光谱分析技术是如何改变了 天文学、化学以及物理学的？
- Kathy老师讲述的有趣科学历史
- Spectroscopy Transformed Astronomy, Chemistry & Physics
光谱学的诞生
01 光谱分析
一、背景
光谱学，即研究物体如何发射和吸收光的学科，彻底改变了科学并改变了我们的世界。 现在大多数科学家都认同此观点。 在化学中，光谱学被用来寻找新元素。 时至今日，红外光谱法仍在化学分析中被广泛使用。 在天文学中，光谱学使我们能够弄清楚太阳和恒星的组成元素，它是天文学家工具箱中功能最强的工具。 物理学是光谱学产出成果最多的领域，光谱学直接导致了量子力学的发展。 所有这一切都始于两位科学家的合作， 一位名叫古斯塔夫·基尔霍夫的物理学家， 他性格腼腆，个头矮小； 一位名叫罗伯特·本生化学家， 长得身高马大， 但性格古怪。 基尔霍夫建议本生 使用棱镜分析化学物质的光谱成分。 这其中有趣的故事， 然我们听 Kathy 老师娓娓道来吧。
▲ 图1.1.1 光谱学
二、本生灯
基尔霍夫和本生因一场重大历史革命而相识， 严格意义上应该是几次连续发生的革命。 1848 年，年轻的古斯塔夫·基尔霍夫 获得了从普鲁士前往法国的奖学金， 因为他在本科阶段就在电学理论中做出了重大的贡献， 是关于复杂电路如何遵循欧姆定律方面的内容，这使得工程和物理专业的学生现如今仍然在使用以他的名字命名的电路定理。 然而，1848 年的夏天开始了“欧洲历史上最大规模的革命浪潮”， 因此基尔霍夫只能到达柏林。 他并没有被社会动荡吓倒，他通过说服获得了柏林大学的一个临时职位，然后在布雷斯劳大学找到了一个职位，在那里他与来访的化学家罗伯特·本生成为了好朋友。
▲ 图1.2.1 本生与基尔霍夫
本生是一位著名的化学家，也是一个性情古怪的人物， 他有趣的怪癖尽人皆知，以至于他的朋友们写了一本书， 专门讲述他的幽默故事。 例如，本生一生都是单身汉，但相传他曾向一位女子求婚，那个女孩开始居然同意了。 然而在那之后，他过于专注于他的研究，以至于几个星期都忘记了和他的未婚妻说话， 也忘记了自己有没有求婚。 性格古怪的他只好去找那位小姐姐再次求婚。 这一下彻底将女孩惹恼了，感觉受到了侮辱，她改变了主意，立即将他赶出了家门。
▲ 图1.2.2 罗伯特·本生
无论如何，1852 年，本生在海德堡大学获得了化学职位，并利用他的影响力让基尔霍夫也在那里获得了物理学职位。 几年后，本生听说大学所在城镇将供应煤气。 当时无论是街道照明还是室内照明都使用煤气。 然后本生与天然气公司达成协议，白天为他的实验室供应天然气。 本生发现当时可用的煤气燃烧器工作不稳定，不会产生大量热量。 然后他着手制作一个更好的。 到 1857 年发表了对本生灯的描述，这种设备至今仍在全世界的化学实验室中使用。 本生认为自己发明本生灯只是为了自己在工作中使用更加方便， 根本没有想到使用这个发明谋取自己的利益， 觉得这样做令人厌恶”，本生没有想到为他的设备申请专利。
▲ 图1.2.3 本生灯
三、化学光谱
至此本生有了一个很好的热源可以使用。 作为一名化学家， 他决定系统地研究不同化学盐在燃烧时产生的光。 本生试图通过彩色滤光片来确定颜色种类，但效果不佳。
1859 年夏天的一天，他向基尔霍夫抱怨工作进展不顺，基尔霍夫听罢感到很奇怪， 问他为什么不直接使用三棱镜。 物理学家从牛顿时代就知道，棱镜可以让不同的颜色光线发生不同的折射，由此形成彩虹般的光谱。 然而，当他们用棱镜观察加热低密度气体时，他们并没有看到彩虹。 事实上，这些气体会形成特定频率的尖锐条带，称为谱线。 请注意，他们虽然看到了光谱，但他们并不是第一个使用棱镜研究光谱的人， 早在他们之前就有人利用棱镜研究了太阳的光谱。
▲ 图1.3.1 三棱镜分析光谱
与前人不同的是，基尔霍夫提议他们使用可移动的机械臂，这样就可以系统地研究不同元素产生的光谱数据。 他们很快发现每个元素都有自己独特的光谱指纹。 这其中的原理是什么呢？ 原来，气体中的电子被束缚在原子核上，只能存在于特定的能级。 当它们被加热时，电子会跃升能级。 然后当它们回落时，它们会释放出一个光子，其能量和颜色取决于能级的变化。 不同的元素具有不同的能级。所以它们会产生不同的光带。 本生和基尔霍夫用旧雪茄烟包装盒、一些望远镜零件、一个棱镜，当然还有一个本生灯， 利用这些部件制造了他们的第一台分光镜。 尽管很粗糙，但这是一个非常灵敏的设备。 本生发现 “化学产生的光谱不是单一的，包含着非常多的细节， 利用这些光谱细节分析化学成分非常灵敏。”
▲ 图1.3.2 第一台光谱仪
例如，他们发现，当只有百万分之一的钠悬浮在烟雾中时，他们就能看到钠的谱线。 他们还发现通过燃烧化合物，并从产生的光谱谱线中确定化合物的成分。 本生和基尔霍夫燃烧了一些化合物，发现了一些与任何已知化学物质都不同的光谱谱线。 通过这种方法他们发现了两种未知元素， 分别是铷元素和铯元素。
▲ 图1.3.3 对比化学光谱
四、吸收光谱
这还不是全部，在 10 月份，基尔霍夫正在研究钠的光谱，突发奇想，决定添加一盏明亮的灯。 基尔霍夫知道，他的灯与大多数加热的液体、固体和等离子气体一样，会产生基本上连续的光谱。 因此，将灯的光线通过加热钠盐蒸汽的情况下，他预计会看到一条彩虹，其中有两条来自钠的额外 亮黄色线条。 但令基尔霍夫震惊的是，他看到了一条彩虹，在黄色中有两条黑色条纹， 恰好在亮线应该出现的地方。 令人兴奋的是，这条带有黑色条纹的彩虹看起来就像阳光光谱中的暗线。
▲ 图1.4.1 钠的吸收光谱
我们所看到的阳光实际上并不是连续的光谱，如果你用一个非常好的棱镜和显微镜研究它，你会看到它里面有小的暗条。 阳光有暗条这一事实于 1802 年首次被发现，在12 年后，德国玻璃制造商约瑟夫·弗劳恩霍夫数出阳光下有 570 多条暗线， 他因这个发现而闻名于世。 因此，基尔霍夫意识到他正在用灯光和钠盐，重现了日光中的夫琅和费线。基尔霍夫似乎立刻就明白了，阳光黄色部分中的谱线阴影一定是由于太阳上的钠气造成的。
▲ 图1.4.2 太阳光谱上的吸收光谱
这里稍微解释一下太阳光谱中的暗线的原理，因为这既令人惊奇又有点复杂。 太阳表面是由一种炽热的等离子体组成，其中的元素如此致密和炽热，以至于电子从原子中脱离出来并自由移动。 因此，太阳中的电子会产生连续光谱的光。 然而，太阳的大气层温度比较低，元素以气体形式而不是等离子体形式存在，尽管它们仍然非常热，热到连金属都以气体形式存在。 由于这些气体比太阳温度低，因此它们吸收的辐射比产生的辐射多。 所以太阳大气中的气体元素会在阳光下留下光谱指纹的影子。
▲ 图1.4.3 太阳中的氦元素
通过研究地球上的光谱指纹并将其与太阳光的光谱阴影进行比较，基尔霍夫找到了一种确定太阳由什么组成的方法。 很快，基尔霍夫和本生在太阳谱线中发现了许多不同的元素。 请注意，太阳中虽然存在着氦元素， 但当时人们还没有在地球上发现氦气， 所以本生和基尔霍夫并没有发现氦。 后来人们在确认太阳光谱中的氦元素的谱线， 这就是为什么氦以希腊太阳神赫利俄斯的名字命名的原因。
五、太阳上的黄金
有趣的是基尔霍夫和本生在太阳中发现了微量的黄金。 这是真的！ 太阳的大约十亿分之一的百分之六十是由金气构成的，但由于太阳如此之大，太阳中的金含量与地球海洋中的水一样多。 基尔霍夫喜欢将这个发现给当地的银行家讲述， 但银行家对此不以为然。 虽然你能看到太阳，也知道那里有黄金，但无法将黄金带到地球并存入他的银行。 不久之后，基尔霍夫因这项工作获奖， 他乐滋滋的告诉那位银行家：“你瞧，我终于成功地从太阳中提取了一些黄金。”
▲ 图1.5.1 金质奖章
到此为止， 本生和基尔霍夫他们关于光谱的研究还没有结束。 1860 年，基尔霍夫写了一篇关于光的发射和吸收的理论物理学论文。 在这篇论文中，基尔霍夫设想了一个完美的物体， 它可以完全吸收所有入射光线，基尔霍夫称之为完全黑体， 简称黑体。 如果它吸收所有入射光，那么从黑体发出的任何光都将来自被加热的物质本身，基尔霍夫理论上预测发射光的能量仅取决于物质的温度和观察光谱的频率 . 基尔霍夫没有得到它们之间函数关系的理论形式，但他觉得“确定这个函数非常重要”。 因为这个问题所涉及到物理变量比较简单， 因此所得到的函数形式也不复杂， 基尔霍夫认为应该能比较容易得到这个函数。 通过物理实验测量数据获得这个函数相对比较容易， 但找到其背后的理论分析却非常困难。 事实上，解开黑体辐射之谜人类用了 40 年。
▲ 图1.5.2 黑体辐射
六、后记
1900年，一位名叫马克斯·普朗克的人写了一篇推导黑体辐射方程的论文。 论文中他认为，“整个计算最重要的一点是，能量是由一定数量且相同的有限能量包组成。” 五年后，爱因斯坦将这些能量包称为光量子。 也就是说，1900年马克斯·普朗克因为黑体辐射开启了量子力学革命。 关于这个故事我们下次再聊。
■ 相关文献链接:
- Spectroscopy Transformed Astronomy, Chemistry & Physics
● 相关图表链接:
- 图1.1.1 光谱学
- 图1.2.1 本生与基尔霍夫
- 图1.2.2 罗伯特·本生
- 图1.2.3 本生灯
- 图1.3.1 三棱镜分析光谱
- 图1.3.2 第一台光谱仪
- 图1.3.3 对比化学光谱
- 图1.4.1 钠的吸收光谱
- 图1.4.2 太阳光谱上的吸收光谱
- 图1.4.3 太阳中的氦元素
- 图1.5.1 金质奖章
- 图1.5.2 黑体辐射
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