【转帖】：太阳光谱的探索：內容里有个重要问题要注意

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2009/10/06

私聊

物理知识

阳光经过三棱镜会展开成一条彩色的光谱，那么，除了太阳光，其他光，如蜡烛光、固体发光和气体发光，经过三棱镜又会出现什么呢？1752年苏格兰人梅耳维尔开始对这个课题进行了开拓性的研究。当时他年仅26岁，是格拉斯哥神学院的学生。他是这样介绍自己的实验的：“在我的眼和酒精火焰之间放置一块开有一个圆孔的胶纸板，以便缩小和限定我的目标。然后，我用一块棱镜来检查这些不同光的构成……。”
他发现炽热的固体和液体都会发射出所有波长的光，在光屏上得到一条虹霓色彩的连续光谱。然而，炽热的气体产生的光谱并不是一条由紫逐渐变到红的连续谱带。而是由一些分开的斑点构成，每一斑点有它所在位置的那一部分光谱的颜色，而且各斑之间有暗的间色。后来，当人们普遍地利用狭缝来让光通过时，就看到了气体的发射光谱是一组明线。事实上，这些明线是狭缝的彩色像。这样的光谱存在，表明来自气体的光只是几种确定颜色的光，或几种狭窄波长范围的光的混合。
梅耳维尔还注意到，把不同的物质放进火焰时，明斑的颜色和位置是不同的。他说：“当硇砂、明矾或钾碱放进酒精火焰中，发射出了各种光线，但不是相同的数量，黄光比同时产生的其他一切光要明亮得多……，大大地超过其他颜色的明亮的黄光必定是一种具有确定的可折射度的光，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。”从这些话中不难看出他已经敏锐地注意到了那条“明亮的黄光”，并把它和“确定的可折射度的光”联系在一起了。在这个基础上他只要向前跨一步，就可能摸到了光谱分析的“大门口”。然而他的研究生涯只有1年，27岁的梅耳维尔就过早地离开了人世，真是一件令人遗撼的事。除了梅耳维尔，在那个时代里几乎无人再去注意那些隐匿在光谱中的明线，他们只是会观察火焰的颜色来判别物质的成分。当时有位德国化学家马格拉夫就很精于此道。他认为两种物质在燃烧的时候会发出同样颜色的光，是因为它们具有相同的成分。例如苏打和岩盐在燃烧时都会发出黄光，因为它们有一种相同的成分——钠；而锅灰碱和硝石在燃烧时都发出紫光，因为它们具有一种称为“钾”的相同的成分。
1802年伦敦有位医生叫沃拉斯顿，他用三棱镜观察太阳光谱的时候，发现了一个被牛顿忽略的事实：在从紫到红的太阳的连续光谱中出现了7条清晰的暗线，它们不规则地间隔分开着。他很兴奋，立即拿了棱镜去问一位好朋友，物理学家索默维尔报告自己的新发现，同时还想听听他的建议。一进门他就迫不及待地说：“这几天我认真观察了太阳的光谱，”“难道你发现太阳的脸色不正常了吗？”索默维尔一语双关地回答。“你猜对了。我的确发现太阳光谱中的7条黑线。”说着他取出随身携带的玻璃棱镜向索默维尔演示这个事实。可是索默维尔根本没仔细去看，因为他不相信一个才玩了几天棱镜的医生就会有什么新发现。他立即用物理术语提出了一连串质疑，把沃拉斯顿弄得很尴尬，最后沃拉斯顿只得自己收场说，也许是玻璃上有缺陷，所以在光谱中留下了黑线。就这样，索默维尔的自以为是，把一个送上门来的重大发现给断送了。
12年后，德国光学家夫琅和费在太阳光谱中又发现了这些黑线，并认真地研究它们。与沃尔斯顿不同，夫琅和费是光学方面的行家，他从小就和玻璃打交道，11岁时跟了一位光学技师做学徒。他对光学仪器的制作和原理有浓厚的兴趣。有一次他所居住的房屋突然倒塌，里面的人都被压死了，只有他幸存了下来。有位先生很同情这个受了伤的孩子，送了他18元金币，好学的夫琅和费用这些钱全部买了光学仪器和书籍，所以他在磨制玻璃镜和光学理论计算两方面他都有很深的造诣。他参与生产了没有脉纹的火石玻璃和大块的冕牌玻璃，还创立了计算各种透镜曲率半径的方法。1814年，夫琅和费想寻找一种单色光源来检验放大镜的质量。可是，什么样的火焰才能提供只有一种光线的光呢？为了这个目的，夫琅和费用把所有可以燃烧的东西拿来烧，却终不见有甚么单色火焰。然而失之东隅，收之桑榆。他却对观察和比较各种火焰的光谱产生了极大的兴趣。后来他创造了一种新颖的，比三棱镜的分辨力高得多的把光束色散成光谱的仪器——光栅。读者也许记得杨氏的双缝干涉实验，两条狭缝可以把不同波长的光分散到不同的角度。光栅利用同样的道理，在铜框内平行地安装了许多0.04到0.6毫米粗的银线（夫琅和费制的光栅，每厘米有136条银线），银线之间有0.0528～0.6866毫米的狭缝，一个光栅可以有上万条狭缝，所以它能够把不同波长的波分得更开。后来夫琅和费采用了划线的方法：即在平整的玻璃板上敷盖一块金箔，然后在金箔上划出等间隔的平行线，揭掉金箔，便得到了衍射光栅。由于光栅的分辨率主要取决于单位长度范围内的刻线的多少，因此不久后在许多国家里都有人精心制作高精度的光栅。美国的光学家罗兰可以在1英寸的光栅上刻出43000根线，在当时的手工条件下，堪称奇迹了。
密纹唱片每厘米上有120条凹槽，可以看成是一种光栅。站在窗前，把唱片水平举到稍低于眼睛的位置，以双手联线为轴，慢慢地转动唱片，待唱片在某一角度时，你会看到一大片彩虹，这是唱片光栅衍射太阳光，把太阳光色散成光谱。
回过头来再说夫琅和费有了自己感兴趣的研究课题，便一头钻进了实验室，把各种物质放在酒精灯的火焰上燃烧，再用窥管来观察它们经过三棱镜（后来用光栅）色散的光谱。他看到在彩色的光谱带中有两条明亮的黄线。他想这两条黄线也许与酒精有关，于是他又改用油灯、蜡烛来做试验，明亮的黄线却依旧如故。看来对任何一种火焰来说明亮的黄线是少不了喽，夫琅和费这样想，但心中也没有什么把握。
　　一天，他做实验觉得疲倦，便打开了百叶窗帘，顿时灿烂的阳光照得满屋生辉。夫琅和费精神为之振奋，他突发奇想，要看看太阳的光谱。他调节好仪器，让一束光进入摄谱仪。这一看，使他惊诧不已。原来的灯光中的明亮的黄线消失了，取而代之的却是两条黑线。真奇怪，难道普照万物的太阳发光还不如灯光？这是否说明它在整个发光光谱区域内留有空缺呢？且不管它什么原因，先仔细瞧个明白再说。这样仔细观察了一番，又发现了新的秘密。原来，太阳光谱中远不只有两条黑线，仔细计数的话有324条（实际上还要更多）。当然，其中最为明显的只有8条。为了研究方便，夫琅和费用A、B、C、D、E、F、G、H这八个字母表示这八大条黑线（事实上有些大黑线是二、三条黑线重叠而成的，如果用分辨力大的光栅可以把它们进一步分开。）
　　将太阳光谱和灯光谱对照，夫琅和费发现其中有个巧合，太阳光谱中用字母D表示的两根黑线的位置与灯光中的两条明亮的黄线重合，也就是说太阳光谱缺少的D线却在灯光中找到了，他还用光栅找出了D线的波长是从0.0005882到0.0005897毫米。这一切意味着什么？夫琅和费百思不得其解，而且老天也不允许他去仔细琢磨其中的奥秘，因为他还没有活到40岁，就被肺结核病夺去了生命。于是这就成了科学史上的一个谜。在夫琅和费发表这个事实之后的40年里，也没有人对这些线给出完满的解释。人们把这八条线组成的神秘图谱称做“夫琅和费线”。

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