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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074938]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 14 给太阳量体温
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一分钟简介
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在本章中，你将看到如何用非常简单的材料自制光谱仪。通过分析太阳的光谱成分，我们可以遥测出太阳的温度。同样的光谱仪还能用来测量节能灯的谱线，从这些五彩缤纷的线条中我们可以探索多彩的原子世界。
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闲话基本原理
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大学二年级时，我的物理实验课老师是一位仙风道骨的老教授，老北京人，说起话来京味儿四溢。有一次讲温度的测量，老人家说，这可不是一件容易的事，比如我们可以用普通的温度计放在腋下测量人的体温；但是如果要给一只蛐蛐儿量体温，还是用这支温度计的话，你是不是得跟蛐蛐儿商量，辛苦你呐，把胳膊腿儿抬一抬！
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多年以后，老教授说这番话时的神情依然历历在目，我想当年在京城天桥撂地说摊的穷不怕先生大概也就是这样的。玩笑之余，教授其实是想告诉我们，当我们做实验测量某一个物理量时，必然会对这个量产生或大或小的影响。比如用温度计测量人的体温，因为室温一般与体温不同，所以处于室温的温度计接触人体的时候，就会和人交换热量，从而影响人的体温，但是这个影响是微乎其微的。但是如果用同样的温度计来测量一个和它尺寸相当的物体的温度，比如蛐蛐儿，那么温度计的接触就会对蛐蛐儿的温度产生巨大的影响，从而我们测量到的不再是我们想要的物理量。
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为了解决这个问题，除了制造更小的温度计以外，还有没有更好的办法，可以把对被测物的干扰降到最低呢？我想大家都有过这样的印象，电热炉的电阻丝在加热的过程中都是先变成暗红，然后变成橘红，接着变黄，当温度非常高时，电阻丝会发出明亮的白光。也就是说，电阻丝发出的光的颜色与它的温度相关。实际上，任何时候电阻丝都发出各种颜色（即各种波长）的光，只不过温度低时红光占主要成分，所以看起来就是暗红色的。随着温度升高，波长更短的光，比如黄光的比重开始增加，然后是蓝光变强，最后电阻丝就变成了明亮的白色了。可以预见，如果我们能分析一个发热物体所发出光的光谱，那么我们就能推测出它的温度来。
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实际上，对于所有受热发光的物体，当它们和周围的环境处于平衡状态，温度保持稳定时，我们都可以用一个叫作“黑体”（Blackbody）的东西来进行模拟。物理学中，黑体是这样一种物体，它能把所有照射到它身上的光都吸收，同时均匀地朝四面八方放射出各种波段的电磁波，辐射的能量与入射的能量相当，即它和周围环境中的电磁波达到热平衡，温度保持恒定。对于黑体，我们可以通过分析它的光谱，精确地推算出它的温度，因为有一个叫作维恩位移定律（Wien’s Displacement Law）的物理规律指出，黑体的光谱中强度最大的光波波长与黑体的温度有一个简单的关系：
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其中T是物体的温度，用开尔文为单位（开尔文与摄氏度转换的关系是：开尔文=摄氏度+273℃。所以冰水混合物在大气压下的温度为273开尔文），b是维恩位移常数，约为2.9×10-3开尔文米（K·m）。对于一个1000℃的黑体，它发出的光最强的成分波长为2.9×10-6m，也即2.9μm，处于红外光波段。在可见光波段（390～790nm），它只有波长靠近红端的部分比较强，其他波长比较弱，所以1000℃的黑体看起来显红色。当然，一般发光体不能满足理想中黑体的条件，它们不可能吸收所有入射的电磁波，也很少与周围的环境达到热平衡（比如室温是27℃，而发光的白炽灯则很显然要热得多）。这样它们的光谱与相同温度的黑体光谱就会有所差别，其最强成分的波长与维恩定律所给出的也会略有不同，但是我们可以用黑体辐射作为近似，能得到对其温度的一个非常靠谱的估计。
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当年维恩先生是通过分析很多不同温度的发光物体的光谱总结出来的这么一个经验规律，非常好用，但是却说不出一个所以然来。直到19世纪末、20世纪初，大师普朗克先生用光子的思想写下了描述黑体光谱在任意波长上的强度与温度的关系，维恩位移定律背后的奥秘才得以解开。我们将在后面的内容中进一步地讨论这个问题。
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我们知道了可以通过测量光谱来判断温度，但是怎么做这个测量呢？光谱仪听起来是一个非常高科技的东西啊！其实不然。用两三样简单的材料就能做一个物美价廉的光谱仪，我们甚至可以用它来测量遥不可及的太阳的温度！
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动手实践
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要分析一束光中的各种波长成分，就需要用一个东西把各种颜色的光散开，想必你的脑海里出现了牛顿先生用一块三棱镜把太阳光分成彩虹状的图景。三棱镜的确是一种选择，但是它的分光能力不强，更好的选择是用光栅。光栅大伙都见过，在前面全息照相的章节中我们也附带提到过它，但是这一章它荣升为了主角。常见的CD就是一张线距1.6µm，相当于每毫米刻600条痕（通称为600线/mm）的反射式光栅。图14.1展示了日光灯管通过这个光栅反射以后，各种波长的光被散开的情景。
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图14.1 CD的光栅效果
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但是，由于CD上的刻痕是一组同心圆，它把物体的光线分开的同时也会形成一些扭曲，使得光谱分析变得复杂，所以最好是用直线型的光栅。幸运的是，我们从网上能很便宜地买到一种叫作“烟花眼镜”或者“彩虹眼镜”的东西，如图14.2（A）所示，透过它，我们能看到五彩缤纷的世界，如图14.2（B）所示。实际上，这种眼镜的镜片就是一块透射式全息光栅（用拍摄全息照片的方式制作的光栅），其对不同颜色的光的扩散能力大约相当于250线/mm的直线型光栅。普通直线型光栅只会在垂直于直线的方向衍射光线，而烟花眼镜中的全息光栅向上下左右4个方向衍射光线。对于本章的制作，我们只需要关注其中某一个方向的衍射即可。
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图14.2 （A）便宜的烟花眼镜；（B）透过烟花眼镜看到五彩缤纷的世界
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光谱仪的制作是非常简单的[1]，其原理如图14.3所示。找来一个边长20cm左右的纸盒子，在盒子的一端开一道狭缝，在与之相对的面剪开纸盒，装入光栅即可。这样从狭缝进入纸盒中的光线经过光栅产生一级、二级、三级……衍射。图14.3中光栅没有和狭缝正对，而是在它的对角上，是为了让通过狭缝的光照射到光栅上时具有一定的倾角，从而覆盖光栅上更多的条纹，增加光谱的分辨率。不过对于我们的山寨光谱仪，这种影响是非常微小的，所以光栅的位置可以左右移动。至于为什么要用狭缝，等我们看到光谱图就会明白了。
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图14.3 光谱仪原理图