光谱学的发展

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1、光谱学的发展光谱学是光学的一个分支学科，它研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。光谱是 电磁辐射按照波长的有序排列；根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过光 谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学 键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。光谱学的历史应从牛顿的色散实验开始，由于牛顿 的精湛技术，使人们对白光的认识和对颜色的认识大大深入了。1752年，英国的梅耳维尔(Thomas Melvill, 17261753)报告了他对多种物质产生的火焰光谱进行的研究，发现了包括纳谱线在内的一 些谱线。19 世纪初，赫歇尔

2、(William Herschel, 17381822)和里特(Johann Wilhelm Ritter, 1776 1810)先后发现了在人的视觉范围之外的射线，即红外线和紫外线。1814年夫琅和费(Franhofer Joseph von， 17871826)观察到了光谱线；但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也 提供了重要的定性与定量的分析方法。实用光谱学是由基尔霍夫( Kirchhof Gottlieb Sigimund Constantin， 17641833)与本生(Bunsen Rebent Wilhelm Ebethard, 1811 1899)在 19 世纪

3、 60 年代 发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，还利用这种方法发现了几种当时还为 人所不知的元素，并且证明了在太阳里存在着多种已知的元素。1、光谱线的最初观察1752 年，梅耳维尔第一个观察到发光气体的光谱线。自从牛顿对光谱的研究以来，他的研究标 志着向前迈进了第一步。梅耳维尔观察了钾碱、明矾、硝石和食盐被连续地放进酒精灯时所产生的光 谱，并且发现，当明矾或钾碱放进酒精火焰中时，发射出了数量不相同的各种光线，并且从它到 邻近的较弱的颜色的光的过渡不是逐渐的而是直接的；这明亮的黄光就是“钠线”。后来，伦敦有一 位医生在烛光火焰底部观察到蓝光的明亮光谱带；1856年，圣安德鲁

4、斯的威廉斯旺(Swan William) 又一次观察到它，现在称之为“斯旺光谱”(Swan spectrum)。1802 年,英国物理学家沃拉斯顿(Wollaston William Hyde， 17661828)首次观察到太阳光谱中的7 条暗线，其中最重要的5 条光谱线被他认为 是光谱的纯粹单色的自然界标或分界线，他本来得到了开创重要的谱线研究的机会，但他未能准确地 解释它。这项工作只能等待更年轻的德国物理学家夫琅和费去完成。图7-14夫琅和费的分光仪夫琅和费(Fresnel Augustin Jean, 17881827) 1787 年 3 月 6 日生于斯特劳宾(Straubing),父

5、 亲是玻璃工匠，幼年当学徒，后来自学了数学和光学。 1806 年他在巴伐利亚的贝内迪克特博伊伦的 光学工场当了工匠， 1818 年任经理， 1823 年担任慕尼黑科学院物理陈列馆馆长和慕尼黑大学教授， 后来德国埃朗根大学和英国、丹麦都赠予他荣誉称号。夫琅和费集工艺家与理论家的才干于一身，把 丰富的实践经验与理论结合起来，对光学和光谱学做出了重要贡献。他用几何光学理论设计和制造了 消色差透镜以取代过去盲目试验的方法，还首创用牛顿环方法检查光学表面加工精度及透镜形状。他 所制造的大型折射望远镜等光学仪器，负有盛名。这些成就， 国，推动了精密光学工业的发展。夫琅和费开始并不知道沃拉斯顿的发现，在他的

6、光学著 作中，他把理论知识和实际技巧结合得非常好。特别是由于他 的准确计算各种透镜的方法的发明，他把实用光学引向了一条 全新的道路，并且他把消色差望远镜提到了当时意想不到的完 善程度。 1814 年，夫琅和费为了测定玻璃折射率和色散，以 作为制造消色差透镜的基础，对太阳光谱进行了仔细的观测。 在努力于测定玻璃对特殊颜色的折射率以便设计更为精密的 消色差透镜时，夫琅和费偶然地发现了一种灯光光谱的橙黄色 的双线，现在称之为钠线。在所有的火光中，他都看到这条精 细的、明亮的双线“精确地在同一地方出现，因此对于测定折 射率十分有用。他把一束来自狭缝的光线照射在有相当距离的放在经纬望远镜前面的最小偏差位

7、置上 的火石玻璃棱镜上。夫琅和费进一步利用太阳光。他说：“我希望在太阳光谱中找出是否有像油灯光 谱中的类似明线，但是，我用望远镜没有发现这条明线，却发现了大量的强的和微弱的竖直的线，然 而，它们比起这光谱中其他部分更暗，有一些几乎是全黑。”在检验其他物质如氢、酒精、硫磺时， 他又一次发现了这条明线。自然，这肯定是由于钠作为一种杂质而存在其中，最微量的钠也会显出它 的谱线。夫琅和费还考察了星光的谱线，并且认出了金星中的某些太阳谱线。他在太阳光谱中发现了大量的暗线，并选取在主要颜色部位的8条线，命名为A、B、H, 这些暗线后来成为比较不同玻璃折射率的标准。他还发现这些暗线不仅仅在直接从太阳射来的光

8、中可 以看到，而且在从月亮、行星及地上物体上反射出的太阳光中都可发现。由此他推断暗线的来源是太 阳。夫琅和费在18211822年间还详细研究了光的衍射现象，利用光的波动理论研究出了从衍射图 样求波长的方法，测定了太阳光谱中主要暗线的波长。 1821 年，他发表了平行光单缝衍射的研究结 果（后人称平行光衍射为夫琅和费衍射），做了光谱分辨率的试验，第一个定量地研究了衍射光栅， 制成 260条平行线组成的光栅，用它测量了光的波长。 1823年他又用金刚石刀刻制了玻璃光栅（3200 条/巴黎寸），给出了至今通用的光栅方程。夫琅和费的论文没有立即得到承认，物理学家们正在争论光的微粒说和波动说。夫琅和费发

9、表的 新事实在近 40 年中未曾得到完满的解释，他自己又缺少打开太阳光谱“夫琅和费”线的神秘图谱的 钥匙，这一工作后来由基尔霍夫完成。2、基尔霍夫对太阳光谱的解释基尔霍夫出生在肯尼希斯堡（Konigsberg）,年青时曾在德国最优秀的大学接受专门教育，1854 年成为海德尔堡（Heidelberg）的常任教授，1875年以后当了柏林的教授。他一生都在学术繁荣和志 同道合的气氛中度过，他丰富多彩的时期是他在海德尔堡当教授的20年，在那里他跟伟大的化学家 本生共同工作。 1857年，本生第一次描述了“本生灯”。这个新灯为本生和基尔霍夫提供了一种具有 相当高温的不发光的气体火焰，在这火焰里化学物质能

10、被蒸发，从而能得到单纯来自发光蒸气的光谱。 1859年10月，基尔霍夫来到德国著名的海德堡大学任教，并和杰出的化学家本生开始了有史以来最 为幸运的合作。他们对夫琅和费发现的太阳光谱中出现的吸收暗线进行了分析研究，基尔霍夫在实验 的基础上总结出三条定律：（1）一切白炽固体、液体或气体在高压状态下所发的光谱为连续光谱。（2） 处于低压下的炽热气体的光谱为明线光谱或称为发射光谱，由暗背景上的一些亮线组成，每种元素都 有自己特定的（波长固定的）谱线。（3）来自高压的炽热固体、液体或气体的光，再通过温度较低的 低压气体时，则产生吸收光谱。它由热光源产生的连续光谱上叠加若干条低温气体产生的暗线组成。 这些

11、暗线称为吸收线。每种元素都有固定的吸收线，其波长与其发射线相同。于是，基尔霍夫就解释 了夫琅和费线的意义：太阳的核心温度高，压力大，发射连续光波而太阳外层大气温度较低，夫琅和 费线是太阳大气中的元素吸收的结果这样也就知道了太阳外层大气的组成，组成太阳大气的都是地球 上已知的那些元素。法国哲学家孔德（Comte Auguste，17981857）曾以恒星的化学组成作为人类的 认识能力有限的实例，他在其（实证哲学讲义）中写道：“恒星的化学组成是人类永远也不可能知道 的。”但在他去世没多久，通过光谱我们就不仅知道恒星的化学组成，而且还知道了更多的东西。基 尔霍夫断定，在太阳大气中存在有钠、镁、铜、锌

12、、钡、镍元素。这两位研究者提出了在科学上确立 的关于光谱中的明线可以作为有关金属存在的确实标记的定律。用光谱发现了迪尔克海姆（D helm） 的矿泉水中的两种新金属使这个结论倍加可信。从它们被认知的蓝线和红线，这两种新金属被命名为 “铯”和“铷”。每种元素都有自己独特的谱线，而且只需极少的样品便可得到，于是光谱便成为化 学分析的一种有力工具。英国化学家拉姆齐（Ramsay sir William, 18521916）与他人合作，通过光 谱分析先后发现了氢、氖、氦、氯等惰性气体元素，并因此获得1904年诺贝尔化学奖。氦最早是在 太阳光谱中发现的，后来才由拉姆齐在地球上的放射性矿物中发现。光谱分析

13、的准确和灵敏使它在许 多领域得到应用，例如用于犯罪的侦破。基尔霍夫定律对自然科学的众多分支都产生了重要的影响。 人们利用这个定律所揭示的方法，可以探测出太阳、恒星以及其他不可接近的光源中某些元素的存在， 为光谱分析开辟了一条崭新的道路。基尔霍夫对夫琅和费线的解释是划时代的，亥姆霍兹说到：“事实上，它有一些最突出的最非凡 的影响，它对自然科学的各个分支都有最高的重要性。几乎没有其他的发现像它那样，唤起了人们的 赞美和激励了人们的想像力，因为它能洞察那个对我们来说似乎永远是罩上了面纱的世界。”基尔霍 夫利用这一方法发现，太阳大气中含有地球上存在的多种元素。在此期间，他废寝忘食地工作着，想 寻找太阳

14、上是否有金子存在。这引起了基尔霍夫财产经管人的好奇，他对基尔霍夫的做法深惑不解。 于是，他问基尔霍夫：“如果太阳上真有金了，你能把太阳上的金子取回来吗？”基尔霍夫回答说： “现在不能。”于是，这位经管人不无遗憾地说道：“如果不能把太阳上的金子拿下来，你颇费苦心地 研究它又有何用呢？”后来，由于基尔霍夫在天体光谱研究方面的杰出贡献而荣获了英国颁发的金质 科学奖章和一笔英镑。他把它们交给了这位经管人后，便对他说：“你看，这不是己经从太阳那里取 回一些金子了吗。”光谱学在天文学上的应用，导致天体物理学的诞生。每种元素不但有其特征谱线，而且这根谱线 的位置还受到物理状态的影响。因此通过光谱，就可以知道

15、遥远的恒星的化学组成、温度分布、物理 状态和演化规律。例如从夫琅和费线不但知道太阳大气的组成，还知道它的温度高达数千度，使金属 元素都处于气态，而太阳光球发射连续光谱，表明太阳内部温度更高。根据恒星的光谱可以对恒星分 类，而分类就导致对演化的研究，1842年，奥地利物理学家多普勒(Doppler Johann Christian, 1803 1853 年)宣布了著名的多普勒效应；运动波源发出的波的频率受波源运动速度影响。光谱分析不仅 开辟了天体物理学的广阔前景，而且也为深入原子世界打开了道路；近代原子物理学正是从原子光谱 的研究中开始的。物理学家和天文学家则很快将它用于光谱分析，使之成为天文观

16、测和光学实验中的 重要工具。3、光谱规律的研究基尔霍夫和本生奠定了光谱分析，在化学上新元素的发现和天文学中恒星光谱的研究方面都取得 了长足发展，积累了大量的数据资料。摆在物理学家眼前的任务是整理这些浩繁杂乱的资料，找出其 中的规律，并对光谱的成因作出理论上的解释。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就 对量子力学法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢原子，也能应用于其他原子、 分子和凝聚态物质。事实上，它们终于成为近代化学、固体物理乃至应用学科诸如电子学的基础。在光谱规律的研究上首先取得重大突破的不是物理学家，而是瑞士的一位中学数学教师巴耳末(Johann Jakob Balmer， 18251898)。他的工作基于当时许多物理学家对氢光谱进行的仔细观测，埃 格斯充(Antlers Jonas Angstrom, 18141874)首先从气体放电的光谱中找到了氢光谱的红线K,证 明它就是夫琅和费谱线中的C线，后来又发现另外三根在可见光区域内的氢光谱线，并精确测定了