撰文 | KKC
新春佳節(jié)，色彩繽紛、造型各異的煙花在夜空中綻放，烘托出喜慶的節(jié)日氛圍。在欣賞絢爛煙花的同時(shí)，你可能想象，人類(lèi)研究太陽(yáng)上元素組成的科學(xué)歷程，其實(shí)就和煙花發(fā)出的豐富色彩有關(guān)？
煙花能展現(xiàn)出五彩繽紛的顏色，來(lái)源于制造過(guò)程中加入的特定金屬化合物（或稱(chēng)金屬鹽）。這些金屬鹽在燃燒時(shí)會(huì)發(fā)生焰色反應(yīng)，呈現(xiàn)出特殊的顏色。金屬離子不同的化合物在燃燒時(shí)，火焰的顏色也不同，比如鈉鹽發(fā)黃光，鍶鹽發(fā)紅光，鋇鹽發(fā)綠光等等。因此，人們很早就用焰色反應(yīng)來(lái)定性分析化合物的組成。
那么，焰色反應(yīng)怎么會(huì)和太陽(yáng)的組成聯(lián)系在一起呢？這要從物理學(xué)家對(duì)太陽(yáng)光的研究說(shuō)起。
1666 年，艾薩克?牛頓 (Issac Newton) 在家休假時(shí)進(jìn)行了光的色散實(shí)驗(yàn)。他布置了一間暗室，在窗板上開(kāi)了一個(gè)小圓孔，在小孔前放上三棱鏡。他發(fā)現(xiàn)穿過(guò)小圓孔的太陽(yáng)光在透過(guò)三棱鏡后會(huì)發(fā)散，形成像彩虹一樣的光斑。色散實(shí)驗(yàn)證明太陽(yáng)光并不是單色光，而是有多種顏色的光組成的。牛頓將色散形成的色帶稱(chēng)為光譜 (spectrum)，一門(mén)全新的學(xué)科也自此誕生 —— 光譜學(xué)。
將近 100 年后，來(lái)自蘇格蘭的托馬斯?梅爾維爾 (Thomas Melvill) 將類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)方法用在了焰色反應(yīng)上。1752 年，梅爾維爾將海鹽、明礬等材料加入燃燒的酒精中，用棱鏡觀察火焰的顏色，發(fā)現(xiàn)在光譜中有位置固定的黃線。后來(lái)的威廉?塔爾博特 (William Talbot) 等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，每種化學(xué)元素在焰色反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生自身特有的光譜線，梅爾維爾的黃線實(shí)際上是鈉元素的特征譜線，來(lái)源于材料中含鈉元素的雜質(zhì)。
焰色反應(yīng)能產(chǎn)生和化學(xué)元素相對(duì)應(yīng)的光譜線，而在 1801 年，英國(guó)化學(xué)家威廉?沃拉特森 (William Wollaston) 在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)了神秘的暗線。沃拉特森改進(jìn)了牛頓的實(shí)驗(yàn)，將太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)的小圓孔改成了狹縫，色散后得到一條狹長(zhǎng)光帶。出人意料的是，這條光帶并不是完全連續(xù)的，而是有 7 條非常窄的暗線。
根據(jù)光的波動(dòng)理論，每種顏色的光都有對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) (wavelength)，波長(zhǎng)就像光的身份證一樣，一條光譜線就代表著具有某個(gè)波長(zhǎng)的光。化學(xué)元素的焰色反應(yīng)發(fā)出的光譜線有元素自身特有的波長(zhǎng)，而太陽(yáng)光譜中出現(xiàn)暗線，則意味著某些波長(zhǎng)的光消失了。可惜的是，沃拉特森以為這些暗線只是顏色的分界線，并沒(méi)有繼續(xù)深究。
事實(shí)上，太陽(yáng)光譜中消失的譜線遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止 7 條，但是需要更精密的儀器才能發(fā)現(xiàn)。德國(guó)物理學(xué)家約瑟夫?馮?夫瑯禾費(fèi) (Joseph von Fraunhofer) 就是一位制作玻璃的天才，能制造出當(dāng)時(shí)世界上最精密的光學(xué)儀器。他發(fā)明了第一臺(tái)現(xiàn)代意義上的光譜儀，提高了對(duì)太陽(yáng)光譜的分析精度，從而在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)了多達(dá) 574 條暗線，并且對(duì)其中的主要暗線用 A 到 K 搭配數(shù)字做了標(biāo)注。這些暗線后來(lái)也被稱(chēng)為夫瑯禾費(fèi)線 (Fraunhofer lines)。
為什么太陽(yáng)光譜中會(huì)出現(xiàn)夫瑯禾費(fèi)線？夫瑯禾費(fèi)線與焰色反應(yīng)的光譜線又有著怎樣的聯(lián)系？德國(guó)的一對(duì)科學(xué)家組合 —— 古斯塔夫?基爾霍夫 (Gustav Kirchhoff) 和羅伯特?本生 (Robert Bunsen) 最終揭開(kāi)了這些問(wèn)題的答案。
1859 年，基爾霍夫和本生分析了大量化學(xué)元素燃燒產(chǎn)生的光譜線，做出了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn) —— 夫瑯禾費(fèi)線和部分元素的譜線在波長(zhǎng)上有驚人的一致性，每條夫瑯禾費(fèi)線都能找到某個(gè)元素的譜線相對(duì)應(yīng)。比如說(shuō)，夫瑯禾費(fèi)線的 D 線波長(zhǎng)大約是 589nm，和鈉元素的譜線波長(zhǎng)相近；L 線的波長(zhǎng)大約是 382nm，和鐵元素的一條譜線波長(zhǎng)相近等等。
基爾霍夫還在實(shí)驗(yàn)中觀察到，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)鈉蒸汽后，太陽(yáng)光譜中的 D 線會(huì)變得更暗。他結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)提出，化學(xué)元素不僅在焰色反應(yīng)等過(guò)程中發(fā)射出特定波長(zhǎng)的光 (發(fā)射光譜)，還會(huì)在一些低溫條件下吸收特定波長(zhǎng)的光 (吸收光譜)。更重要的是，同一元素發(fā)射和吸收所對(duì)應(yīng)的光譜線具有相同的波長(zhǎng)。
因此，基爾霍夫得出結(jié)論，太陽(yáng)光譜出現(xiàn)暗線，是因?yàn)椴糠植ㄩL(zhǎng)的光被太陽(yáng)大氣中的元素吸收了。也就是說(shuō)，太陽(yáng)光譜中的暗線所代表的是太陽(yáng)上元素的吸收光譜。舉個(gè)例子，鐵元素一條發(fā)射譜的波長(zhǎng)是 382nm，因?yàn)殍F發(fā)射和吸收光譜的波長(zhǎng)相同，所以在太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣時(shí)，波長(zhǎng)為 382nm 的光線就會(huì)被太陽(yáng)中的鐵元素吸收或者說(shuō)“攔截”了，最終在地球接收到的太陽(yáng)光譜上呈現(xiàn)出暗淡的 L 線。
這是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。如果已知某種化學(xué)元素的發(fā)射光譜波長(zhǎng)，同時(shí)在太陽(yáng)光譜上發(fā)現(xiàn)了同樣波長(zhǎng)的暗線，那就說(shuō)明太陽(yáng)上存在有這種元素。（有一部分暗線可能由地球大氣等其他因素產(chǎn)生）目前已知太陽(yáng)由氫、氦、氧、碳、鐵等 90 多種元素組成，其中很大一部分依據(jù)來(lái)源于對(duì)太陽(yáng)光譜的研究。
基爾霍夫的發(fā)現(xiàn)還有更深遠(yuǎn)的意義。后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，太陽(yáng)上吸收的譜線都能在地球上元素發(fā)射的譜線中找到對(duì)應(yīng)，說(shuō)明太陽(yáng)的元素和地球的元素是統(tǒng)一的。物理學(xué)家還把目光投向了宇宙的更遠(yuǎn)方，發(fā)現(xiàn)在恒星和星云的光譜中同樣存在暗線，而且和元素的發(fā)射光譜在波長(zhǎng)上高度一致，進(jìn)一步證明整個(gè)宇宙的組成元素都具有統(tǒng)一性。自此，一個(gè)專(zhuān)門(mén)通過(guò)光譜研究天體性質(zhì)的學(xué)科 —— 天體光譜學(xué) (Astronomical spectroscopy) 誕生了。
想象一下，當(dāng)我們?cè)谏綆p迎接初生的旭日，或是在夜晚抬頭仰望滿天的繁星，感嘆于宇宙天體的宏偉壯觀之時(shí)，物理學(xué)家卻只需要稍加研究幾條暗淡的光線，就能獲知這些天體的元素組成，這是多么的神奇和美妙！而我們能窺探這些奧秘的原因，其實(shí)就隱藏在煙花發(fā)出的絢爛色彩和太陽(yáng)光的神秘暗線之間的美妙巧合之中。
參考資料：
[1]Rigden, John S. Hydrogen: the essential element. Harvard University Press, 2003.
[2]Hearnshaw, John B. The analysis of starlight: two centuries of astronomical spectroscopy. Cambridge University Press, 2014.
[3]Jackson, Myles W. Spectrum of belief: Joseph von Fraunhofer and the craft of precision optics. Mit Press, 2000.
[4] 王爽. 《宇宙奧德賽?漫步太陽(yáng)系》 清華大學(xué)出版社，2018.
[5]https://www.usgs.gov/media/images/what-minerals-produce-colors-fireworks
[6]https://scientificgems.wordpress.com/2020/03/25/chemistry-can-be-beautiful-the-classic-flame-test/
[7]https://www.spectroscopyonline.com/view/timeline-atomic-spectroscopy
[8]https://webbtelescope.org/contents/media/images/01F8GF9E8WXYS168WRPPK9YHEY
[9]https://publiclab.org/notes/cfastie/3-2-2013/fraunhofer
[10]https://viewspace.org/interactives/unveiling_invisible_universe/analyzing_light/spectrum_of_the_star_altair
https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Melvill
https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_von_Fraunhofer
https://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_spectroscopy
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：把科學(xué)帶回家 （ID：steamforkids），作者：萬(wàn)物
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