太阳光谱研究与新元素的发现

太阳光谱研究与新元素的发现有史以来，人们就与光结下了不解之缘。在同光的接触中，人类不断地对光进行观察，认识了形形色色的光现象，积累了丰富的光学知识、而开始对光的本质进行研究的，要算最伟大的天才牛顿了。1665年到1666年间，由于受到波义耳（1627—1691）光的色彩著作的影响，牛顿（1642—1727）做了惊人的光学实验、他用三棱镜来研究太阳光，使白光分解成以熟悉的彩虹顺序排列的彩色光带。这一事实证明，白光是多种单色光的复合。“光谱”一词也由此诞生了。按常理，牛顿在研究太阳光谱时，无可怀疑地应该看到有几条谱线。但他却忽略了。这恰恰是极其重要的东西，一个半世纪之后，才被沃拉斯顿（1766一1828）和夫朗和费（1787一1826）发现和研究。沃拉斯顿年轻时曾在剑桥完成学业，1793年在卡文迪许（1731～1810）和赫歇耳（1738一1822）两人的推荐下被选为皇家学会会员，1806年任该学会秘书，1820年继任皇家学会主席，后来成为科学界功勋卓著的元老。1802年沃拉斯顿在研究太阳光谱时第一个注意到七条横越光谱的阴影线。从某种意义上讲，他比牛顿更粗心，沃拉斯顿认为，它们不过是光谱上各色区域之间的自然分界线而已。德国出生的物理学家夫琅和费年青时曾在慕尼黑的一个光学技师那里学徒，他改进了多种光学仪器，磨制出优质棱镜，夫琅和费在测试用他的玻璃造出的棱镜时，于1814年发现太阳光谱中有许多暗线。他并不知道沃拉斯顿曾发现过。而夫难和费探测到将近600条，并测量出比较明显的进线的位置，给他们分别标以A、B、C、D、E……K等字母来称呼这些暗线，测定了它们的波长。还进一步指出，不管所研究的光线是直接来自太阳的，还是月球和行星的反射光，其光线的暗线总是出现在光谱的同一部位上。最后，他给出了几百条谱线的位置，总称为夫琅和费谱线。他还将一个棱镜置于望远镜的焦点位置上，以便让恒星的光通过它色散。他观察到恒星光谱中的暗线与太阳光谱中的暗线的样式并不完全相同。对他来说，一项伟大的发现已近在咫尺。但是，这项伟大的发现还是躲闪过他，也躲过了整个科学界，他的报导并未引起学界术的重视，历史的责任最终落在后来者的身上。毕业于德国柯尼斯堡大学的物理学家基尔霍夫（1824一1887），早年曾在电学研究上卓有成就，1854年开始与著名的化学家本生（1811—1899）共事。事实证明，这是有史以来最为幸运的合作。本生对光化学感兴趣，1855年他首先研制出一种喷灯（后来称为本生灯）而闻名于世。他通过这种灯和滤色镜来进行光学研究。对事物反应敏捷并富有洞察力的年青合作者基尔霍夫，马上意识到应该用棱镜做这项工作。一经使用棱镜，伟大的发明降落在这位幸运者身上，人类的第一架分光镜诞生了。分光镜的使用，给人类科学带来了新时代。基尔霍夫很快意识到：每种化学元素在加热到白炽状态时都会产生自己的特定谱线。比如，白炽的钠蒸汽便产生两道黄色谱线，这些元素发光都具有自身的特征，我们就可以借助于这一特征来判断某种矿物的化学组成，这就是光谱分析。随着研究的不断深入，基尔霍夫清楚地认识到，这是一种行之有效的方法。因而他于1859年10月27日公开发表了这一成果。利用一条谱线就能鉴别出某种物质来，开始化学家们觉得不可思议，但随着时间的推移，接二连三的事实无可驳辨地证明了这一点。基尔霍夫和本生开始用这种方法对矿物选行分析，他们发现了矿物发射的光谱中有着已知元素所没有的明显的“天蓝色”谱线，因而非常自信地断言：这是至今不为人所知的新元索发出来的。1860年5月10日，他们公布了这一发现，并把此新元素称为“铯”。现在证明，这是。一种极为有用的元素，它是光电池的材料，并用于原了钟。不到一年，又发现了第二种元素“铷”。至此以后，基尔霍夫对钠光谱进行了更详尽的研究，他发现了钠元素在发光时发出的亮双线正好处于太阳光谱中夫琅和费称为D线的暗线位置上。他使阳光和钠蒸气发出的光照过同一道缝隙想使阳光的暗线和钠光的亮线互相补偿，最终反而变得更暗了。这一事实使他极为震惊，由此立即得出结论：“当光通过一种气体时，光中所含的这种气体在白炽时发出的那些波长的成份则被吸收。”后来把此称为基尔霍夫定律。基尔霍夫进一步断言：阳光中在钠光应置上出现暗线的原因是由于阳光在到达地球途中通过了钠蒸气，而钠蒸气唯一能够存在的地方是在太阳四周的大气层里。这就证明：太阳上有钠元素存在。基尔霍夫和本生的工作震惊了科学界，其中不但有物理学家和化学家，而更主要的是大文学家。不少天文家立即用此方法来研究天体的组成，并给天文学带来了革命。英国大文学家哈金斯，年青时对显微术很感兴趣，到1856年他在伦敦附近造了一个私人大文台，与妾于起在那儿研究天象。他对大文学的兴趣压倒一切，他是首先掌握了基尔霍夫提出的光谱学思想的若干人之一，也是将它充分应用于大文学研究的一位先驱者。他研究大空中所有大体的光谱，并于1863年得山结论：存在于地球上的元素同样也存在于大体上。1864年哈金斯证明，诸如猎户座大星云那样的亮星云，是由发光气体构成的。1866年，他又研究了一颗新星的光谱，并证明此新星被氢气所包围。这一结论是对亚里士多德天体是由“以太”组成的传统观点极为深刻的否定。与此同时，还有另一些天文学家倡导用这种方法对太阳光谱作进一步的研究。英国天文学家文洛克斯（1536—1920）对太阳极感趣，他是第一个研究太阳黑光谱的人。法国天文学家让桑在观察太阳光谱时，又发现了一条新的谱线。他把复印好的报导寄给了这位当时公认的太阳光谱专家。洛克斯把报导的诺线位置和己知元素的谱线加以比较，断定它是一种迄今未知的元素，把它命名为氦（拉丁语意指来自太阳的），它存在于太阳周围的大气中，1895年，W·拉姆开（1852一1916）在含铀矿物中发现了地球上的氦。1881年，洛克斯在研究光谱时宣布，实验室里产生的某些谱线当元素受高温时就变宽。天体谱线也有这些奇特的现象．有些人把它归咎于新元素，而洛克斯坚信，它可能是极高的温度下原子分解成更简单的物质最终导致了谱线变宽的原因，他大胆地否定了原子不可再分的这个古老的问题。二十年后，原子物理学和量子论的发展更进一步地证明原子是有内部结构的，使洛克斯的断言得到了证实。回顾光谱学发展的历程．使我们清楚的历程，它的研究范围远远地超出了地球。通过光谱学，人们能够用简单易行的办法来了解宇宙上的所有天体的化学组成．特别是太阳光谱分所，人们对它已有了更深刻的认识，科学家们现在已观察到太阳光谱中有一万之多的吸收谱线，并借助于这些谱线以发现了太阳中含63种元素和11种分子，这就是光谱学的硕果。