从火灾中认识太阳光谱

从火灾中认识太阳光谱

1850年，德国化学家本生发明了一种煤气灯，化学家们称它本生灯。由于本生灯几乎是无色的，很受化学家的欢迎。

他们用本生灯炙烧试剂，可以方便地观察到，燃烧的物质不同，火焰的颜色也不相同，从而能分析试剂的成分。例如，用本生灯烧铜时，火焰呈蓝绿色；烧食盐、芒硝和金属钠时，火焰呈黄色；烧钾及其化合物时，火焰呈紫色。可是，用它烧几种物质的混合物时，火焰就分不清是什么颜色了。这个美中不足使本生感到苦恼。

1851年，本生结识了年轻的物理学家基尔霍夫，并且很快成了莫逆之交。基尔霍夫当时只有27岁。

本生像

一天，本生和基尔霍夫在一起散步，本生把自己的“苦恼”告诉了基尔霍夫。听了本生的话以后，基尔霍夫立刻想起了牛顿通过三棱镜把阳光分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续光谱的实验，想起了夫琅和费发现太阳光里有暗线光谱。

他对本生说：“从物理学的角度来看，我认为应当换一个方法试试。那就是不直接观察火焰的颜色，而应该去观察火焰的光谱，这就可以把各种颜色清清楚楚地区别开了。”

本生采纳了基尔霍夫的意见，并且两人合作实验。他们装置了一架简单，但比夫琅和费分光镜更完善、产生的光谱更清晰的分光镜。用这种仪器观察在本生灯上燃烧的氯化钠、钾盐、锂盐、锶盐等物质的火焰时，分别看到了氯化钠有2条明显的黄线，钾盐有1条紫线，锂盐有1条明亮的红线，锶盐有1条清楚的蓝线。真是五彩缤纷，各有所主。

然后，他们又将这些盐混合在一起燃烧，这时，黄、紫、红和蓝等线条清清楚楚显示出来了。

令本生“苦恼”的问题解决了，科学事业向前迈进了一步，两位科学家高兴极了。本生和基尔霍夫运用的方法叫做光谱分析法。这种方法证明：每一种化学元素不仅有一种特有的线条，而且它们在光谱上的位置是固定不变的。利用光谱分析法，我们就能确定星球上含有什么成分。

一天，两位科学家所在的曼海姆城发生了一场大火。这场火把光谱分析法引向了太阳在古老的大学城海德堡西面16千米的地方，有一座热闹的港口城市，它的名字叫曼海姆。1859年的一个夜晚，曼海姆失火了，火光冲天，周围的夜空被熊熊的大火照得通明。

本生和基尔霍夫在实验室里向外眺望时，看到了这场大火。两位科学家好奇地用分光镜观察这片火海。这一看获得一项新发现：他们在曼海姆的烈火中看到钡和锶的光谱。

这一发现在本生头脑中久久萦绕。一次在郊外散步的时候，他突然想到，既然可以用分光镜来分析曼海姆的火光，为什么不能用它来探测太阳呢？

本生首先分析了在油灯光、酒精灯光和蜡烛光中都有的1对黄线。这对谱线在自然界中分布得很普遍，稍不留心就会受到“污染”。本生是个细心的实验专家，他把本生灯清洗得干干净净，才做实验。经过一系列实验，他弄清了夫琅和费发现的这对黄线是受热的钠原子。

接着，基尔霍夫研究太阳光中的这对黄线。他让一束太阳光穿过发出黄色钠光的本生灯火焰。他以为如果太阳光中一对黄线是钠原子形成的，那么这一亮一暗的谱线就会重叠抵消。然而观察到的现象使他很惊异：加入钠的火焰后，黄线更暗了。

第二天，他用氢氧焰点燃石灰棒代替太阳作光源，重做昨天实验时，并没有出现暗线。这是怎么回事？经过分析，他发现产生钠焰的本生灯温度太高了，于是他把本生灯换成酒精灯，用酒精灯制造钠焰再做实验时，实验果然成功了。

他成功地观测到了同太阳光谱上完全一致的暗的黄线。由此，基尔霍夫悟出了一个道理：太阳内部温度很高，发出的光谱是连续光谱，太阳外部温度较低，在这里有什么元素，就会把连续光谱中相应元素的谱线吸收掉而出现暗线，例如在太阳外部如果有钠元素，就会在太阳光谱中1对黄线位置上出现暗线。

于是，在1859年秋天，基尔霍夫提出2条著名的定律：

（1）每一种化学元素都有自己的光谱；

（2）每一种元素都可以吸收它能够发射的谱线。

从1860年起，基尔霍夫和本生开始精心测量元素的谱线波长，并把它们同太阳光谱进行对照。第二年，他们就在太阳光中找到了氢、钠、钙、镁、铬、镍、铜、锌、钡等元素。太阳上有的化学元素地球上都有，这表明它们有同样的起源。

看，火灾对人类认识太阳起到了多么重要的作用啊！光是什么？从牛顿开始，许多科学家探索过这个问题，牛顿认为光是一种微粒，一束光就是一串小粒子，像连珠炮似的从光源射出。而惠更斯则认为光是一种波，像水面上荡漾的波浪，一起一伏地传播。这两种针锋相对的观点，经过长期的争论，谁也说服不了谁。

19世纪，在光学研究上有所突破，这主要是发现了光的干涉（两束光互相作用，产生明暗相间的条纹）、衍射（光线不是沿直线而是绕圈子前进）和偏振（光波有一定的振动方向）。这些发现雄辩地证明光是波动的。相反，光的微粒说则无法解释这些实验事实。这个时候，波动说占了上风。

但是1887年赫兹又发现了新的现象：用紫外线照射在电压很高的极板上，就能使极板间发生火花放电。1888年，斯托列托夫重做赫兹实验时，进一步发现，在电压不高的情况下，用紫外线照在带负电的极板上，也能使极板失去电荷。这种受到射线照射而产生或失去电荷的现象，叫做光电效应。

光电效应证明微粒说是正确的，而波动说却无法解释它。1905年，物理学家爱因斯坦提出了光的量子理论，他认为物质的原子和分子发射和吸收的光并不是连续的波，而是由特殊的物质组成的一个个的微粒。这种物质微粒称作光子。

经过反复研究，大多数的人已经认识到，光同时具有波动和微粒两种性质。按照它传播的方式，它是一种波，是电磁波这个大家庭中的一个成员；按照它输送能量的方式，它是一颗颗光子。

太阳光也是一个大家庭。眼睛能看见的光叫可见光。可见光是这个家庭的一部分成员。除可见光外，太阳还发射看不见的光线，其中波长比可见光长的有红外光和无线电波；波长比可见光短的有紫外线、X射线和γ射线等。

赫　兹