分光镜与光谱

作者: 果壳实验室

来源: 果壳网

发布日期: 2016-11-11

本文介绍了如何通过自制分光镜观测光谱,揭示了太阳上的元素组成,并指导读者如何利用光盘制作简易光栅进行实验。

能发光发热的恒星挂在天空上,离咱最近的那个就是太阳。太阳离咱那么遥远,又那么热,我们要怎么知道太阳上都有些什么元素呢?我们知道,太阳光通过棱镜能呈现出一条从红到紫的谱带,这是因为白色的太阳光是很多颜色的光掺和在一起,通过棱镜后发生了色散现象。我们粗粗地看过去,只会看到像彩虹那样的红橙黄绿青蓝紫。

但1814年德国物理学家J.夫琅和费利用自制光谱装置观察太阳光时,在明亮彩色背景上观察到了很多的暗线。这些暗线是怎么来的呢?时间到了1859年,本生和基尔霍夫这对儿科学家好朋友,发现了一个惊天大秘密。我们知道,有些元素在火焰上能够发出非常独特的颜色,这就是焰色反应。但如果用分光镜去看的话,就能够观察到特殊的谱线,更有意思的是,如果在白光前灼烧这种元素,就会在该元素特殊谱线的位置留下暗线。

本生和基尔霍夫通过对比夫琅和费发现的那些暗线和已知元素的谱线,发现太阳也没什么特殊的,上面的元素有氢、钠、铁、钙、镍等等,咱地球上也都有。

今天我们说了要带大家自己做一个小小的分光镜,来观测光谱。要制作这个一起,首先需要的是一个分光装置,可以是三棱镜,也可以是光栅,我们这里用的是光栅。所谓光栅,虽然读作shan,但仍然有栅栏的意思,顾名思义,就是一道一道非常窄的狭缝组成的一个透光的小片。

这个小东西就是分光镜的心脏了,它的缝隙足够小,能够让通过的光发生衍射,如果是阳光那样很多不同波长的光混合起来的光线射进来,就会在衍射的作用下生成漂亮的光谱,虽然仪器店能买到这个小东西,但现在我们要自力更生,做一个!

大家知道光盘的原理吧,就是塑料盘上有一圈一圈的非常细的纹路,背面压上能反光的材质,用平整和小凹坑来代表0和1,就能够存储大量数据了。我们倾斜这光盘反射太阳光或者日光灯来看的时候,还能看到彩虹色呢。光盘上这些细细的纹路正好拿来做我们的简易光栅。这里我们用的是一次性的刻录DVD光盘,因为它们清理起来最方便。

让我们用美工刀在光盘上刻出划痕,小心地掰断它,就可以把上下两层分开了,我们把透明的那层,拿去用洗洁精清洗干净,就可以得到一小片光栅了。光有光栅还是不行,因为周围杂光太强,没有办法好好观测,这里我们分享给大家一个简易纸模,大家可以点击阅读原文进行下载,照着裁剪好折好,按照说明把纸筒站起来,把刚才洗干净的光栅剪成小方块贴在观察窗口上就可以啦。

注意,这步骤最关键的是要非常小心地开前边那个狭缝,可以用两个刀片叠起来划过去。现在让我们把这个小东西扣在手机的摄像头上,看一下阳光,谱线应该是这样滴。可以看到连续性很好。当然,由于咱这个小仪器分辨率的问题,夫琅和费线你是别想看到了。然后让我们用喷灯烧一点食盐观察下。看到那条黄线了吗,这就是当年曾让本生和基尔霍夫激动不已的最先发现的太阳上的元素。

大家通过制作的小仪器,已经能够观测到了谱线,现在可以用它来检测一下你周围的发光物体啦。比如这货是一个很老的不太好的液晶显示器调成白屏以后的光谱。而下边则是一个比较新的高级夜景显示器调成白屏以后的光谱,是不是看起来很不一样啊?

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