01 光譜分析

一、背景

光譜學(xué)，即研究物體如何發(fā)射和吸收光的學(xué)科，徹底改變了科學(xué)并改變了我們的世界?，F(xiàn)在大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)同此觀點(diǎn)。?

在化學(xué)中，光譜學(xué)被用來(lái)尋找新元素。時(shí)至今日，紅外光譜法仍在化學(xué)分析中被廣泛使用。?

在天文學(xué)中，光譜學(xué)使我們能夠弄清楚太陽(yáng)和恒星的組成元素，它是天文學(xué)家工具箱中功能最強(qiáng)的工具。?

物理學(xué)是光譜學(xué)產(chǎn)出成果最多的領(lǐng)域，光譜學(xué)直接導(dǎo)致了量子力學(xué)的發(fā)展。?所有這一切都始于兩位科學(xué)家的合作， 一位名叫古斯塔夫·基爾霍夫的物理學(xué)家， 他性格靦腆，個(gè)頭矮小；一位名叫羅伯特·本生化學(xué)家， 長(zhǎng)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(xué)物質(zhì)的光譜成分。?這其中有趣的故事， 然我們聽(tīng) Kathy 老師娓娓道來(lái)吧。

▲ 圖1.1.1 光譜學(xué)

二、本生燈

基爾霍夫和本生因一場(chǎng)重大歷史革命而相識(shí)， 嚴(yán)格意義上應(yīng)該是幾次連續(xù)發(fā)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(guó)的獎(jiǎng)學(xué)金，?因?yàn)樗诒究齐A段就在電學(xué)理論中做出了重大的貢獻(xiàn)， 是關(guān)于復(fù)雜電路如何遵循歐姆定律方面的內(nèi)容，這使得工程和物理專業(yè)的學(xué)生現(xiàn)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(kāi)始了“歐洲歷史上最大規(guī)模的革命浪潮”， 因此基爾霍夫只能到達(dá)柏林。? 他并沒(méi)有被社會(huì)動(dòng)蕩嚇倒，他通過(guò)說(shuō)服獲得了柏林大學(xué)的一個(gè)臨時(shí)職位，然后在布雷斯勞大學(xué)找到了一個(gè)職位，在那里他與來(lái)訪的化學(xué)家羅伯特·本生成為了好朋友。?

本生是一位著名的化學(xué)家，也是一個(gè)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(xiě)了一本書(shū)， 專門(mén)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(gè)女孩開(kāi)始居然同意了。然而在那之后，他過(guò)于專注于他的研究，以至于幾個(gè)星期都忘記了和他的未婚妻說(shuō)話， 也忘記了自己有沒(méi)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(jué)受到了侮辱，她改變了主意，立即將他趕出了家門(mén)。?

無(wú)論如何，1852 年，本生在海德堡大學(xué)獲得了化學(xué)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(xué)職位。幾年后，本生聽(tīng)說(shuō)大學(xué)所在城鎮(zhèn)將供應(yīng)煤氣。當(dāng)時(shí)無(wú)論是街道照明還是室內(nèi)照明都使用煤氣。?

然后本生與天然氣公司達(dá)成協(xié)議，白天為他的實(shí)驗(yàn)室供應(yīng)天然氣。本生發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)可用的煤氣燃燒器工作不穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生大量熱量。然后他著手制作一個(gè)更好的。?

到 1857 年發(fā)表了對(duì)本生燈的描述，這種設(shè)備至今仍在全世界的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用。?

本生認(rèn)為自己發(fā)明本生燈只是為了自己在工作中使用更加方便， 根本沒(méi)有想到使用這個(gè)發(fā)明謀取自己的利益， 覺(jué)得這樣做令人厭惡”，本生沒(méi)有想到為他的設(shè)備申請(qǐng)專利。

▲ 圖1.2.3 本生燈

三、化學(xué)光譜

??至此本生有了一個(gè)很好的熱源可以使用。作為一名化學(xué)家， 他決定系統(tǒng)地研究不同化學(xué)鹽在燃燒時(shí)產(chǎn)生的光。本生試圖通過(guò)彩色濾光片來(lái)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(jìn)展不順，基爾霍夫聽(tīng)罷感到很奇怪， 問(wèn)他為什么不直接使用三棱鏡。物理學(xué)家從牛頓時(shí)代就知道，棱鏡可以讓不同的顏色光線發(fā)生不同的折射，由此形成彩虹般的光譜。? 然而，當(dāng)他們用棱鏡觀察加熱低密度氣體時(shí)，他們并沒(méi)有看到彩虹。事實(shí)上，這些氣體會(huì)形成特定頻率的尖銳條帶，稱為譜線。請(qǐng)注意，他們雖然看到了光譜，但他們并不是第一個(gè)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(yáng)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(dòng)的機(jī)械臂，這樣就可以系統(tǒng)地研究不同元素產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)。? 他們很快發(fā)現(xiàn)每個(gè)元素都有自己獨(dú)特的光譜指紋。? 這其中的原理是什么呢？原來(lái)，氣體中的電子被束縛在原子核上，只能存在于特定的能級(jí)。當(dāng)它們被加熱時(shí)，電子會(huì)躍升能級(jí)。然后當(dāng)它們回落時(shí)，它們會(huì)釋放出一個(gè)光子，其能量和顏色取決于能級(jí)的變化。?

不同的元素具有不同的能級(jí)。所以它們會(huì)產(chǎn)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(yuǎn)鏡零件、一個(gè)棱鏡，當(dāng)然還有一個(gè)本生燈， 利用這些部件制造了他們的第一臺(tái)分光鏡。盡管很粗糙，但這是一個(gè)非常靈敏的設(shè)備。?本生發(fā)現(xiàn) “化學(xué)產(chǎn)生的光譜不是單一的，包含著非常多的細(xì)節(jié)， 利用這些光譜細(xì)節(jié)分析化學(xué)成分非常靈敏?！?/p>

▲ 圖1.3.2 第一臺(tái)光譜儀

??例如，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)只有百萬(wàn)分之一的鈉懸浮在煙霧中時(shí)，他們就能看到鈉的譜線。他們還發(fā)現(xiàn)通過(guò)燃燒化合物，并從產(chǎn)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(fā)現(xiàn)了一些與任何已知化學(xué)物質(zhì)都不同的光譜譜線。?通過(guò)這種方法他們發(fā)現(xiàn)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(fā)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(shù)加熱的液體、固體和等離子氣體一樣，會(huì)產(chǎn)生基本上連續(xù)的光譜。?因此，將燈的光線通過(guò)加熱鈉鹽蒸汽的情況下，他預(yù)計(jì)會(huì)看到一條彩虹，其中有兩條來(lái)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(yīng)該出現(xiàn)的地方。令人興奮的是，這條帶有黑色條紋的彩虹看起來(lái)就像陽(yáng)光光譜中的暗線。?

▲ 圖1.4.1 鈉的吸收光譜

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

▲ 圖1.4.2 太陽(yáng)光譜上的吸收光譜

??這里稍微解釋一下太陽(yáng)光譜中的暗線的原理，因?yàn)檫@既令人驚奇又有點(diǎn)復(fù)雜。太陽(yáng)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(lái)并自由移動(dòng)。? 因此，太陽(yáng)中的電子會(huì)產(chǎn)生連續(xù)光譜的光。然而，太陽(yáng)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?nèi)匀环浅幔瑹岬竭B金屬都以氣體形式存在。? 由于這些氣體比太陽(yáng)溫度低，因此它們吸收的輻射比產(chǎn)生的輻射多。所以太陽(yáng)大氣中的氣體元素會(huì)在陽(yáng)光下留下光譜指紋的影子。?

??通過(guò)研究地球上的光譜指紋并將其與太陽(yáng)光的光譜陰影進(jìn)行比較，基爾霍夫找到了一種確定太陽(yáng)由什么組成的方法。很快，基爾霍夫和本生在太陽(yáng)譜線中發(fā)現(xiàn)了許多不同的元素。請(qǐng)注意，太陽(yáng)中雖然存在著氦元素， 但當(dāng)時(shí)人們還沒(méi)有在地球上發(fā)現(xiàn)氦氣，?所以本生和基爾霍夫并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氦。后來(lái)人們?cè)诖_認(rèn)太陽(yáng)光譜中的氦元素的譜線， 這就是為什么氦以希臘太陽(yáng)神赫利俄斯的名字命名的原因。

五、太陽(yáng)上的黃金

??有趣的是基爾霍夫和本生在太陽(yáng)中發(fā)現(xiàn)了微量的黃金。這是真的！太陽(yáng)的大約十億分之一的百分之六十是由金氣構(gòu)成的，但由于太陽(yáng)如此之大，太陽(yáng)中的金含量與地球海洋中的水一樣多?；鶢柣舴蛳矚g將這個(gè)發(fā)現(xiàn)給當(dāng)?shù)氐你y行家講述， 但銀行家對(duì)此不以為然。雖然你能看到太陽(yáng)，也知道那里有黃金，但無(wú)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(xiàng)工作獲獎(jiǎng)， 他樂(lè)滋滋的告訴那位銀行家：“你瞧，我終于成功地從太陽(yáng)中提取了一些黃金。”?

??到此為止， 本生和基爾霍夫他們關(guān)于光譜的研究還沒(méi)有結(jié)束。1860 年，基爾霍夫?qū)懥艘黄P(guān)于光的發(fā)射和吸收的理論物理學(xué)論文。? 在這篇論文中，基爾霍夫設(shè)想了一個(gè)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(jiǎn)稱黑體。如果它吸收所有入射光，那么從黑體發(fā)出的任何光都將來(lái)自被加熱的物質(zhì)本身，基爾霍夫理論上預(yù)測(cè)發(fā)射光的能量?jī)H取決于物質(zhì)的溫度和觀察光譜的頻率 . 基爾霍夫沒(méi)有得到它們之間函數(shù)關(guān)系的理論形式，但他覺(jué)得“確定這個(gè)函數(shù)非常重要”。? 因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題所涉及到物理變量比較簡(jiǎn)單， 因此所得到的函數(shù)形式也不復(fù)雜， 基爾霍夫認(rèn)為應(yīng)該能比較容易得到這個(gè)函數(shù)。?通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)獲得這個(gè)函數(shù)相對(duì)比較容易， 但找到其背后的理論分析卻非常困難。事實(shí)上，解開(kāi)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