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.


光路图  



用纸盒和光盘制成光谱仪(箭头处为狭缝)  
观看光谱  


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.


(1a) 下午太阳仰角24度
(1b) 傍晚太阳仰角0.5度




(1c) 下午太阳光谱
(1d) 傍晚太阳光谱


(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.


(2a) 白炽灯
(2b)  


(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.


(3a) 日光灯
(3b)


(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.


(4a) 高压钠灯
(4b)




(4c)
(4d)
(4e)
(4f)


(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.


(5a) CRT显示器
(5b)


(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.


(6a) 笔记本电脑液晶显示屏
(6b)


(6) 笔记本电脑液晶显示屏和CRT显示器发光原理显然不同.


(7a) 红色发光二极管
(7b)


(7) 红色发光二极管在红色部分发出连续光谱.


(8a) 氖灯
(8b)


(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.


(9a) 夜灯
(9b)  


(9) 绿色夜灯就是一层荧光粉, 电致发光发出连续光谱.


(10a) 节能灯
(10b)  


(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.


(11a) 绿,紫色霓虹灯
(11b) 绿管光谱
(11c) 紫管光谱


(11) 这种绿,紫色霓虹灯光谱主要是荧光粉不同.


(12a) 月亮
(12b) 接望远镜
(12c) 月亮光谱


(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).


(13a) 蜡烛
(13b) 食盐

(13c) 蜡烛光谱
(13d) 食盐光谱


(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.


(14a) 金属卤化物灯
(14b)


(14) 金属卤化物灯是高压水银灯的变种. 谱线十分复杂.


(15a) 蓝色霓虹灯
(15b)

(15c) 红色霓虹灯
(15d)


(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.

(未完待续)

参考
CD spectrometer
Science Toys
MiniSpectroscopy
University of Maryland Physics Lecture-Demonstration Facility
Neon FAQ


(朱晓瑾 2004年10月26日. 欢迎转载, 请保留本文地址: XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/~zhuxj/astro/cn/html/XXXXXXXXXXXXXXXml )


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