臺灣化學教育

創意化學實驗：光譜儀的製作及電漿光譜的觀測

范智傑¹、洪舜文¹、吳韋霆¹、黃佑杰¹、周芳妃²、盧麗娟³、呂家榮*¹

1.國立臺灣師範大學化學系

2.台北市立第一高級女子中學

3.臺北市立南港高級工業職業學校

*[email protected]

壹、前言

    大家對「電漿」這個東西可能會很陌生，但其實「電漿」卻跟我們的生活息息相關。舉凡日常生活中的日光燈管、霓虹燈的發光；大自然中的閃電，極光皆是應用到電漿的原理。本實驗先進行簡易光譜儀的裝置組裝，利用特定波長的發光二極體校正光譜儀之後，即可用於偵測電漿光譜性質。在實驗室中利用高壓直流電在金屬電極尖端放電，也可以產生電漿。本實驗取用家庭中常見電蚊拍電路裝置，應用以產生大約3000伏特但電流很微弱的高壓直流電。在自製電漿瓶裡有兩個電極，瓶中填入待測氣體，與電蚊拍的電路連接以後，電漿就會在兩個金屬電極尖端放電生成，於瓶中看到類似「極光」的現象。最後，利用自製光譜儀，量測自製電漿的光譜訊號，得到電漿光譜。

 

█什麼是光譜儀?

    光譜儀（Spectroscope）屬於科學儀器，由稜鏡或衍射光柵等分光材料構成，可將具有多種頻率的的光線，經過分光材料而將光線分辨出各種色光的波長或頻率。這些被分析出來的色光可稱為光譜線，光譜儀測量得到的光線性質與光譜線的關係可統稱為光譜。

█什麼是電漿?

   最早在1920年代，Langmuir等人首先研究電漿中的現象，發現氣態離子的存在，而在1929年Langmuir使用了電漿 (plasma)來敘述此類離子化氣體的現象。

圖1:離子化氣體放光圖

若對物質施加高溫或加速電子、加速離子等能量，中性物質會透過激發、解離、離子化等反應而產生分子(molecules)、原子(atoms)、激態物質(excited species)、電子(electrons)、正離子(positive ions)、負離子(negative ions)、自由基(free radical)、紫外光、可見光等物質。這些物質混合在一起的狀態就稱為電漿，因其不同於 固、液、氣三態，因此電漿常被稱為是物質的第四態。日常生活中常看到的日光燈、霓虹燈發亮的狀態，就是屬於電漿發亮的狀態。

 

◆ 如何產生電漿?

    電漿的產生是因為具有足夠能量的電子去撞擊中性氣體，使中性氣體解離失去電子而產生電漿。但中性氣體的原子核對其電子具有束縛能，外界電子能量需大於束縛能，才可在衝撞中性原子時造成中性原子解離出電子。所以我們需要以高壓直流電的方式來使電子的能量足夠，電子在電極中會被帶正電之電極吸引而加速，在加速過程中電子就可以累積能量，當電子的能量達到某一個程度後就有足夠能力來解離中性氣體。

 

貳、實驗器材列表:

一、基本器材： l   筆、橡皮擦、美工刀、方格紙、手套 l   大針筒(50mL)x1 l   小針筒(10mL)x1 l   木夾子x1 二、電漿燈源： l   雙頭鱷魚夾1~2個 l   電蚊拍電路x1 l   電漿燈源樣品瓶x1 l   變壓器x1 l   氣體(氦氣鋼瓶即錶壓頭) l   教師準備：市售未知氣體小型螢光燈

三、光譜儀製作： l   CD片(分光用) 1小片 l   黏土4~5塊 l   光譜儀模板(包括內部隔板、架燈源板子)一組 l   光電晶體x1 l   10M歐姆電阻x1 l   9V電池x1 l   3V電池組x1 l   各色光LED燈(紅、綠、藍、白)各1個

 

叁、實驗步驟

一、光譜儀的製作

   本步驟中將利用光碟片碎片做為簡易「光柵」來進行分光實驗，並且利用「光電晶體」來偵測光源各波長的相對強度。

 

1.          將事先裁好的紙板順著割痕輕折，以黏土或膠帶黏成盒子的形狀，如下圖1所示。右側盒壁要向內凹，底邊與長邊的底邊對齊並貼住。

圖1: 摺疊光譜儀盒子的過程

2.          以左窄右寬的梯形狀CD切片進行觀測時，檢查CD切片的表面條紋走向是在垂直方向。先將CD切片以左窄右寬形狀固定並貼在光譜儀視窗對側的長邊正中央(可用長尺量過)。取白光LED接於3V電池組(LED長腳接正端，短腳接負端)，放置到光譜儀盒中CD切片右下方大約45度位置，用白光LED確認CD切片方向，使入射的白光可以成功散射到觀察口，如下圖2。

圖2: 取白光LED接於3V電池組(LED長腳接正端，短腳接負端)，放置到光譜儀盒中CD切片右下方大約45度位置的過程。

 

3.          此時以眼睛在觀察口左右移動看看，由左到右可以看到藍綠黃紅等色光，如圖3所示。測試由左到右成功看到散射各種色光之後，可再用黑膠帶將CD片的縫隙寬度貼得更細一點，露出CD切片約0.2~0.3 cm 寬，以提高光譜儀解析度。

圖3: 測試由左到右成功看到散射各種色光的過程。

4.          由於反射光線過強會導致感光偵測儀器的誤差過大，需在盒內左側貼上一片擋板防止反射光干擾偵測器，此檔板的位置大致即可，只要能有效防止反射光干擾感光偵側器。為了避免光源裝置發生滑動，也在盒內右側貼好燈座和固定版。檔板和燈座位置參考圖4所示。

5.          以1cm寬的細長珍珠板輕夾住光電晶體，做成感光偵測器。放置偵測器到光譜儀盒子的觀察視窗上，觀察視窗上下邊皆貼軌道(其一有方格紙須朝外側)，畫標記的時候可以更清楚的看見標記。電池盒也固定在光譜儀盒蓋上，避免光源燈座晃動，即可完成簡易光譜儀! 如圖5所示。(盡量不要有光透進光譜儀，可以膠帶貼住防光，不要貼太緊以便可以再打開蓋子)

圖5: 觀察視窗上下邊皆貼上白紙，電池盒也固定在光譜儀盒蓋上。

二、光譜儀的校正

    本步驟中將使用數種單色光LED燈校正光譜儀的訊號位置，並做出波長檢量線，應用於電漿光譜偵測。

 

1.          把藍色LED插入3V電池組的輸出端(長腳接正端，短腳接負端)。再將LED燈架在光譜儀的LED固定板上，之後將光譜儀蓋上(膠帶貼住防光)，眼睛湊到觀察口並嘗試從不同角度透過觀察口看CD切片，確認CD切片可以成功散射出藍光並被眼睛觀察到即可(如圖6)，先以鉛筆註記此位置，稍後使用感光偵測器就可較快速找到訊號精確位置。

圖6: 先用眼睛找出CD切片散射藍光位置。

 

2.          將感光偵測器裝上，並依圖示將9V電池、電阻、三用電表接起來，偵測器與9V電池逆接(如圖7所示)，將9V電池的正極接在感光偵測器的負極，9V電池的負極先接到電阻器，再接到感光偵測器的正極。滑動偵測器至剛剛觀察到光的位置附近(間隔在1~2公分內)，三用電表的電壓讀數會明顯上升，慢慢移動調整感光偵測器，找到電壓最高的精確位置，標示畫於方格紙上。

圖7: 感光偵測器的逆接電路。

3.          依次用其他色光LED重複以上步驟，定出藍光(453 nm )、綠光(516 nm )、紅光(653 nm) LED的波長位置，並於方格紙上作圖，以色光波長為縱軸，方格紙座標位置為橫軸，找出檢量線(如圖8所示)。

圖8: 以色光波長為縱軸，方格紙座標位置為橫軸，找出檢量線。

 

4.          在方格紙上分別標記各色LED的波長對應偵測器位置的點，作圖後，找出各點連線的最佳直線關係。利用各兩點計算此直線的斜率及截距，即為光譜儀偵測波長/感光偵測器位置對應的檢量線的線性方程式。回答下列問題：

回答問題： 1. 偵測波長/感光偵測器位置對應的檢量線的線性方程式為何？     2. 依據電子躍遷理論，計算產生三種色光的兩個高低能階差各為多少？    藍光(453 nm)、綠光(516 nm)、紅光(653 nm) 補充說明： (1)光的波動性質： C = λυ  真空中光速C = 3×108 m.s-1 (2)光的粒子性質： E = hυ   普朗克常數h = 6.62×10-34 J.s

 

三、測量電漿光譜

1.          將LED光緣燈座的板子抽出，留下電漿瓶的燈座板。 (圖9)

圖9：留下電漿燈源的燈座板

 

2.          將氦氣灌入電漿瓶中，連接電蚊拍的高壓電路(3000伏特)，以產生電漿光源。

【詳見附錄說明】               

3.          調整電漿瓶位置使光線可以成功進入光譜儀，與校正時相同，確認眼睛可透過觀察口看到CD可成功將光線散射分光。

4.          進行類似光譜儀校正時的步驟，先將偵測器滑動到觀察口的最左邊，慢慢地往右滑動，並觀察三用電表的電壓訊號，注意訊號大概在哪個(哪些)位置電壓訊號有大幅升高的趨勢。若訊號不太穩定，有可能是因為電漿燈源閃爍造成讀取訊號不穩定，則以觀察最高值為準。

5.          將偵測器由觀察口左側滑動到觀察口右側，觀察並於方格紙上記錄可觀察到的最高電壓值以及偵測器對應的位置。中間沒有觀察到訊號峰的部份可以比較快的帶過，約每0.3~0.4公分記錄一次數據即可，前一步驟觀察到可能的訊號位置附近(約1公分)則需要仔細測量(約每0.1公分記錄一個數據點)。

6.          將記錄的數據，於方格紙上畫上對應的點，並將各點連起來，繪成一張連續光譜圖(圖10)，將比較明顯的訊號峰位置標記，寫出感光偵測器對應位置。利用光譜儀檢量線的內插/外插法，求得氦氣電漿的光譜訊號峰。

                     圖10：測量並繪製He氣體電漿光譜。

 

附錄一：電漿的產生方法

    把要測量的氣體(氦氣)灌於電漿瓶中，通入高壓電讓氣體游離化生成「電漿」。利用氣體電漿當作「燈源」，利用光譜儀去量測不同氣體電漿燈源訊號。

Step1：把待測氣體抽入電漿瓶中

1.          用大針筒抽取大約30mL待測氣體(氦氣)，如圖11所示。把裝有待測氣體(氦氣)的大針筒，針頭插進瓶蓋墊片中，墊片上也插入另一隻小針筒。                          (注意:不要把瓶內電線的塑膠外皮刺破。)

圖11：用大針筒抽取氣體。

2.          方法一：正壓填充法
　　把裝有氦氣的針筒透過針頭刺入進瓶蓋墊片中，並另外插一個小針頭，把針筒內的氣體推入瓶中，形成瓶內正壓。填充完畢後，先將小針頭拔出，再將大針筒取出(圖12A)。

圖12A：正壓填充法

方法二：負壓填充法
　　先用小針筒將電漿瓶內空氣抽出，形成瓶內負壓，使大針筒氦氣自動灌入電漿瓶中，瓶中氣體就置換成氦氣，最後將針筒以及排氣針拔出來。氣體被抽入後，先把抽氣小針筒拔出，再把待測氣體大針筒拔出來(圖12B)。

圖12B：負壓填充法

Step2:把電漿瓶接上電蚊拍電路和電源

3.          拆解市售電蚊拍，取出高壓電路裝置，如圖13所示。

圖13：市售電蚊拍的高壓電路裝置。

4.          把電蚊拍電路輸出端接上電漿瓶，電蚊拍電源輸入端則接上電源變壓器。注意線路採用正接正、負接負方式，操作連續步驟如圖14(A)、(B)所示。市售電蚊拍有多種不同設計的電路，須依據現場的電蚊拍電路判斷線路連接方式，如圖14(C)所示。

圖14-A：電蚊拍電路	圖14-B：電蚊拍電路接電源
圖14-C：電蚊拍電路接電漿瓶，並且通電。

5.          把電源變壓器插在插座上，打開電蚊拍電路上的開關，電蚊拍電路上的LED燈會亮，可於瓶子內看到電漿。

**注意：建議操作電蚊拍電路接通的時候要戴上手套，以免觸電!!

 

附錄二：抽真空實驗

    把空的大針筒針頭插進灌有氦氣(He)電漿瓶墊片上，把電漿瓶接上電蚊拍電路和變壓器，通電並接通開關以產生電漿。用針筒慢慢抽走電漿瓶內的氦氣，覺得抽不動時，請另一人幫忙把針筒的針頭拔出來。於瓶內可看到氦氣電漿發光的電弧形狀，仔細觀察瓶內電極電漿放光變化，如圖15所示。

圖15：用針筒慢慢抽走電漿瓶內的氦氣，觀察氦氣電漿發光的電弧形狀。

結 語

本實驗設計利用容易取得的材料來建立一個可以確實量測波長數字之光譜儀，相較於一般以肉眼觀測顏色變化的分光實驗，本實驗可以提供學生更確實的波長記錄與感受，同時引入氣體游離的觀念，讓學生可以親手製造類似極光的光暈，使學生明瞭在生活週邊其實有許多的現象與物質的第四態(電漿) 息息相關。

 

誌謝

感謝張昭鼎紀念基金會贊助本研究成為高中實驗教案，並安排於2015年與2016年兩屆的居禮夫人高中化學營實驗課程，提供給三百多位國內外全體學員師生進行研習。

 

參考文獻

1.      維基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93

2.      J.E. Lovelock, Nature 181 (1958) 1460.

3.      R.C. Pitkethly, Anal. Chem. 30 (8) (1958) 1309.

4.      Y.-M. Fu et al., Microchemical Journal 89 (2008) 7–12.