光的奇妙源自星辰

仰望夜空，繁星點(diǎn)點(diǎn)。星星都是由什么組成的呢？每顆星的顏色不同，是因?yàn)槠浣M成元素不同。那么科學(xué)家們怎么知道組成星星的是什么元素呢？嘿，是光！通過觀測每顆星的光譜，科學(xué)家們可以判斷這顆星的元素組成；通過分析光譜，他們可以研究星體的化學(xué)成分、溫度、密度、磁場等性質(zhì)。一個著名的例子就是“太陽元素”氦的發(fā)現(xiàn)。今天我們就一起來了解一下這里面有什么故事吧。

牛頓研究光譜

1666年，著名的英國科學(xué)家艾薩克·牛頓研究了光的色散效應(yīng)。當(dāng)時，牛頓在一個小房間里把遮光的百葉窗關(guān)上，在窗葉上開了一個小孔（像墨子做的小孔成像實(shí)驗(yàn)一樣），陽光透過小孔投射到房間里。他在光線下放置了玻璃棱鏡，由于不同波長的光線折射角度不同，混合了各種波長的陽光被分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫如彩虹般的顏色——這就是太陽光譜。光譜中的顏色是連續(xù)漸變的，當(dāng)時數(shù)字7被認(rèn)為具有神奇的功能，于是牛頓就用了七色來表達(dá)光譜。但是在接下來的100年間，人們并不知道光譜究竟有什么用處。

光譜儀是誰發(fā)明的

直到1802年，劍橋大學(xué)的威廉·海德·沃拉斯頓（WilliamHydeWollaston，1766—1828）教授發(fā)現(xiàn)光譜中有暗線。沃拉斯頓在家中的17個兄弟姐妹中排行第二。他的父親是一位牧師，也是一位業(yè)余天文愛好者，還編過一本星圖。父親培養(yǎng)了他的科學(xué)愛好，因此盡管獲得了劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，沃拉斯頓后來還是決定專攻科學(xué)。作為當(dāng)時英國最有名的科學(xué)家之一，他擔(dān)任過英國皇家協(xié)會的秘書和代理主席，有許多發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，比如發(fā)現(xiàn)了元素鈀（bǎ）和銠（lǎo）。他精通煉金術(shù)，特別是煉出了俗稱白金的鉑（bó），并因此致富。沃拉斯頓仔細(xì)觀察太陽光譜，發(fā)現(xiàn)光譜中有些暗線并記錄了其中比較明顯的7條。這又是一個神秘的數(shù)字“7”！

幾乎同時，德國科學(xué)家約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫（JosephvonFraunhofer，1787—1825）也觀測到了光譜中的暗線。弗勞恩霍夫是一位鏡片磨制高手，他出生于貧窮的玻璃匠家庭，姓名里的這個“馮（von）”字在德語中是貴族頭銜，是他成名后才加上去的。弗勞恩霍夫11歲時父母雙亡，只好去一家玻璃店當(dāng)學(xué)徒。1801年，玻璃店失火。當(dāng)?shù)氐墓魩巳ゾ然?，把他從廢墟里救了出來，還出資送他去技校上學(xué)，徹底改變了他的人生。畢業(yè)后，他進(jìn)入慕尼黑一家科學(xué)儀器公司工作，開發(fā)了許多先進(jìn)的工藝和設(shè)備。他為俄國科學(xué)院制造的天文望遠(yuǎn)鏡為后來發(fā)現(xiàn)海王星奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時高倍望遠(yuǎn)鏡會出現(xiàn)“色差”，原因是鏡片邊緣的折射會產(chǎn)生彩色光暈。于是在1812至1814年間，弗勞恩霍夫致力于研究色差，這期間，他注意到太陽光譜暗線的存在，一下子精確測量出了324條，并用拉丁字母標(biāo)記了較突出的譜線——后人稱其為“弗勞恩霍夫線”。今天，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光譜中的3000多條暗線。

但這些暗線是怎么來的呢？這要從德國化學(xué)家羅伯特·威廉·本生（RobertWilhelmBunsen，1811—1899）講起。1857年，本生發(fā)明出能產(chǎn)生高溫火焰的本生燈，并發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)在燃燒時會發(fā)出不同顏色的光。他注意到光譜中的D線和火焰光譜中的一條暗線重合，后來證明是鈉元素的吸收光譜。后來，他與好友科學(xué)家古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫（GustavRobertKirchhoff，1824—1887）共同制成了世界上第一個分光光譜儀。這個光譜儀用本生燈（D）加熱待測量的物質(zhì)，火焰經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡（B）傳到黑箱（A）中。黑箱內(nèi)放置一個三棱鏡（F），三棱鏡可以通過調(diào)節(jié)棒（H）調(diào)節(jié)位置。黑箱的另一側(cè)是觀察望遠(yuǎn)鏡（C）。

發(fā)現(xiàn)新元素

后來，德國的基爾霍夫和本生利用光譜儀發(fā)現(xiàn)了銫（Cesium）和銣（Rubidium）兩種新元素。其中發(fā)現(xiàn)銫的故事有點(diǎn)兒像居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳。本生發(fā)現(xiàn)有種礦泉水與純水的光譜不同，帶一條暗線——這意味著水里存在另一種元素。于是本生處理了40多噸礦泉水，提取出了約7克銫鹽。銫在28.5℃以上時是一種金色液態(tài)金屬。后來，科學(xué)家們利用光譜儀陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種元素。

基爾霍夫還突破性地發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的暗線是由于太陽大氣中較冷的氣體吸收了特定波長的光而產(chǎn)生的。因此，這些暗線有了新名字——吸收光譜。與之對應(yīng)的是譜線亮麗的發(fā)射光譜——這是相應(yīng)元素的原子發(fā)射出的各種顏色、波長頻率不同的譜線。

氦素現(xiàn)身

1868年8月18日，法國天文學(xué)家皮埃爾·讓森（PierreJanssen）到印度去觀察日全食，利用分光鏡觀察日珥，結(jié)果在光譜中發(fā)現(xiàn)一條黃色譜線，接近鈉黃光的D1（589.6納米）和D2（589.0納米）線。在日食后，他又在太陽光譜中同樣觀察到了這條黃線，于是把它稱為D3線，譜線位置位于587.49納米。

兩個月后的1868年10月20日，英國天文學(xué)家諾曼·洛克耶（NormanLockyer）經(jīng)過進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)這條譜線是一條不屬于任何已知元素的新線。洛克耶和英國化學(xué)家弗蘭克蘭（E.F.Frankland）認(rèn)為這種物質(zhì)在地球上還沒有被發(fā)現(xiàn)，于是把這個新元素命名為Helium（氦），源自希臘語helios（太陽，?λιο?），元素符號定為He，意思就是“太陽的元素”。但是，1869年，俄國著名科學(xué)家門捷列夫發(fā)表元素周期表時，氦并沒有上榜，可能是因?yàn)楫?dāng)時信息交流并不便利。

地球缺氦

氦是宇宙中第二輕且含量第二多的元素，大約占宇宙元素質(zhì)量的24%。但是在地球上，氦元素非常稀有！氦在地球大氣中的體積占比僅有百萬分之五左右。不巧的是，氦氣對于現(xiàn)代社會恰恰又非常重要。它被廣泛應(yīng)用于航空、航天、半導(dǎo)體等尖端科研領(lǐng)域，是國防軍工和高科技發(fā)展所必需的戰(zhàn)略性物資。

氦氣是一種重要的戰(zhàn)略資源，但是全球供應(yīng)又非常集中。世界氦氣總資源量截至2022年年底約為484億立方米，其中美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯擁有的資源量分別為171、101、82、68億立方米。氦氣的世界總探明儲量約為120.85億立方米，其中美國的儲量占世界總儲量的71%（美國地質(zhì)勘探局2022年數(shù)據(jù)）。

中國的氦資源更是非常緊缺，每年的氦氣需求高達(dá)4000噸，95%以上都需要進(jìn)口。在2019年的中美貿(mào)易戰(zhàn)中，氦氣的關(guān)稅從5.5%提高到10.5%，中國只能加大卡塔爾的氦氣采購量，但卡塔爾沒有自主技術(shù)，嚴(yán)重依賴美國。不過，中國科學(xué)家們經(jīng)過地質(zhì)勘探，已經(jīng)在國內(nèi)發(fā)現(xiàn)了豐富的氦資源，目前正在從煤層氣等資源中開采和提煉氦氣。

宇宙形成之初，氦可能被封印在地球內(nèi)部。雖然后來地球上鈾和釷衰變產(chǎn)生的氦-4（4He）同位素稀釋了原始地球的氦-3（3He），但地球上絕大部分氦-3依然來源于太陽星云。有研究表明，地球之初表面還是一片熾熱的巖漿海，溶解了高壓大氣中的氦。一部分氦可能就此儲存在了地幔，還有一小部分能夠進(jìn)入地核，但是，45億年前的忒伊亞大撞擊釋放了地幔中的氦-3，撞擊拋出了一部分形成了月球的雛形。當(dāng)時由于地殼的廣泛熔化，撞擊使地幔中的大部分氦氣逃逸到了太空。

向太空進(jìn)發(fā)

人們憧憬星際旅行，未來進(jìn)入太空就少不了氦氣的保駕護(hù)航。月球是距離地球最近的天體，是人類走向宇宙深遠(yuǎn)空間的前哨站和試驗(yàn)場。幸運(yùn)的是，離人類最近的天體——月球上富含氦元素。月球作為太陽風(fēng)的粒子收集器，長期接受太陽的照射，月球風(fēng)化層中注入了大量的揮發(fā)性元素和同位素，如有用氣體元素氫、氦-3、碳和氮。由于月球本身沒有磁場，所以氦-3能在月球穩(wěn)定存在，而地球因磁場作用使氦-3沿著地球磁力線慢慢擴(kuò)散，最終在大氣中消失。月球上豐富的氦-3資源存于月壤礦物和玻璃中，例如鈦鐵礦是一種緊密排列的六邊形晶體結(jié)構(gòu)，其孔洞尺寸與氦-3原子尺寸基本相同，所以氦-3資源集中存于富鈦鐵礦的月壤中。

隨著人類對月球探索的不斷深入，開發(fā)利用月球礦產(chǎn)資源并將其用于月球基地建設(shè)和后續(xù)太空探索已成為我們新的研究課題。建成月球基地，然后，我們一起向太空進(jìn)發(fā)！