自制光譜儀

　　用光盤自制光譜儀, 所需材料只要一片光盤, 一只紙盒而已. CD數據一面用肉眼直接觀看五彩繽紛. 這是因為CD的數據軌道非常致密, 可用作衍射光柵. 但由于各個方向的光線混雜在一起, 所以看不到光譜. 不過我們只要在前面裝一個狹縫就是一臺簡易光譜儀. 雖然離專業光譜儀有很大差距, 但是作為科普工具人人可做, 對普及一些物理知識還是很有用的. 這還是個很好的玩具.

　　自制光譜儀結構如下: 紙盒一側開一條水平狹縫, CD傾斜60度左右斜插在另一邊, 從紙盒上方開口觀看. 注意看到的應該不是狹縫的鏡像, 而是光譜. 狹縫要不寬不窄, 太寬譜線模糊, 太窄亮度不足. 我用0.2mm左右, 大家試驗決定. 用多種CD試驗發現 (1)可寫光盤CD-R比普通CD光譜亮一些. CD-R牌子不同亮度也不一樣. 把CD翻過來看哪個最絢麗即可. 寫過和沒寫過的CD-R區別不大. (2)上面的角度不適用于DVD.

　　光譜哪里來? 中學物理里學過:

　　1. 稠密物質, 包括高壓氣體和等離子體, 按黑體輻射發出連續光譜.

　　2. 低壓氣體發出離散亮譜線, 亮度隨氣體溫度升高而增加.

　　3. 具有連續光譜的光線通過低壓氣體, 對應2)中位置出現離散黑線.

　　好了,下面讓我們看看日常生活中的光譜. 所有照片由作者用尼康995數字相機拍攝.

　　(1) 和天文密切相關的首推太陽光譜. 太陽是黑體輻射, 所以太陽光譜主要是連續譜, 但是上面有黑線, 即著名的夫瑯和費線(Fraunhofer lines). 它們是光線通過太陽表面大氣和地球大氣被選擇性吸收而形成的. 這光譜儀雖然簡單,但是(1c, 1d)照片里也能看見數條黑線: 深紅色里的C(氫H-alpha, 656nm), 桔黃色里的D(鈉,589nm), 綠色里的E(鐵,527nm)和b1,b2(鎂,518nm), 天藍色里的F(氫H-beta, 486nm), 紫色里的G(鐵和鈣, 431nm).

　　有趣的是中午的陽光和太陽落山時的陽光光譜不同! 對比(1c)和(1d), 我們發現紅色里多了一條a(地球氧氣分子,628nm). 這是因為太陽仰角低時, 陽光經過更多的地球大氣, 有些地球分子吸收線就表露了出來. C線和D線下面也出現了新的吸收帶.

　　(2) 白熾燈是普通燈泡, 鎢絲加熱發光, 按黑體輻射發出連續光譜, 所以從紅到紫一片連續, 和太陽光譜相比少了那些黑線. (圖中黃色不明顯, 可能是數字相機對黃譜段不敏感). 鹵鎢燈(tungsten halogen lamp)發光原理和白熾燈相似, 光譜也是連續的.

　　(3) 日光燈發光分兩步: 首先水銀蒸汽被激發主要發出紫外線, 然后管壁上的熒光粉將紫外線轉化為寬譜可見光. 所以日光燈在連續背景上有亮水銀譜線, 以綠色的546nm最顯著.

　　(4) 桔黃色的高壓鈉燈被廣泛用于晚間照明. 有趣的是它的光譜也會變化! 如果你看剛剛點亮的高壓鈉燈, 會看到幾條亮線, 其中有黃色的鈉發射譜線(589nm) (4c). 但是若干秒后隨著燈越來越亮, 黃色慢慢變寬, 中心出現細黑線(4d, 4e). 等高壓鈉燈穩定發光后, 燈泡內緣充滿相對較冷的鈉蒸汽, 強烈吸收譜線. 所以此時黃色位置由亮線變成很粗的黑線(4f,4b). (4c--f)拍攝參數完全一樣.

　　(5) 計算機CRT顯示器白色屏幕的光譜. 紅色是離散譜線, 但綠,藍則是連續光譜.

　　(6) 筆記本電腦液晶顯示屏和CRT顯示器發光原理顯然不同.

　　(7) 紅色發光二極管在紅色部分發出連續光譜.

　　(8) 接線板紅色指示燈是氖氣(neon)發光. 發出許多條紅色, 桔紅色的離散亮譜線.

　　(9) 綠色夜燈就是一層熒光粉, 電致發光發出連續光譜.

　　(10) 節能燈(又稱緊湊型日光燈, compact fluorescent light)和普通日光燈(3)發光原理類似, 但它采用新型三色熒光粉, 而非普通的寬譜白色熒光粉. 光譜儀下連續譜不見了, 代之以各種顏色的譜線.

　　(11) 這種綠,紫色霓虹燈光譜主要是熒光粉不同.

　　(12) 這張照片攝于 2004年10月27日月食開始前. 光譜儀手持于20cm反射鏡的目鏡后面. 因為月光就是反射的太陽光, 所以光譜和太陽光譜類似: 連續背景上有黑色夫瑯和費吸收線(1).

　　(13) 蠟燭發出連續譜. 不過我用的蠟燭和火柴在剛剛點燃的時候還有黃色的鈉線, 幾秒之后消失. 用鉛絲蘸食鹽燃燒則黃色鈉線很明顯, 來源自然是氯化鈉里的鈉. 鈉應該是雙線, 這個光譜儀分辨不出.

　　(14) 金屬鹵化物燈是高壓水銀燈的變種. 譜線十分復雜.

　　(15) 藍色霓虹燈不知是氬和水銀, 還是有熒光粉在里面. 紅色霓虹燈光譜明顯的是氖(neon), 和(8)一樣.