物質光學光譜分析實驗

光譜分析在科學史中，佔有舉足輕重的地位。無論在物理、化學、天文學、生物、醫學、生化、化工等領域，都有相當重要的影響、發現和應用。本實驗保留古典物理的「發射光譜」與「古典量測」，並結合現代數位的技術，增加為「發射光譜+吸收光譜」與「數位量測+數位記錄」。

實驗目的

使用光譜儀、分光光度計與相關電子設備，量測不同發射光源之光譜譜線。並採用儀器所提供之固定光源，量測不同物質之吸收光譜、穿透光譜與反射光譜。

實驗演示

發射光譜之實驗光源：氣體放電管（氦氣、氖氣、水銀、氫氣）、白熾燈泡、日光燈。「偽鈔筆」、「捕蚊燈」、「省電燈泡」、「液晶螢幕」、「LED」、「雷射光筆」、「光纖」、「螢光」、「紅外線遙控器」、「人體紅外線輻射」、「紫外線殺菌燈」等光源。
吸收光譜之實驗中，主要量測包括：葉綠素、酒精、丙酮、胡蘿蔔素、食用色素、玻璃紙、（酸鹼）指示劑、防曬乳液、眼鏡鏡片（鍍多層膜的「防紫外線鏡片」）、墨鏡等等物質之吸收光譜。

示範實驗

原理說明

光譜來源：

1. 發射光譜：由物質本身發射出來的光譜。（本身即是光源）
2. 吸收光譜：以具有連續光譜的光照射物質，物質對於不同波長的光，有著不同的吸收率。例如吸收某些波長的光之後，光譜中會呈現一些暗線或暗帶，而形成吸收光譜。我們可以由這些 暗線或暗帶，瞭解吸收物質的能階分佈狀況。（需要另一光源）
3. 穿透光譜：與吸收光譜相似，但以不同波長對應之穿透率為主。
4. 反射光譜：與吸收光譜相似，但以不同波長對應之反射率為主

光譜的分佈狀況可簡單區分為：線狀、連續、帶狀。一般而言，液體和固體大多是連續光譜，氣體則有線狀或連續光譜。但實際上還是要依照該物質的能階分佈而定。實驗結果以「強度>對所有波長」或以「吸收率對所有波長」作圖，藉圖形顯示物質的發射光譜與吸收光譜。

本實驗特別著重於包含「紫外線」波長的光源之研究，因其對生物影響相當重要，包括基因突變致病致癌、家族遺傳疾病、突變選種、物種演化、生態破壞保育與永續經營、食物藥物及研究器材之非化學非接觸式殺菌，應用層面廣泛，影響亦相當深遠。

思考問題

1. 本實驗中，穿透率、吸收率的定義分別是什麼？（為什麼在本實驗中穿透率＋吸收率=1不成立？）
2. 說明以下各類物質之發光原理：「氣體放電管」 、「氣體雷射」 、「半導體雷射」、「發光二極體」、「螢光日光燈」 、「螢光夜光」 、「液晶螢幕」 、「熱輻射」 、「燃燒氧化」。（挑選其中四種回答。）
3. 眼鏡的鍍膜有什麼效果？為什麼號稱可以「抵擋紫外線」，卻又同時能「增加透光率」？
4. 一個會「吸收綠光」的濾鏡，在一般的燈光（日光、日光燈、白熾燈泡）下觀察時，兩面（反射與穿透）分別呈現什麼顏色？
5. 植物栽培燈以肉眼觀察為淡紫色，其發射光譜主要波長在何種顏色？
6. 試討論「葉綠素-吸收光譜」與「植物栽培燈-發射光譜」間之關係。
7. 葉子為什麼是綠色？大海為什麼是藍色？天空為什麼是藍色？夕陽為什麼是紅色？試著簡單回答以上問題。

生活中的應用

參考資料

1. Fundamentals of Physics, Halliday
2. 國立台灣大學－普通物理實驗講義2008　國立台灣大學物理系
3. 光譜儀（LabJunior）儀器規格書、光譜儀（SpectraAcademy）儀器規格書。
4. 看不見的光－紫外線　林志隆/自然科學博物館
   http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science_print.asp?add_year=2006&popsc_aid=135
5. 看不見的光－生活中的紅外線　林志隆
   http://tw.myblog.yahoo.com/lingo-nmns/article?mid=186&prev=195&next=176
6. 東亞照明型錄　2008-2009　東亞照明

工作人員

魏銘良、賴虹君、黃郁書

指導老師

傅昭銘教授