01 光譜分析

一、背景

光譜學，即研究物體如何發射和吸收光的學科，徹底改變了科學并改變了我們的世界。現在大多數科學家都認同此觀點。?

在化學中，光譜學被用來尋找新元素。時至今日，紅外光譜法仍在化學分析中被廣泛使用。?

在天文學中，光譜學使我們能夠弄清楚太陽和恒星的組成元素，它是天文學家工具箱中功能最強的工具。?

物理學是光譜學產出成果最多的領域，光譜學直接導致了量子力學的發展。?所有這一切都始于兩位科學家的合作， 一位名叫古斯塔夫·基爾霍夫的物理學家， 他性格靦腆，個頭矮小；一位名叫羅伯特·本生化學家， 長得身高馬大， 但性格古怪。? 基爾霍夫建議本生 使用棱鏡分析化學物質的光譜成分。?這其中有趣的故事， 然我們聽 Kathy 老師娓娓道來吧。

▲ 圖1.1.1 光譜學

二、本生燈

基爾霍夫和本生因一場重大歷史革命而相識， 嚴格意義上應該是幾次連續發生的革命。1848 年，年輕的古斯塔夫·基爾霍夫 獲得了從普魯士前往法國的獎學金，?因為他在本科階段就在電學理論中做出了重大的貢獻， 是關于復雜電路如何遵循歐姆定律方面的內容，這使得工程和物理專業的學生現如今仍然在使用以他的名字命名的電路定理。?

然而，1848 年的夏天開始了“歐洲歷史上最大規模的革命浪潮”， 因此基爾霍夫只能到達柏林。? 他并沒有被社會動蕩嚇倒，他通過說服獲得了柏林大學的一個臨時職位，然后在布雷斯勞大學找到了一個職位，在那里他與來訪的化學家羅伯特·本生成為了好朋友。?

本生是一位著名的化學家，也是一個性情古怪的人物， 他有趣的怪癖盡人皆知，以至于他的朋友們寫了一本書， 專門講述他的幽默故事。?

例如，本生一生都是單身漢，但相傳他曾向一位女子求婚，那個女孩開始居然同意了。然而在那之后，他過于專注于他的研究，以至于幾個星期都忘記了和他的未婚妻說話， 也忘記了自己有沒有求婚。性格古怪的他只好去找那位小姐姐再次求婚。這一下徹底將女孩惹惱了，感覺受到了侮辱，她改變了主意，立即將他趕出了家門。?

無論如何，1852 年，本生在海德堡大學獲得了化學職位，并利用他的影響力讓基爾霍夫也在那里獲得了物理學職位。幾年后，本生聽說大學所在城鎮將供應煤氣。當時無論是街道照明還是室內照明都使用煤氣。?

然后本生與天然氣公司達成協議，白天為他的實驗室供應天然氣。本生發現當時可用的煤氣燃燒器工作不穩定，不會產生大量熱量。然后他著手制作一個更好的。?

到 1857 年發表了對本生燈的描述，這種設備至今仍在全世界的化學實驗室中使用。?

本生認為自己發明本生燈只是為了自己在工作中使用更加方便， 根本沒有想到使用這個發明謀取自己的利益， 覺得這樣做令人厭惡”，本生沒有想到為他的設備申請專利。

▲ 圖1.2.3 本生燈

三、化學光譜

??至此本生有了一個很好的熱源可以使用。作為一名化學家， 他決定系統地研究不同化學鹽在燃燒時產生的光。本生試圖通過彩色濾光片來確定顏色種類，但效果不佳。?

??1859 年夏天的一天，他向基爾霍夫抱怨工作進展不順，基爾霍夫聽罷感到很奇怪， 問他為什么不直接使用三棱鏡。物理學家從牛頓時代就知道，棱鏡可以讓不同的顏色光線發生不同的折射，由此形成彩虹般的光譜。? 然而，當他們用棱鏡觀察加熱低密度氣體時，他們并沒有看到彩虹。事實上，這些氣體會形成特定頻率的尖銳條帶，稱為譜線。請注意，他們雖然看到了光譜，但他們并不是第一個使用棱鏡研究光譜的人， 早在他們之前就有人利用棱鏡研究了太陽的光譜。

▲ 圖1.3.1 三棱鏡分析光譜

??與前人不同的是，基爾霍夫提議他們使用可移動的機械臂，這樣就可以系統地研究不同元素產生的光譜數據。? 他們很快發現每個元素都有自己獨特的光譜指紋。? 這其中的原理是什么呢？原來，氣體中的電子被束縛在原子核上，只能存在于特定的能級。當它們被加熱時，電子會躍升能級。然后當它們回落時，它們會釋放出一個光子，其能量和顏色取決于能級的變化。?

不同的元素具有不同的能級。所以它們會產生不同的光帶。? 本生和基爾霍夫用舊雪茄煙包裝盒、一些望遠鏡零件、一個棱鏡，當然還有一個本生燈， 利用這些部件制造了他們的第一臺分光鏡。盡管很粗糙，但這是一個非常靈敏的設備。?本生發現 “化學產生的光譜不是單一的，包含著非常多的細節， 利用這些光譜細節分析化學成分非常靈敏。”

▲ 圖1.3.2 第一臺光譜儀

??例如，他們發現，當只有百萬分之一的鈉懸浮在煙霧中時，他們就能看到鈉的譜線。他們還發現通過燃燒化合物，并從產生的光譜譜線中確定化合物的成分。本生和基爾霍夫燃燒了一些化合物，發現了一些與任何已知化學物質都不同的光譜譜線。?通過這種方法他們發現了兩種未知元素， 分別是銣元素和銫元素。

四、吸收光譜

??這還不是全部，在 10 月份，基爾霍夫正在研究鈉的光譜，突發奇想，決定添加一盞明亮的燈。? 基爾霍夫知道，他的燈與大多數加熱的液體、固體和等離子氣體一樣，會產生基本上連續的光譜。?因此，將燈的光線通過加熱鈉鹽蒸汽的情況下，他預計會看到一條彩虹，其中有兩條來自鈉的額外 亮黃色線條。? 但令基爾霍夫震驚的是，他看到了一條彩虹，在黃色中有兩條黑色條紋，?恰好在亮線應該出現的地方。令人興奮的是，這條帶有黑色條紋的彩虹看起來就像陽光光譜中的暗線。?

▲ 圖1.4.1 鈉的吸收光譜

??我們所看到的陽光實際上并不是連續的光譜，如果你用一個非常好的棱鏡和顯微鏡研究它，你會看到它里面有小的暗條。陽光有暗條這一事實于 1802 年首次被發現，在12 年后，德國玻璃制造商約瑟夫·弗勞恩霍夫數出陽光下有 570 多條暗線， 他因這個發現而聞名于世。? 因此，基爾霍夫意識到他正在用燈光和鈉鹽，重現了日光中的夫瑯和費線。基爾霍夫似乎立刻就明白了，陽光黃色部分中的譜線陰影一定是由于太陽上的鈉氣造成的。

▲ 圖1.4.2 太陽光譜上的吸收光譜

??這里稍微解釋一下太陽光譜中的暗線的原理，因為這既令人驚奇又有點復雜。太陽表面是由一種熾熱的等離子體組成，其中的元素如此致密和熾熱，以至于電子從原子中脫離出來并自由移動。? 因此，太陽中的電子會產生連續光譜的光。然而，太陽的大氣層溫度比較低，元素以氣體形式而不是等離子體形式存在，盡管它們仍然非常熱，熱到連金屬都以氣體形式存在。? 由于這些氣體比太陽溫度低，因此它們吸收的輻射比產生的輻射多。所以太陽大氣中的氣體元素會在陽光下留下光譜指紋的影子。?

??通過研究地球上的光譜指紋并將其與太陽光的光譜陰影進行比較，基爾霍夫找到了一種確定太陽由什么組成的方法。很快，基爾霍夫和本生在太陽譜線中發現了許多不同的元素。請注意，太陽中雖然存在著氦元素， 但當時人們還沒有在地球上發現氦氣，?所以本生和基爾霍夫并沒有發現氦。后來人們在確認太陽光譜中的氦元素的譜線， 這就是為什么氦以希臘太陽神赫利俄斯的名字命名的原因。

五、太陽上的黃金

??有趣的是基爾霍夫和本生在太陽中發現了微量的黃金。這是真的！太陽的大約十億分之一的百分之六十是由金氣構成的，但由于太陽如此之大，太陽中的金含量與地球海洋中的水一樣多。基爾霍夫喜歡將這個發現給當地的銀行家講述， 但銀行家對此不以為然。雖然你能看到太陽，也知道那里有黃金，但無法將黃金帶到地球并存入他的銀行。? 不久之后，基爾霍夫因這項工作獲獎， 他樂滋滋的告訴那位銀行家：“你瞧，我終于成功地從太陽中提取了一些黃金。”?

??到此為止， 本生和基爾霍夫他們關于光譜的研究還沒有結束。1860 年，基爾霍夫寫了一篇關于光的發射和吸收的理論物理學論文。? 在這篇論文中，基爾霍夫設想了一個完美的物體，? 它可以完全吸收所有入射光線，基爾霍夫稱之為完全黑體， 簡稱黑體。如果它吸收所有入射光，那么從黑體發出的任何光都將來自被加熱的物質本身，基爾霍夫理論上預測發射光的能量僅取決于物質的溫度和觀察光譜的頻率 . 基爾霍夫沒有得到它們之間函數關系的理論形式，但他覺得“確定這個函數非常重要”。? 因為這個問題所涉及到物理變量比較簡單， 因此所得到的函數形式也不復雜， 基爾霍夫認為應該能比較容易得到這個函數。?通過物理實驗測量數據獲得這個函數相對比較容易， 但找到其背后的理論分析卻非常困難。事實上，解開黑體輻射之謎人類用了 40 年。

▲ 圖1.5.2 黑體輻射

審核編輯：劉清