光譜學(xué)的早期發(fā)展史及其意義

高 海，呂仕儒

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

光是一種由各種波長（或者頻率）的電磁波疊加起來的電磁輻射。光譜是一類借助光柵、棱鏡、傅里葉變換等分光手段將一束電磁輻射的某項性質(zhì)解析成此輻射的各個組成波長對此性質(zhì)的貢獻[1-5]。光譜學(xué)是一門主要涉及物理學(xué)及化學(xué)的重要交叉學(xué)科，通過光譜來研究電磁波與物質(zhì)之間的相互作用。

1 牛頓光譜

牛頓的威望以及當(dāng)時精湛的技術(shù)，使人們對白光的認識和對顏色的認識大大深入，這是光譜學(xué)的早期重要成就。但需指出牛頓并未觀測到光譜譜線,據(jù)說牛頓指示他的助手，用狹縫取代圓孔來重新觀察太陽光色散情況，遺憾的是這位助手并未領(lǐng)會牛頓意思，因此失去了一次重大發(fā)現(xiàn)。

1672年牛頓在《哲學(xué)會刊》上發(fā)表報告中介紹了光色散現(xiàn)象。1666年，牛頓把通過玻璃棱鏡的太陽光展成從紅光到紫光的各種顏色的光譜，他發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的，這是最早對光譜的研究。太陽光是許多復(fù)雜成分組成的，可以分解為不同顏色的連續(xù)光帶，關(guān)于顏色光實驗表面上看是很簡單，實際上卻有重要認識意義，為光譜研究奠定基礎(chǔ)。

牛頓的棱鏡色散實驗發(fā)現(xiàn)了太陽光由七色彩帶組成，除了給出“光譜”一詞之外，沒有其他創(chuàng)新概念。牛頓著眼點不在譜線本身，而是在考慮各色光的折射率，以感到降低和消除色差的需要。

牛頓色散實驗以前已有很多發(fā)現(xiàn)關(guān)于光顏色的現(xiàn)象的分析和研究，雖從科學(xué)發(fā)現(xiàn)的觀點看價值較小，但對整個光譜學(xué)發(fā)展，也許更有激勵作用。其《屈光學(xué)》和《大氣現(xiàn)象》1638年萊頓出版社出版。笛卡爾哲學(xué)認為光被設(shè)想成本質(zhì)上是透過這種離子致密集而被傳送的壓力，笛卡爾猜測“光和顏色的多種多樣是由于物體運動的不同方式，不同顏色與粒子的不同旋轉(zhuǎn)速度相聯(lián)系。那些旋轉(zhuǎn)最快的粒子給出紅色感覺，較慢的粒子給出黃色，而最慢的粒子射出綠色和藍色。除了提到著作外，還有盧卡斯教授巴羅的口頭講授。他的觀測物體發(fā)出的光線比通常情況下更集中的時候是紅色。但光線能被暗的間隙所中斷，黃色就是基本上由一些白色點綴了一些紅色所組成等。

1752年英國梅爾維斯報告了他對多種物質(zhì)產(chǎn)生的火焰光譜的研究，發(fā)現(xiàn)包括鈉譜線在內(nèi)的一些譜線。梅爾維斯的發(fā)現(xiàn)是牛頓色散研究以后的重要發(fā)現(xiàn)。直到1800年，赫歇爾用十分精確的溫度表進行實驗他的研究太陽光譜的各種色光的熱作用。在這個過程中，發(fā)現(xiàn)了溫度較高地方在紅端，因此發(fā)現(xiàn)紅外線。在第二年，也就是1801年里特發(fā)現(xiàn)紫外線，他從氯化銀變黑說明了在紫端之外存在看不見的輻射光。根據(jù)這個作用判斷紫外線比其他可見光有更高的能量。這實際是一種熱輻射，輻射與光究竟有什么關(guān)系，當(dāng)時并不清楚。1802年英國科學(xué)家沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)中間有七條暗線，并錯誤地認為這些暗線是光譜顏色的分界線。這種錯誤的認識使他失去了進一步突破的機會。1803年托馬斯-楊第一次通過光的干涉實驗測定了波長。

2 夫瑯和費譜線

德國物理學(xué)家夫瑯和費曾經(jīng)當(dāng)過光學(xué)技師學(xué)徒，他一直對各種玻璃的折射率感興趣。弗朗和費利用精湛的制作技術(shù)，設(shè)計制造了多種消色差棱鏡，用他自己制作的儀器觀察到一些新的現(xiàn)象，他偶然發(fā)現(xiàn)了燈光光譜中的橙黃色雙線，為了確認雙線普遍性，他更換了多種光源，但這雙線都精確出現(xiàn)在固定的位置上。雖然這一對黃色雙線的出現(xiàn)是由于微量的雜質(zhì)鈉作怪，但這一發(fā)現(xiàn)具有重要的意義，并為當(dāng)時提供了一個非常有用的測量折射率的標(biāo)準(zhǔn)。

德國物理學(xué)家夫瑯和費為了檢查他的光學(xué)儀器，研究了許多種燈的光譜，想找一種光線為單色光的理想光源。光源沒有找到，卻發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的夫瑯和費線。

1814年夫瑯和費在觀測中用太陽光替換了燈光，試圖在太陽光譜中找到那些明顯的雙線，然而他卻發(fā)現(xiàn)許多暗線，這些暗線比明亮背景要暗的多，顯得極為清晰。同時也觀察了一些星光譜線，發(fā)現(xiàn)了金星光譜中的一些太陽光譜中的譜線，發(fā)明了衍射光柵。

夫瑯和費進行研究時也是采用牛頓的方法。像牛頓一樣，他也鉆進了一間黑屋子，只留了一條狹縫讓陽光照進去。第一次夫瑯和費在狹縫跟前擺了一盞油燈，他通過三棱鏡看到的是有兩條大小和狹縫相等的極其明亮的黃線，并排出現(xiàn)在那條彩色的光譜帶上，這就是鈉的光譜線。第二次夫瑯和費把油燈換成了日光，他發(fā)現(xiàn)黃線不見了，變成了兩條寬窄相同的黑線。這引起了他的極大的好奇，當(dāng)他在太陽光的譜帶上仔細尋找時，發(fā)現(xiàn)在太陽的光譜上有許多橫斷在上面的黑線，他數(shù)了數(shù)一共有500多條，截斷了太陽光譜，使彩虹變成了斷斷續(xù)續(xù)的。這就是著名的夫瑯和費線。但是，許多年來，誰也弄不清這些線是哪兒來的。赫歇爾研究通過顏色玻璃光，發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)的吸收光譜，后來布儒斯特也觀測過經(jīng)過氣體吸收光譜，并與太陽光譜做比較，證明了太陽大氣中含有亞硝酸成分。這首次用光譜分析法確定星體中的組成成分。對于太陽的組成成分與光譜之間的關(guān)系，弗朗和費并未作出什么斷言，但意識到兩者之間的關(guān)系，并排除了儀器的影響。

在1849年，傅科研究了碳極間電弧光的光譜產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)了黃橙兩色之間有兩條明線，他用鉆石刻刀在玻璃上刻成透射光柵，刻線寬度達0.04～0.6毫米，刻線間隔達0.0528～0.6866毫米，他測得鈉D線波長為0.00058877毫米，這一精確的數(shù)值，夫朗和費是第一位用衍射光柵測量波長的科學(xué)家，被譽為光譜學(xué)的創(chuàng)始人。雖然光柵有很多優(yōu)點，如光柵色散率均勻（克服了棱鏡色散率不均勻的缺陷），但對光的吸收很有限等制作要求很難普及。后來改進刻制技術(shù)，為以后艾格斯特朗編制詳細太陽光譜圖奠定了基礎(chǔ)。

3 基爾霍夫和本森的光譜論

物理學(xué)家和化學(xué)家共同開創(chuàng)了光譜學(xué)這門實用性學(xué)科，在1859年德國物理學(xué)家基爾霍夫和德國化學(xué)家本森一起發(fā)明了分光鏡。根據(jù)這一裝置，1859年基爾霍夫?qū)獾奈蘸桶l(fā)射之間的關(guān)系進行深入研究，并且發(fā)現(xiàn)了定量的關(guān)系，這就是基爾霍夫定律。以后又根據(jù)分光裝置，發(fā)現(xiàn)銫與銣，開創(chuàng)了實用光譜學(xué)。

本森曾發(fā)明過一種煤油燈，也叫本森燈。本森在實驗中發(fā)現(xiàn)：在燈上燃燒的物質(zhì)不同。鈉這種元素在我們這個地球上幾乎無處不在，許多物質(zhì)都含有鈉，而且鈉在燃燒時發(fā)出的光很強、很亮?？偸茄谏w了其他顏色。在對物質(zhì)進行燃燒時，很難區(qū)分不同的元素，由于不同的元素燃燒時會產(chǎn)生不同的光譜，于是就開始用光譜分析的方法去尋找新的未知元素了。用光譜分析有一個最大的好處，無論鈉在燃燒時發(fā)出的光多么強、多么亮，在光譜上只是相應(yīng)的彩帶寬了一些，卻掩蓋不了其它元素的光譜了。因此，只要在對某種物質(zhì)燃燒時發(fā)現(xiàn)了新的光譜線，那么，這種物質(zhì)中就一定含有新的元素了。

科學(xué)家們不斷地把不同的東西投入本森燈的火焰之中，然后用三棱鏡對他們?nèi)紵龝r產(chǎn)生的光譜進行分解。1860年4月～11月，基爾霍夫和本森發(fā)現(xiàn)好多種新的化學(xué)元素，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)銫和銣的時候，人們已經(jīng)知道了59種元素了。對科學(xué)來說，更重要的是，這兩位科學(xué)家把這種方法從地上擴大到了太空。用光譜分析法分析了天體的元素成份。

基爾霍夫和本森的研究起源于一個名叫夫瑯和費的科學(xué)家?；鶢柣舴蛘J為鈉的光譜和太陽光譜中的雙黑線總是占著同一位置，這絕不是偶然的。于是他進行了一個實驗：他在把本森燈放在狹縫上的同時，讓日光也照了進去，他要看一看這兩種光譜重疊的現(xiàn)象。當(dāng)太陽光的強度調(diào)的較弱時（用毛玻璃擋?。颥樅唾M線的雙黑線就變成了兩條明亮的鈉譜線，當(dāng)太陽光稍強時，黃色的鈉譜線消失了，再現(xiàn)了那兩條黑色的夫瑯和費線，然后，他用石灰燈光代替陽光繼續(xù)觀察，他發(fā)現(xiàn)只要把一個含鈉的燈焰放在石灰燈前，就會出現(xiàn)那兩條黑色的夫瑯和費線了。

因為含鈉的燈焰吸收了石灰燈發(fā)出的鈉光譜，所以才出現(xiàn)了夫瑯和費線。這充分說明了太陽里含有鈉，那么，500多條夫瑯和費線也一定和其它相應(yīng)的元素譜線相對應(yīng)了。

本森和基爾霍夫首先在鐵的譜線上找到了60多條各種顏色的線與太陽光的譜線完全相合，緊接著，用同樣的方法—通過元素的譜線與夫瑯和費線對比的方法，查明了太陽上的30多種元素與地球上的元素基本上是一致的。這個驚人的消息立刻傳遍了整個科學(xué)界，震動了全球。到了這個時候，在科學(xué)面前，連太陽也失去了神秘性。緊接著，所有的天體的神秘性也逐漸消失了。亞里士多德月上界、月下界的劃分，在科學(xué)面前，在更深的認識層次上被徹底的推翻了。由于本森和基爾霍夫的巨大成功，許多科學(xué)家也紛紛把各種物質(zhì)送進火焰中去燒，并且使用這種新的方法去尋求新的元素了，相繼發(fā)現(xiàn)好多元素。

4 光譜學(xué)在科學(xué)史上的意義

光譜學(xué)的許多重要思想、理念和方法大大豐富了人文科學(xué)思維，在科學(xué)史上有著深遠的影響。光譜學(xué)本質(zhì)上說就是一門以觀測為基礎(chǔ)的科學(xué)，因為光譜學(xué)的觀測與記錄，始終是光譜學(xué)殿堂的基石，也是打開神秘物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其特殊性的存在的鑰匙，就好像一個人的發(fā)展成長。光學(xué)是看到太陽光發(fā)射開始進而逐步發(fā)展的。

基爾霍夫和本森通過對夫瑯和費光源的解釋確認了太陽光源線是物質(zhì)存在的標(biāo)志，創(chuàng)立了最早的精確光譜分析的方法，用光源獲得物質(zhì)世界的信息，這是科學(xué)史上第一次對光譜現(xiàn)象進行解釋，可從中審視到試驗，唯象描述，理論構(gòu)架及其光譜學(xué)思想方法的璀璨絢麗。

光譜學(xué)與科技哲學(xué)具有非常深厚的淵源，許多偉大的科學(xué)家往往又是哲學(xué)家。光譜學(xué)的創(chuàng)立及其深化更加深刻地表明天與地物質(zhì)的不可分割性。這種物質(zhì)理論極大的豐富了哲學(xué)關(guān)于天與地的研究。物質(zhì)存在形式及其內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的本體注釋，啟示我們面對人類社會文化科學(xué)史的必要，進行深層次的思考。牛頓通過三大定律和萬有引力定律第一次證明了天地在運動方面的一致性，可是最具有說服力的是天和地物質(zhì)是由同種元素組成的，應(yīng)該歸功于光譜。由光譜分析測定法，構(gòu)成天地物質(zhì)本質(zhì)元素的一致性，沒有那者比那者更有優(yōu)越性，打破了人們的傳統(tǒng)思想，事實上，物質(zhì)的多樣性在于物質(zhì)的表現(xiàn)形式，其統(tǒng)一性在于物質(zhì)性，同時根據(jù)現(xiàn)代宇宙中最有影響的宇宙爆炸學(xué)說。我們的生存空間大約137億年前由一個非常小的粒子產(chǎn)生，目前仍在膨脹，這一學(xué)說已經(jīng)得到大量光譜觀察者的證實，由各種元素組成不同微粒，這些物質(zhì)微粒相互吸引，融合形成或大固體逐漸演變，在個別星球出現(xiàn)了生命現(xiàn)象。光譜學(xué)對自然科學(xué)的各個分支都有幫助，影響了人類生命意義，創(chuàng)造活動及科學(xué)實踐。