光谱分析。科学发现的历史和本质

光谱分析。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

当太阳光线穿过棱镜时，光谱会出现在它后面的屏幕上。两百年来，我们已经习惯了这种现象。如果不仔细看，光谱的各个部分之间似乎没有明显的界限：红色不断变成橙色，橙色变成黄色等。

1802 年，英国医生和化学家威廉·海德·沃拉斯顿（William Hyde Wollaston，1766-1828 年）比其他人更仔细地检查了光谱。沃拉斯顿发现了几条尖锐的暗线，它们没有可见的顺序，在不同的地方与太阳光谱相交。这位科学家并没有很重视这些线路。他认为，它们的出现要么是棱镜的特性，要么是光源的特性，要么是其他一些次要的原因。他对这些线条本身感兴趣，只是因为它们将光谱的彩色波段彼此分开。后来，这些黑线被称为弗劳恩霍夫线，延续了他们真正研究人员的名字。

约瑟夫·弗劳恩霍夫（Joseph Fraunhofer，1787-1826）11岁时，在父母去世后，跟随一位研磨大师学习。由于工作关系，上学的时间很少。直到 14 岁，约瑟夫既不会读也不会写。但是没有幸福，只有不幸帮助了。有一天，主人的房子倒塌了。当约瑟夫从瓦砾中被移走时，王储开车经过。他很同情这个年轻人，递给他一大笔钱。年轻人有足够的钱给自己买了一台磨床开始学习。

弗劳恩霍夫 (Fraunhofer) 在省城贝内迪克特贝伦 (Benediktbeiren) 学会了研磨光学眼镜。

在弗劳恩霍夫文集的序言中，E. Lommel 用以下方式总结了他对实用光学的贡献。 “由于引入了他用于旋转和抛光镜片的新的和改进的方法、机制和测量仪器……他设法获得了足够大的燧石玻璃和皇冠玻璃样品，没有任何纹理。特别重要的是他发现的方法准确地确定了镜片的形状，彻底改变了实用光学的发展方向，使消色差望远镜达到了以前做梦也想不到的完美。

为了准确测量棱镜中的光色散，弗劳恩霍夫使用蜡烛或灯作为光源。同时，他在光谱中发现了一条亮黄色线，即现在的钠黄线。很快就确定这条线总是在光谱中的同一位置，因此使用它来精确测量折射率非常方便。在那之后，弗劳恩霍夫在他 1815 年的第一部作品中说：“......我决定找出是否有可能在太阳光谱中看到这样一条发光线。在望远镜的帮助下，我发现的不是一条线，而是大量的垂直线，尖锐而微弱，然而，结果却比光谱的其他部分更暗，其中一些看起来几乎完全是黑色的。”

他总共计算了 574 个。弗劳恩霍夫给出了名字并指出了它们在光谱中的确切位置。发现暗线的位置是严格不变的，特别是在光谱的黄色部分的同一位置总是出现一条尖锐的双线。弗劳恩霍夫将其称为线 O。科学家还发现，在酒精灯火焰光谱中，与太阳光谱中的暗线 O 在同一位置，总有一条明亮的双黄线。直到多年后，这一发现的意义才变得清晰起来。

继续研究太阳光谱中的暗线，弗劳恩霍夫意识到主要问题：它们的原因不是光学错觉，而是阳光的本质。作为进一步观察的结果，他在金星和天狼星的光谱中发现了相似的谱线。

后来证明，弗劳恩霍夫的一项发现特别重要。我们正在谈论对双 D 线的观察。 1814 年，当这位科学家发表他的研究时，这一观察并未引起太多关注。然而，43 年后，William Swan (1828-1914) 发现在金属钠存在的情况下，酒精灯火焰光谱中的双黄 O 线会出现。唉，像他之前的许多人一样，斯旺并没有意识到这一事实的重要性。他从来没有说出决定性的话：“这条线属于金属钠。”

1859 年，两位科学家提出了这个简单而重要的想法：古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824-1887 年）和罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811-1899 年）。他们在海德堡大学实验室进行了以下实验。在他们之前，要么只有太阳光线穿过棱镜，要么只有酒精灯发出的光。科学家们决定同时跳过它们。结果，他们发现了一个现象，L.I. 波诺马列夫：“如果太阳光束落在棱镜上，那么在分光镜的尺度上，他们就会看到太阳光谱在其通常的位置上有一条暗线 O。即使研究人员将燃烧的酒精置于其中，这条暗线仍然保留在原处。但是，当他们在阳光的路径上放置一个屏幕并仅用酒精灯的光照亮棱镜时，一条亮黄色的钠线 O 清楚地出现在暗线 O 的位置。本生移除了屏幕 - O 线再次变暗。

然后他们用炽热物体发出的光代替了太阳光线——结果总是一样的：一条暗黄线代替了一条明亮的黄线。也就是，灵灯的火焰，总是吸收自身发出的光芒。

要了解这一事件为何让两位教授兴奋不已，让我们跟随他们的推理。酒精灯火焰光谱中的亮黄色 O 线出现在钠的存在下。在太阳的光谱中，一条未知性质的暗线位于同一位置。

任何热体发出的光束的光谱都是连续的，并且其中没有暗线。然而，如果这样的光束穿过酒精灯的火焰，那么它的光谱与太阳的光谱没有什么不同——它在同一个地方也有一条暗线。但我们已经差不多知道这条暗线的性质了，无论如何，我们可以猜测它属于钠。

因此，根据观察条件的不同，钠 O 线可以是亮黄色，也可以是黄色背景上的暗色。但在这两种情况下，这条线的存在（无论是黄色还是深色！）都意味着酒精灯的火焰中含有钠。

由于酒精灯火焰在透射光光谱中的这条线与太阳光谱中的暗线O重合，这意味着太阳上有钠。此外，它位于气态的外层云中，被太阳的炽热核心从内部照亮。

基尔霍夫在 1859 年写的两页简短笔记，同时包含四个发现：

- 每个元素都有自己的线谱，这意味着一组严格定义的线；

- 这些线不仅可以用来分析地球上的物质组成，还可以用来分析恒星上的物质组成；

- 太阳由一个炽热的核心和一个相对冷的热气体大气组成；

太阳含有钠元素。

前三个命题很快得到证实，特别是关于太阳结构的假设。 1868年，由天文学家詹森率领的法国科学院远征队访问了印度。她发现，在日全食期间，当它炽热的核心被月影覆盖，只有日冕发光时，太阳光谱中的所有暗线都闪烁着明亮的光芒。

基尔霍夫和本生不仅出色地确认了第二个位置，而且还用它发现了两种新元素：铷和铯。

光谱分析就是这样诞生的，借助它，现在可以找出遥远星系的化学成分，测量恒星的温度和旋转速度等等。

后来，电压最常用于使元素进入激发态。在电压的影响下，元件发出以一定波长为特征的光，即具有一定颜色的光。这种光在光谱仪（分光镜）中被分裂，其主要部分是玻璃或石英棱镜。在这种情况下，形成了一条由单独的线组成的条带，每条线都是特定元素的特征。

例如，之前已知矿物克莱韦石在加热时会释放出类似于氮气的气体。当用分光镜研究时，这种气体被证明是一种新的、未知的惰性气体。当电激发时，它会发出以前用分光镜分析太阳光线时检测到的谱线。这是一个特殊的案例，拉姆齐在地球上也发现了以前在太阳上发现的元素。他被命名为“氦”，源自希腊语“helios”——太阳。

今天，已知两种类型的光谱：连续（或热）和线。

正如 Ponomarev 所写，“热光谱包含所有波长，它是在加热固体时发射的，与它们的性质无关。

线谱由一组单独的锐线组成，当气体和蒸汽被加热时（当原子之间的相互作用很小时）会出现，并且 - 特别重要的是 - 这组线对于任何元素都是唯一的。此外，元素的线谱不取决于由这些元素组成的化合物的类型。因此，必须从原子的性质中寻找其原因。

元素是唯一且完全由线谱类型决定的事实很快就被大家所认可，但同一光谱表征单个原子的事实并没有立即实现，而只是在 1874 年，这要归功于著名的英国天体物理学家诺曼·洛克耶（Norman Lockyer，1836-1920）。而当他们意识到的时候，他们立刻得出了一个必然的结论：既然线谱是在单个原子内部产生的，那么这个原子一定是有结构的，也就是有组成部分的！

作者：萨明 D.K.

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