光谱的发现与证明

时间:2018-05-03  栏目:百科知识  点击:498 次

光谱的发现与证明

对光的速度的测量是技术的大发展,但是这最重要的技术不是因为对光速度的研究,而是对光颜色的研究。

牛顿通过光通过棱镜的情形来观察光的性质。他在把实验装置装备好时,就会在棱镜后面的屏幕上产生光谱,这是一道彩虹。所谓“红移”与“蓝移”就是根据光谱位置来说的。

牛顿发现白光并不单纯,而且白光是最不单纯的光,白光可以分成多色,多色光又可以合成白光。

约瑟夫·弗劳恩霍费尔(1787~1826年)是慕尼黑的一名磨镜师和玻璃制造工匠。他曾经设计过精密的磨床,他还改进了望远镜,并且对各种玻璃的性质十分熟悉,知道怎样加工成优质的光学仪器。

弗劳恩霍费尔比较各种玻璃的光折射,让日光通过用单种玻璃做的棱镜,但他发现,由于光谱的颜色密集在一个较小的范围内,一开始就做出精密比较是不可能的。所以弗劳恩霍费尔拟定了方案,依靠这个方案进一步扩展光谱。

结果,弗劳恩霍费尔线诞生了。(www.guayunfan.com)

太阳光谱的颜色不是没有间隙的和连续的,从光谱上看到的是无规则地有窄谱线分布。这就是弗劳恩霍费尔线。

弗劳恩霍费尔认为,“这些谱线证明被分解的白色日光的成分,并非是由不同折射力的连续光谱组成,而且证明光来自一定的颜色层次,因此暗线是光谱中的间隙,这些间隙与缺少的光相应,假使这个光谱每次都是由日光通过同一材料制作的棱镜产生的话,这些谱线就会始终处在光谱的同一部分,次序和位置相同,密度和明暗相同。如果材料不同,数量、次序、明暗度也没有变化,但是谱线之间的相互距离却有不同”。

人们历来都认为太阳与其他恒星是同一光种,但弗劳恩霍弗尔发现恒星光谱与太阳光谱不同。

这下引发了一项重要研究,即光谱分析。光谱分析是19世纪的重大科学成就,由于光谱分析,使得化学家可以指出微小元素的情况,而天文学家也开始走向天文物理。至于冶金、工程等方面,也可以精密地确定出微量物质从而断定质量与事故。

当时人们利用的是元素、原子与光的关系,而为什么它们能保持发光并且颜色各不相同呢?19世纪的人们是不知道的,这是原子物理学的范围了。

今天实验室里的“本生灯”,是科学家本生发明的一项技术性工具,是一种有充分空气供应的煤气灯。由于空气供应很充分,这种火焰几乎没有颜色,而且热量很高,十分有助于观察颜色。

德国的化学家本生(1811~1899年)与他的同事克希霍夫(1824~1887年)利用这种灯研究了很多元素的燃烧发光。

他们用铂金丝将各种盐类慢慢靠近火焰,就可以观察到盐类上燃烧的蒸气光谱。“我们面前的这些现象,属于人造的最辉煌的光学现象。现在我们只看到与燃烧的盐相应的光谱,这种光谱以最大的光泽出现,而在以前的实验中,光谱的最大特点被酒精光所遮蔽”。

本生与克希霍夫断定金属有其特殊的焰色反应。为了进一步使不易熔解的金属化合物呈现焰色反应,他们二人还利用了电火花,因为电火花提供的火光很强。

白炽的固体光谱是连续的。由于元素的光谱与其含在哪种化合物中无关,那么检验某种元素的一种好方法就是焰色反应。在检验中,一种化合物的各种元素的光谱不会相互干扰或影响。但主要的是,本生和克希霍夫提供的验证方法显示了极大的灵敏度。本生描述说,在一次实验中,三百万分之一毫克的钠已经足够获得一个清晰的光谱了。

运用光谱分析,人们不久发现了在研究中一直被忽视了的一些化学元素,因为它们只是出现在极微量的分布中。像铷和铯,就是本生通过焰色发现的。后来通过光谱,又发现了铟、镓、钪的存在。未知化合物的成分也可以通过光谱分析确定。

弗劳恩霍费尔曾经观察到,太阳光谱的两条暗线刚好处在实验室实验中钠光谱的明线位置上。莱昂·富科和本生以及克希霍夫是这样解释的:如果亮光落在较不亮的钠蒸气上,那么就会出现“钠线的逆变”。光谱中,原来明线的位置到现在比其余部分暗。使用相应的实验方法,其他化学元素的光谱线也有同样的情况。

其原因是什么呢?

发光的气体和蒸气吸收它们自己放射的颜色。除了发光体的光引起的发射光谱外,还有吸收光谱。光通过发光的气体和蒸气时,就产生了吸收光谱。这时,吸收光谱在某种程度上就是发射光谱的“反面”。吸收光谱中属于某一元素的暗线所处的位置,恰好是没有吸收时发射光谱的明线所处的位置。

这种认识解释了太阳光谱中弗劳恩霍费尔线的形成。

克希霍夫这样写道:“为了解释太阳光谱的暗线,必须承认,太阳的大气包围着发光体,发光体本身只产生没有暗线的光谱。人们可以做的假设就是,太阳是一个固体的或流体的高温的核,四周是温度略低的大气”。

太阳大气中的元素吸收了“自己”的光,因此形成了暗线。事实上进一步的测量和比较表明,地球上有许多元素在太阳大气中是炽热的蒸气。只要扩大研究恒星的光谱,就会发现,“地球上的”元素在恒星上也存在。

在化学史上,有一个元素的发现第一次是在太阳上。

当时人们已经知道怎样安放和遮暗附有光谱仪的望远镜,以取得太阳四周炽热气体层的光谱,而不是太阳本身的光谱。所以,分光镜显示的不是吸收光谱,而是发射光谱。正常情况下暗的弗劳恩霍费尔线显得明亮了。英国天文学家和物理学家约瑟夫·诺尔曼·洛克耶在这里观察到一个明亮的黄线,这个位置是属于一个未知的元素的。洛克耶猜想原因是地球上存在一个未知的元素,他命名为氦。几乎过了30年,1895年地球上的氦才被发现,而且是在某些矿物之中,有微量的氦。新元素第一次发现于太阳,后来才发现于地球,这是一个令人信服的证据,证明同样的元素也存在于天体之说。

从此,光谱分析在天文学和天文物理学方面建立了丰功伟绩。

人们从星球的光谱可以推断其表面大气温度,由此又可得到星体本身温度的要点。

光源的光谱中存在细微的,只有用最精密的手段才可以测得的偏移,偏移取决于光源朝我们来或离我们去的运动速度,根据这一点,可以用光谱分析来测定恒星速度。

19世纪迅速发展的摄影技术,为光谱分析作出了贡献。

目前光谱分析已从可见光到不可见光,可以对遥远星球的化学成分进行测定,证明了化学元素的普遍存在。

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