本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成基于可口可樂(lè)的弱熒光測(cè)量和濾光特性測(cè)量等光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性觀測(cè)：使用一束綠色的激光和一瓶沒(méi)有裝滿的可口可樂(lè)。當(dāng)綠色的激光水平照射可樂(lè)時(shí)，從瓶口處可觀測(cè)到激光傳播了一定距離，并且出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。如圖1，隨著照射位置變深，肉眼觀測(cè)光譜紅移越來(lái)越明顯。

　　原理解釋：激光射入可樂(lè)與其中的弱熒光物質(zhì)作用，產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換熒光，觀察到紅移現(xiàn)象。隨著照射位置變深，基于可樂(lè)的濾光特性，綠色波段被吸收較紅色波段明顯，導(dǎo)致紅色波段所占比例上升。因此總光強(qiáng)減弱后，紅移現(xiàn)象更加明顯。熒光是從激發(fā)態(tài)分子衰變?yōu)樽孕嘀囟认嗤幕鶓B(tài)或低激發(fā)態(tài)時(shí)的自發(fā)發(fā)射現(xiàn)象。固定激發(fā)波長(zhǎng)，掃描發(fā)射光波長(zhǎng)，得到熒光發(fā)射光譜。固定發(fā)射波長(zhǎng)，掃描激發(fā)光波長(zhǎng)，得到熒光激發(fā)光譜。可樂(lè)的熒光現(xiàn)象產(chǎn)生于其中的一種食用色素：焦糖色素，它是在可樂(lè)中除水之外含量最高的物質(zhì)，具有微弱的熒光效應(yīng)，參見(jiàn)文獻(xiàn)：Mauricio Boscolo, Luiz G. Andrade-Sobrinho, Marcia Miguel Castro Ferreira, Spectrophotometric Determination of Caramel Content in Spirits Aged in Oak Casks, [J] Journal of AOAC International, 2002, VOL. 85(3): 744-750。但如果將一定量可樂(lè)裝于燒杯，在空氣中靜置一周，取上清液，過(guò)濾，并使用綠色激光進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)，肉眼觀測(cè)就不再產(chǎn)生光譜紅移現(xiàn)象。因?yàn)榇藭r(shí)可樂(lè)中的焦糖色素被各種菌類的呼吸作用分解，產(chǎn)生的小分子物質(zhì)如葡萄糖等破壞了原有的共軛雙鍵，只具有旋光效應(yīng)，卻沒(méi)有熒光現(xiàn)象?？蓸?lè)中的其他成份，如二氧化碳或水也沒(méi)有共軛雙鍵，因而不存在熒光現(xiàn)象，所以紅色的熒光消失。

　　本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成大學(xué)物理課程中“熒光光譜”和“濾光片的特性研究”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，并此基礎(chǔ)上可進(jìn)行許多研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展，這里由于篇幅僅舉一例：如使用532nm波長(zhǎng)的激光作為激發(fā)光源，特制夾持器作為“轉(zhuǎn)向”裝置(見(jiàn)圖2)控制激光與可樂(lè)的作用深度，使用國(guó)產(chǎn)教學(xué)用光柵單色儀(見(jiàn)圖2左側(cè)小圖)可研究不同照射距離，即激光與樣品作用深度對(duì)光譜紅移量的影響。

　　具體實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果如下：

　　一、 對(duì)可口可樂(lè)進(jìn)行熒光發(fā)射光譜測(cè)量。

　　由于可樂(lè)的熒光現(xiàn)象較弱，需要激發(fā)光的功率比較高。這里使用功率為200mW的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的532nm激光作為外接激發(fā)光源，利用側(cè)入射式樣品倉(cāng)，四面拋光比色皿和以光電倍增管為探測(cè)器的光柵單色儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到可樂(lè)原溶液熒光激發(fā)光譜結(jié)果見(jiàn)圖3。

　　二、 對(duì)可樂(lè)的濾光特性測(cè)量

　　利用氙燈或溴鎢燈作為光源、直透式樣品倉(cāng)、兩面拋光比色皿和以光電倍增管為探測(cè)器的光柵單色儀進(jìn)行測(cè)試，將透射光和入射光光強(qiáng)比繪制成曲線，結(jié)果見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)表明可樂(lè)具備中心波長(zhǎng)640nm，帶寬164nm的帶通濾波效應(yīng)。如果用綠色激光照射可樂(lè)，綠色的激發(fā)光和紅色熒光均受損失，但由于可樂(lè)帶通濾波特性，對(duì)綠光的吸收明顯，而紅光透過(guò)顯著，所以僅管可樂(lè)的紅色熒光較弱，卻可以被明顯的觀察到。

　　三、激光與可樂(lè)作用深度對(duì)光譜的影響測(cè)試

　　如圖5布置光路，將可口可樂(lè)注入比色皿(四面拋光或兩面拋光均可)，由帶有螺旋測(cè)微計(jì)的特制加持裝置固定532nm半導(dǎo)體激光器，從比色皿上方豎直射入。比色皿拋光一側(cè)正對(duì)光柵單色儀，用于接收光譜，探測(cè)器還是采用光電倍增管。轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微計(jì)，改變激光與可樂(lè)的作用距離，不同作用距離的光譜測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5右側(cè)小圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明紅色的峰值向右側(cè)移動(dòng)，紅、綠光強(qiáng)度均減弱，但紅光減弱得慢。這里需要特別說(shuō)明的是，綠光減弱明顯并不是因?yàn)樯⑸?，因?yàn)闃悠窞樗芤?，處于米氏區(qū)，產(chǎn)生的散射與波長(zhǎng)關(guān)系不大，這顯然與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中光波強(qiáng)度衰減綠光與紅光差別很大相矛盾。

　　總結(jié)：該實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新之處在于利用一臺(tái)教學(xué)單色儀，搭配不同樣品倉(cāng)和光源可同時(shí)進(jìn)行傳統(tǒng)熒光實(shí)驗(yàn)和濾波實(shí)驗(yàn)。并在此基礎(chǔ)上，采用的特制微調(diào)夾持器定量分析熒光光譜隨激發(fā)光與熒光物質(zhì)作用距離的變化規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很多，還可以研究物質(zhì)濃度對(duì)熒光現(xiàn)象的影響，在添加示波器和斬波器后還可以進(jìn)行熒光壽命的測(cè)量。平臺(tái)的可開(kāi)發(fā)性，可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力;采用可口可樂(lè)這一物質(zhì)，不僅取材容易，成本較低，安全性高，還貼近了生活，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性。因此一定程度上優(yōu)化和豐富了已有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)裝置，是一個(gè)科學(xué)性、應(yīng)用性和趣味性很強(qiáng)的，可同時(shí)研究吸收譜、熒光譜和濾光特性的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　作品名稱：可樂(lè)光譜綜合教學(xué)平臺(tái)

　　完成單位:南開(kāi)大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中心