光學(xué)科學(xué)綜合演示系統(tǒng)
1802年，有一位英國(guó)物理學(xué)家沃拉斯頓為了驗(yàn)證光的色散理論重做了牛頓的實(shí)驗(yàn)。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(xiàn)太陽(yáng)光不僅被分解為牛頓所觀測(cè)到的那種連續(xù)光譜，而且其中還有一些暗線。可惜的是他的報(bào)告沒(méi)引起人們注意，知道的人很少。
1814年，德國(guó)光學(xué)家夫瑯和費(fèi)制成了第一臺(tái)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(zhǔn)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(yuǎn)鏡以及精確測(cè)量光線偏折角度的裝置。夫瑯和費(fèi)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(xiàn)在暗黑的背景上，有著一條條象狹縫形狀的明亮的譜線，這種光譜就是現(xiàn)在所稱(chēng)的明線光譜。在油燈的光譜中，其中有一對(duì)靠得很近的黃色譜線相當(dāng)明顯。夫瑯和費(fèi)拿掉油燈，換上酒精燈，同樣出現(xiàn)了這對(duì)黃線，他又把酒精燈拿掉，換上蠟燭，這對(duì)黃線依然存在；而且還在老位置上。
夫瑯和費(fèi)想，燈光和燭光太暗了，太陽(yáng)光很強(qiáng)，如果把太陽(yáng)光引進(jìn)來(lái)觀測(cè)，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(xiàn)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光譜，而是在紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的連續(xù)彩帶上有無(wú)數(shù)條喑線，在1814到1817這幾年中，夫瑯和費(fèi)共在太陽(yáng)光譜中數(shù)出了五百多條暗線；其中有的較濃、較黑，有的則較為暗淡。夫瑯和費(fèi)一一記錄了這些譜線的位置。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。夫瑯和費(fèi)還發(fā)現(xiàn)，在燈光和燭光中出現(xiàn)一對(duì)黃色明線的位置上，在太陽(yáng)光譜中則恰恰出現(xiàn)了一對(duì)醒目的暗線，夫瑯和費(fèi)把這對(duì)黃線稱(chēng)為D線。
為什么油燈、油精燈和臘燭的光是明線光譜，而太陽(yáng)光譜卻是在連續(xù)光譜的背景上有無(wú)數(shù)條暗線?為什么前者的光譜中有一對(duì)黃色明線而后者正巧在同一位置有一對(duì)暗線？這些問(wèn)題，夫瑯和費(fèi)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(guó)化學(xué)家本生埋頭在他的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行著一項(xiàng)有趣的實(shí)驗(yàn)，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(dá)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(jù)火焰的顏色來(lái)判別不同的元素了。可是，當(dāng)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。看來(lái)光憑顏色還無(wú)法作為判別的依據(jù)。
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(yàn)中所遇到的困難講給基爾霍夫聽(tīng)。這位物理學(xué)家對(duì)夫瑯和費(fèi)關(guān)于太陽(yáng)光譜的實(shí)驗(yàn)了解得很清楚，甚至在他的實(shí)驗(yàn)室里還保存有夫瑯和費(fèi)親手磨制的石英三棱鏡。基爾霍夫聽(tīng)了本生的問(wèn)題，想起了夫瑯和費(fèi)的實(shí)驗(yàn)，于是他向本生提出了一個(gè)很好的建議，不要觀察燃燒物的火焰顏色，而應(yīng)該觀察它的光譜。他們倆越談越興奮，最后決定合作來(lái)進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。
基爾霍夫在他的實(shí)驗(yàn)室中用狹縫、小望遠(yuǎn)鏡和那個(gè)由夫瑯和費(fèi)磨成的石英三棱鏡裝配成一臺(tái)分光鏡，并把它帶到了本生的實(shí)驗(yàn)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(duì)準(zhǔn)火焰觀測(cè)其光譜。他們發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)燃燒時(shí)，產(chǎn)生各不相同的明線光譜，接著，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(xiàn)，這些不同物質(zhì)的光譜線依然在光譜中同時(shí)呈現(xiàn)，彼此并不互相影響。于是，根據(jù)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(jù)光譜來(lái)判別化學(xué)元素的方法——光譜分析術(shù)。
根據(jù)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(duì)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(xiàn)了許多新元素，如銣，銫，氦等．根據(jù)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(jù)被測(cè)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(cè)成分是原子的稱(chēng)為原子光譜,被測(cè)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，因此可以根據(jù)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(dá)10^-10(10的負(fù)10次方)克，就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線，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(yīng)用．例如，在檢查半導(dǎo)體材料硅和鍺是不是達(dá)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(xiàn)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而被發(fā)現(xiàn)的．光譜分析對(duì)于研究天體的化學(xué)組成也很有用．
十九世紀(jì)初，在研究太陽(yáng)光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的連續(xù)光譜中有許多暗線。最初不知道這些暗線是怎樣形成的，后來(lái)人們了解了吸收光譜的成因，才知道這是太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)出的強(qiáng)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(xì)分析這些暗線，把它跟各種原子的特征譜線對(duì)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(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)分光后按波長(zhǎng)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(lán)靛紫次序連續(xù)分布的彩色光譜．有關(guān)光譜的結(jié)構(gòu)，發(fā)生機(jī)制，性質(zhì)及其在科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用已經(jīng)累積了很豐富的知識(shí)并且構(gòu)成了一門(mén)很重要的學(xué)科～光譜學(xué)．光譜學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，每種原子都有其獨(dú)特的光譜，猶如人們的“指紋”一樣各不相同．它們按一定規(guī)律形成若干光譜線系．原子光譜線系的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)是緊密相聯(lián)的，是研究原子結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)．應(yīng)用光譜學(xué)的原理和實(shí)驗(yàn)方法可以進(jìn)行光譜分析，每一種元素都有它特有的標(biāo)識(shí)譜線，把某種物質(zhì)所生成的明線光譜和已知元素的標(biāo)識(shí)譜線進(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(zhǔn)確度．在地質(zhì)勘探中利用光譜分析就可以檢驗(yàn)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(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)原器等．
復(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，按波長(zhǎng)（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(lán)、靛、紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。紅色到紫 色，相應(yīng)于波長(zhǎng)由7，700—3，900埃的區(qū)域，是為人眼所能感覺(jué)的可見(jiàn)部分。紅端之外為波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光，紫端之外則為波長(zhǎng)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(zhǎng)區(qū)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；按光譜表觀形態(tài)不同，可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。
光色波長(zhǎng)λ(nm)區(qū)間 代表波長(zhǎng)
通過(guò)這套綜合演示系統(tǒng)，可以讓學(xué)生直觀的了解各種光學(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(shí)中，物理光學(xué)在我們古代現(xiàn)代生活中無(wú)處不在。
