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光學(xué)科學(xué)綜合演示平臺

作者: kevin    發(fā)布于: 2020-02-09 22:49    點(diǎn)擊:

 
光學(xué)科學(xué)綜合演示系統

 
1802年,有一位英國物理學(xué)家沃拉斯頓為了驗證光的色散理論重做了牛頓的實(shí)驗。這一次,他在三棱鏡前加上了狹縫,使陽(yáng)光先通過(guò)狹縫再經(jīng)棱鏡分解,他發(fā)現太陽(yáng)光不僅被分解為牛頓所觀(guān)測到的那種連續光譜,而且其中還有一些暗線(xiàn)?上У氖撬膱蟾鏇](méi)引起人們注意,知道的人很少。
1814年,德國光學(xué)家夫瑯和費制成了第一臺分光鏡,它不僅有一個(gè)狹縫,一塊棱鏡,而且在棱鏡前裝上了準直透鏡,使來(lái)自狹縫的光變成平行光,在棱鏡后則裝上了一架小望遠鏡以及精確測量光線(xiàn)偏折角度的裝置。夫瑯和費點(diǎn)燃了一盞油燈,讓燈光通過(guò)狹縫,進(jìn)入分光鏡。他發(fā)現在暗黑的背景上,有著(zhù)一條條象狹縫形狀的明亮的譜線(xiàn),這種光譜就是現在所稱(chēng)的明線(xiàn)光譜。在油燈的光譜中,其中有一對靠得很近的黃色譜線(xiàn)相當明顯。夫瑯和費拿掉油燈,換上酒精燈,同樣出現了這對黃線(xiàn),他又把酒精燈拿掉,換上蠟燭,這對黃線(xiàn)依然存在;而且還在老位置上。
夫瑯和費想,燈光和燭光太暗了,太陽(yáng)光很強,如果把太陽(yáng)光引進(jìn)來(lái)觀(guān)測,那是很有意思的。于是他用了一面鏡子,把太陽(yáng)光反射進(jìn)狹縫。他發(fā)現太陽(yáng)的光譜和燈光的光譜截然不同,那里不是一條條的明線(xiàn)光譜,而是在紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的連續彩帶上有無(wú)數條喑線(xiàn),在1814到1817這幾年中,夫瑯和費共在太陽(yáng)光譜中數出了五百多條暗線(xiàn);其中有的較濃、較黑,有的則較為暗淡。夫瑯和費一一記錄了這些譜線(xiàn)的位置。并從紅到紫,依次用A、B、C、D……等字母來(lái)命名那些最醒目的暗線(xiàn)。夫瑯和費還發(fā)現,在燈光和燭光中出現一對黃色明線(xiàn)的位置上,在太陽(yáng)光譜中則恰恰出現了一對醒目的暗線(xiàn),夫瑯和費把這對黃線(xiàn)稱(chēng)為D線(xiàn)。
為什么油燈、油精燈和臘燭的光是明線(xiàn)光譜,而太陽(yáng)光譜卻是在連續光譜的背景上有無(wú)數條暗線(xiàn)?為什么前者的光譜中有一對黃色明線(xiàn)而后者正巧在同一位置有一對暗線(xiàn)?這些問(wèn)題,夫瑯和費無(wú)法作出解答。直到四十多年后,才由基爾霍夫解開(kāi)了這個(gè)謎。
1858年秋到1859年夏,德國化學(xué)家本生埋頭在他的實(shí)驗室里進(jìn)行著(zhù)一項有趣的實(shí)驗,他發(fā)明了一種煤氣燈(稱(chēng)本生燈),這種煤氣燈的火焰幾乎沒(méi)有顏色,而且其溫度可高達二千多度,他把含有鈉、鉀、鋰、鍶,鋇等不同元素的物質(zhì)放在火焰上燃燒,火焰立即產(chǎn)生了各種不同的顏色。本生心里真高興,他想,也許從此以后他可以根據火焰的顏色來(lái)判別不同的元素了?墒,當他把幾種元素按不同比例混合再放在火焰上燒時(shí),含量較多元素的顏色十分醒目,含量較少元素的顏色卻不見(jiàn)了?磥(lái)光憑顏色還無(wú)法作為判別的依據。
本生有一位好朋友是物理學(xué)家,叫基爾霍夫。他們倆經(jīng)常在一起散步,討論科學(xué)問(wèn)題。有一天,本生把他在火焰實(shí)驗中所遇到的困難講給基爾霍夫聽(tīng)。這位物理學(xué)家對夫瑯和費關(guān)于太陽(yáng)光譜的實(shí)驗了解得很清楚,甚至在他的實(shí)驗室里還保存有夫瑯和費親手磨制的石英三棱鏡;鶢柣舴蚵(tīng)了本生的問(wèn)題,想起了夫瑯和費的實(shí)驗,于是他向本生提出了一個(gè)很好的建議,不要觀(guān)察燃燒物的火焰顏色,而應該觀(guān)察它的光譜。他們倆越談越興奮,最后決定合作來(lái)進(jìn)行一項實(shí)驗。
基爾霍夫在他的實(shí)驗室中用狹縫、小望遠鏡和那個(gè)由夫瑯和費磨成的石英三棱鏡裝配成一臺分光鏡,并把它帶到了本生的實(shí)驗室。本生把含有鈉、鉀、鋰、鍶,鋇等不同元素的物質(zhì)放在本生燈上燃燒,基爾霍夫則用分光鏡對準火焰觀(guān)測其光譜。他們發(fā)現,不同物質(zhì)燃燒時(shí),產(chǎn)生各不相同的明線(xiàn)光譜,接著(zhù),他們又把幾種物質(zhì)的混合物放在火焰上燃燒,他們發(fā)現,這些不同物質(zhì)的光譜線(xiàn)依然在光譜中同時(shí)呈現,彼此并不互相影響。于是,根據不同元素的光譜特征,仍能判別出混合物中有那些物質(zhì),這種情況就象許多人合影在同一張照片上,每個(gè)人是誰(shuí)依然可以分得一清二楚一樣。就這樣,基爾霍夫和本生找到了一種根據光譜來(lái)判別化學(xué)元素的方法——光譜分析術(shù)。
根據物質(zhì)的光譜來(lái)鑒別物質(zhì)及確定它的化學(xué)組成和相對含量的方法叫光譜分析.其優(yōu)點(diǎn)是靈敏,迅速.歷史上曾通過(guò)光譜分析發(fā)現了許多新元素,如銣,銫,氦等.根據分析原理光譜分析可分為發(fā)射光譜分析與吸收光譜分析二種;根據被測成分的形態(tài)可分為原子光譜分析與分子光譜分析。光譜分析的被測成分是原子的稱(chēng)為原子光譜,被測成分是分子的則稱(chēng)為分子光譜。
由于每種原子都有自己的特征譜線(xiàn),因此可以根據光譜來(lái)鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成.這種方法叫做光譜分析.做光譜分析時(shí),可以利用發(fā)射光譜,也可以利用吸收光譜.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常靈敏而且迅速.某種元素在物質(zhì)中的含量達10^-10(10的負10次方)克,就可以從光譜中發(fā)現它的特征譜線(xiàn),因而能夠把它檢查出來(lái).光譜分析在科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應用.例如,在檢查半導體材料硅和鍺是不是達到了高純度的要求時(shí),就要用到光譜分析.在歷史上,光譜分析還幫助人們發(fā)現了許多新元素.例如,銣和銫就是從光譜中看到了以前所不知道的特征譜線(xiàn)而被發(fā)現的.光譜分析對于研究天體的化學(xué)組成也很有用.

十九世紀初,在研究太陽(yáng)光譜時(shí),發(fā)現它的連續光譜中有許多暗線(xiàn)。最初不知道這些暗線(xiàn)是怎樣形成的,后來(lái)人們了解了吸收光譜的成因,才知道這是太陽(yáng)內部發(fā)出的強光經(jīng)過(guò)溫度比較低的太陽(yáng)大氣層時(shí)產(chǎn)生的吸收光譜.仔細分析這些暗線(xiàn),把它跟各種原子的特征譜線(xiàn)對照,人們就知道了太陽(yáng)大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、硅、鈣、鈉等幾十種元素. 
  復色光經(jīng)過(guò)色散系統分光后按波長(cháng)的大小依次排列的圖案,如太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)分光后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分布的彩色光譜.有關(guān)光譜的結構,發(fā)生機制,性質(zhì)及其在科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐中的應用已經(jīng)累積了很豐富的知識并且構成了一門(mén)很重要的學(xué)科~光譜學(xué).光譜學(xué)的應用非常廣泛,每種原子都有其獨特的光譜,猶如人們的“指紋”一樣各不相同.它們按一定規律形成若干光譜線(xiàn)系.原子光譜線(xiàn)系的性質(zhì)與原子結構是緊密相聯(lián)的,是研究原子結構的重要依據.應用光譜學(xué)的原理和實(shí)驗方法可以進(jìn)行光譜分析,每一種元素都有它特有的標識譜線(xiàn),把某種物質(zhì)所生成的明線(xiàn)光譜和已知元素的標識譜線(xiàn)進(jìn)行比較就可以知道這些物質(zhì)是由哪些元素組成的,用光譜不僅能定性分析物質(zhì)的化學(xué)成分,而且能確定元素含量的多少.光譜分析方法具有極高的靈敏度和準確度.在地質(zhì)勘探中利用光譜分析就可以檢驗礦石里所含微量的貴重金屬、稀有元素或放射性元素等.用光譜分析速度快,大大提高了工作效率.還可以用光譜分析研究天體的化學(xué)成分以及校定長(cháng)度的標準原器等. 
  復色光經(jīng)過(guò)色散系統(如棱鏡、光柵)分光后,按波長(cháng)(或頻率)的大小依次排列的圖案。例如,太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡后形成按紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫次序連續分布的彩色光譜。紅色到紫 色,相應于波長(cháng)由7,700—3,900埃的區域,是為人眼所能感覺(jué)的可見(jiàn)部分。紅端之外為波長(cháng)更長(cháng)的紅外光,紫端之外則為波長(cháng)更短的紫外光,都不能為肉眼所覺(jué)察,但能用儀器記錄。 
  因此,按波長(cháng)區域不同,光譜可分為紅外光譜、可見(jiàn)光譜和紫外光譜;按產(chǎn)生的本質(zhì)不同,可分為原子光譜、分子光譜;按產(chǎn)生的方式不同,可分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜;按光譜表觀(guān)形態(tài)不同,可分為線(xiàn)光譜、帶光譜和連續光譜。
光色波長(cháng)λ(nm)區間 代表波長(cháng)

    通過(guò)這套綜合演示系統,可以讓學(xué)生直觀(guān)的了解各種光學(xué)的基本概念,打開(kāi)光學(xué)奇妙世界的神秘大門(mén),從書(shū)本上走出來(lái),再返回到書(shū)本知識中,物理光學(xué)在我們古代現代生活中無(wú)處不在。
 

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