多新元素,如铷,铯,氦等.根据分析原理光谱分析可分为发射光谱分析与吸收光谱分析二种;根据被测成分的形态可分为原子光谱分析与分子光谱分析。光谱分析的被测成分是原子的称为原子光谱,被测成分是分子的则称为分子光谱。
由于每种原子都有自己的特征谱线,因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成.这种方法叫做光谱分析.做光谱分析时,可以利用发射光谱,也可以利用吸收光谱.这种方法的优点是非常灵敏而且迅速.某种元素在物质中的含量达10^-10(10的负10次方)克,就可以从光谱中发现它的特征谱线,因而能够把它检查出来.光谱分析在科学技术中有广泛的应用.例如,在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时,就要用到光谱分析.在历史上,光谱分析还帮助人们发现了许多新元素.例如,铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的.光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用.

十九世纪初,在研究太阳光谱时,发现它的连续光谱中有许多暗线。最初不知道这些暗线是怎样形成的,后来人们了解了吸收光谱的成因,才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱.仔细分析这些暗线,把它跟各种原子的特征谱线对照,人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素. 
  复色光经过色散系统分光后按波长的大小依次排列的图案,如太阳光经过分光后形成按红橙黄绿蓝靛紫次序连续分布的彩色光谱.有关光谱的结构,发生机制,性质及其在科学研究、生产实践中的应用已经累积了很丰富的知识并且构成了一门很重要的学科~光谱学.光谱学的应用非常广泛,每种原子都有其独特的光谱,犹如人们的“指纹”一样各不相同.它们按一定规律形成若干光谱线系.原子光谱线系的性质与原子结构是紧密相联的,是研究原子结构的重要依据.应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析,每一种元素都有它特有的标识谱线,把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标识谱线进行比较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的,用光谱不仅能定性分析物质的化学成分,而且能确定元素含量的多少.光谱分析方法具有极高的灵敏度和准确度.在地质勘探中利用光谱分析就可以检验矿石里所含微量的贵重金属、稀有元素或放射性元素等.用光谱分析速度快,大大提高了工作效率.还可以用光谱分析研究天体的化学成分以及校定长度的标准原器等. 
  复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,按波长(或频率)的大小依次排列的图案。例如,太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱。红色到紫 色,相应于波长由7,700—3,900埃的区域,是为人眼所能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能用仪器记录。 
  因此,按波长区域不同,光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱;按产生的本质不同,可分为原子光谱、分子光谱;按产生的方式不同,可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱;按光谱表观形态不同,可分为线光谱、带光谱和连续光谱。
光色波长λ(nm)区间 代表波长

    通过这套综合演示系统,可以让学生直观的了解各种光学的基本概念,打开光学奇妙世界的神秘大门,从书本上走出来,再返回到书本知识中,物理光学在我们古代现代生活中无处不在。
 

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