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1、原子可见光谱的计算机仿真蓝海江，李珏璇，陆朝华，莫建平，杨玉香(柳州师范高等专科学校 物理与信息科学系， 广西 柳州 545004)摘 要：为了获得明亮清晰、绚丽多彩而逼真的原子光谱图像，依据原子光谱线的波长及其RGB颜色代码，仿真氢、氦、钠、汞及镉原子的可见发射光栅光谱及棱镜光谱，以日光为连续谱光源，仿真这些原子的可见吸收光栅光谱及棱镜光谱。结果表明：仿真的图像色彩丰富而逼真，能直接投影于多媒体屏幕上，可应用于辅助教学等领域。关键词：原子；发射光谱；吸收光谱；仿真中图分类号：O562.3 文献标识码：A 文章编号：原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支，是连接经典物理学与
2、量子物理学的桥梁。原子光谱是原子物理学的主要内容之一，是原子量子行为的显现。随着社会的进步与科技的发展，对原子物理学课程进行优化与改革势在必行1,2。利用计算机仿真原子物理学实验，不仅能够再现或模拟原子的物理现象，而且能控制这些现象的演变过程3。因此，计算机仿真是原子物理学课程优化与改革的重要手段。与单色光相比，利用复色光作为光源进行计算机仿真的难度较大，为此，作者做了有益的尝试4-8。在已报导的原子光谱仿真实验中，多数作者都是利用单色光进行仿真，而利用复色光进行仿真则较为鲜见。最近，曹跃祖等9尝试利用Matlab仿真了汞、氢原子的彩色光栅光谱。本文则在文献5的基础上，以复色光为光源，仿真氢、
3、氦、钠、汞及镉原子的可见发射、吸收光栅光谱及棱镜光谱。仿真结果图像色彩丰富而逼真，能直接投影于多媒体屏幕上，可应用于原子物理学课程辅助教学等领域。1. 原子的发射光谱和吸收光谱原子电磁辐射的强度按波长(或频率)分布的记录称为光谱。物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱，是处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量以光的形式发射出去而形成的原子或分子光谱。稀薄气体发光由不连续的亮线组成，这种发射光谱又叫做明线光谱，原子产生的明线光谱也叫做原子光谱。原子不仅可以发射一系列特征谱线，也可以吸收与发射波长相同的特征谱线。正常情况下、原子处于基态，在辐射源通过自由原子蒸汽时，当入射频率等
4、于原子中的电子从低能态跃迁到高能激发态所需要的能量频率时，原子就从辐射场中吸收能量，产生共振吸收，电子跃迁到高能激发态，同时使辐射源减弱而产生原子吸收光谱。在观测原子吸收光谱时，通常使用连续谱光源作为辐射源10。光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的仪器，主要由衍射光栅或棱镜构成。原子光谱可分为光栅光谱和棱镜光谱。2. 常用原子的可见光谱及其波长本文以教学中常用氢、氦、钠、汞及镉原子的可见光谱为例进行计算机仿真。这些常用原子可见光谱的波长如表1所示11。表1 常用原子可见光谱的波长原子谱线波长(nm)原子谱线波长(nm)原子谱线波长(nm)原子谱线波长(nm)原子谱线波长(nm)氢388.903
5、97.01410.17434.05486.13656.28氦447.15501.56667.81钠588.996589.593汞404.656435.835546.074镉467.82479.99508.58643.85依据张健敏12的测量结果，可得到与这些谱线波长对应的RGB颜色代码。例如，与氢原子谱线波长对应的RGB颜色代码如表2所示。表2 氢原子谱线的RGB代码波长(nm)RGB388.900.1254901960.0588235290.494117647397.010.1215686270.0588235290.678431373410.170.0980392160.129411765
6、0.933333333434.0500.4431372550.996078431486.130.2901960780.7490196080.996078431656.280.6823529410.086274510.0039215693. 原子可见光谱计算机仿真的方法仿真原子可见发射光栅光谱及棱镜光谱的方法：(1)确定与原子光谱线波长对应的RGB颜色代码。由表1可知，常用原子的可见光谱分布于日光光谱之中，因此，依据张健敏的测量结果，可得到与这些谱线波长对应的RGB颜色代码，如表2所示。(2)依据原子光谱线的波长及其RGB代码、光栅及棱镜的色散公式编写仿真程序。在文献5中，作者推导出相应的色散公
7、式，并仿真了日光的光栅光谱和棱镜光谱。为便捷起见，本文直接利用文献5中的程序进行仿真。(3)运行仿真程序。仿真原子可见吸收光栅光谱及棱镜光谱的方法：(1)确定连续谱辐射源色光的波长及与之对应的RGB颜色代码。本文以日光为连续谱辐射源，依据张健敏的测量结果，可得到日光中2 000份色光的波长及其RGB颜色代码。(2)编写仿真程序。(3)运行仿真程序。4. 原子可见光谱计算机仿真的结果由以上的分析可知，首先修改文献5中用于保存色光波长及其RGB代码值文件Myldrgb.m，然后运行其中的光栅光谱及棱镜光谱仿真程序，即可得出相应的原子可见光谱的计算机仿真结果。下面以仿真氢原子可见光谱为例说明具体的仿
8、真过程。氢原子可见发射光谱的仿真过程：(1)修改文献5中文件Myldrgb.m的数据。即只保留与表2中波长一致的色光的RGB代码值，其余色光的RGB代码值全部置0。(2)运行文献5中的光栅光谱仿真程序Myfz1.m即可得出如图1(a)所示的仿真结果，运行其中的棱镜光谱仿真程序即可得出如图1(b)所示的仿真结果。氢原子可见吸收光谱的仿真过程：(1)修改文献5中文件Myldrgb.m的数据。与仿真发射光谱时相反，是把与表2中波长一致的色光的RGB代码值全部置0，而保留其余色光的RGB代码值。(2)运行文献5中的光栅光谱及棱镜光谱仿真程序即可得出如图1(c)、(d)所示的仿真结果。用同样的方法，可仿
9、真氦、钠、汞及镉等原子的可见发射、吸收光栅光谱及棱镜光谱。仿真结果如图1(e)-(t)所示。说明：在辅助教学演示中，原子的光谱线要足够宽才能清楚地投影到多媒体屏幕上。因此，为满足辅助教学需要，图1所示的仿真谱线并非由1份色光组成，而是由多份色光组成，即所仿真的谱线均为由多份色光组成的具有一定带宽的光谱线带。1级光栅光谱是一种均匀分布的光谱。因此，如图1(a)、(c)等所示的光栅光谱线均用5份色光进行仿真，谱线的带宽约为0.60nm。棱镜的折射率与光的波长有关，波长越长折射率越小。因此，棱镜光谱是一种非均匀分布的光谱：波长越长，谱带分布越窄，波长越短，谱带分布越宽。因而，要获得足够宽的仿真谱线带
10、，需要调整用于仿真的色光数。原则是：波长越短，色光数越少，带宽越窄；波长越长，色光数越多，带宽越宽。例如，在如图1(b)所示的氢原子发射棱镜光谱线中，用于仿真第1条谱线(388.90nm)的色光数为3份，谱线带宽约为0.30nm；用于仿真第6条谱线(656.28nm)的色光数为13份，谱线带宽约为1.63nm；在如图1(d) 所示的氢原子吸收棱镜光谱线中，用于仿真第1条谱线(388.90nm)的色光数仍为3份；而用于仿真第6条谱线(656.28nm)的色光数则为7份，谱线的带宽约为0.81nm。(a)氢原子发射光栅光谱(b)氢原子发射棱镜光谱(c)氢原子吸收光栅光谱(d)氢原子吸收棱镜光谱(e
11、)氦原子发射光栅光谱(f)氦原子发射棱镜光谱(g)氦原子吸收光栅光谱(h)氦原子吸收棱镜光谱(i)钠原子发射光栅光谱(j)钠原子发射棱镜光谱(k)钠原子吸收光栅光谱(l)钠原子吸收棱镜光谱(m)汞原子发射光栅光谱(n)汞原子发射棱镜光谱(o)汞原子吸收光栅光谱(p)汞原子吸收棱镜光谱(q)镉原子发射光栅光谱(r)镉原子发射棱镜光谱(s)镉原子吸收光栅光谱(t)镉原子吸收棱镜光谱图1 原子可见光谱的计算机仿真结果5. 结语常用原子的可见光谱分布于日光光谱之中。为此，本文在仿真日光光栅光谱和棱镜光谱的基础上，首先，依据张健敏的测量结果，确定与氢、氦、钠、汞及镉原子可见光谱线波长对应的RGB颜色代码
12、值，并据此仿真这些原子的可见发射光栅光谱及棱镜光谱，其次，以日光为连续谱源，仿真这些原子的可见吸收光栅光谱及棱镜光谱。由图1可知，仿真结果的图像色彩丰富而逼真，并能直接投影于多媒体屏幕上，因此，可应用于原子物理学课程的辅助教学等领域。参考文献：1冯瑞姝，徐 栩应用型院校物理教育专业原子物理学的优化J大庆师范学院学报，2013，33(3)：133-1352李培芳原子物理学教学改革研究J内蒙古民族大学学报，2012，18(2)：135-1363潘良斌氢光谱实验的计算机模拟J泉州师范学院学报(自然科学)，2003，21(4)：21-244蓝海江白光干涉、衍射实验的计算机仿真J. 实验室研究与探索，2
13、009，28(12)：16-19. 5蓝海江日光光谱的计算机重现与仿真J. 安徽农业科学，2010，38(14)：7382-7383. 6蓝海江日光干涉与衍射典型实验的Matlab仿真J. 安徽农业科学，2010，38(27)：15396-15397.7李珏璇，蓝海江利用七色光仿真白光牛顿环干涉实验J. 实验室科学，2012，15(2)：65-67. 8蓝海江利用七色光仿真白光干涉和衍射的典型实验J. 物理教师，2011，32(9)：36-37.9曹跃祖，李福芸物理光学课程中的可视化研究J北京印刷学院学报，2013，21(4)：76-7810王永昌近代物理学M北京：高等教育出版社，2006：77-9411钟仕科，吴大江简明物理手册M南昌：江西人民出版社，1982：130-13112张健敏. 彩色光谱的计算机重现D. 苏州：苏州大学硕士学位论文，2005：71-88.基金项目：柳州师范高等专科学校科研基金项目(LSZ2013A002)；广西高等教育教学改革工程项目(2013JGA294)。作者简介：蓝海江(1963-)，男(壮族)，广西柳城人，教授。从事物理光学、计算机应用等研究。