摘 要： 光谱学是光学的一个分支, 是一门主要研究物理学及化学的重要交叉学科。对光谱学的早期发展历史做了简明扼要回顾。探讨了促进光谱学发展的几个重要阶段, 并指出光谱学在科学史的重要意义。
关键词： 光谱; 科学史; 哲学;
Abstract： Spectroscopy is a branch of optics. It is an important interdisciplinary subject which mainly studies physics and chemis-try. A brief review of the early development history of spectroscopy is made, several important stages to promote the development ofspectroscopy are discussed, and the significance of spectroscopy in the history of science is pointed out.
Keyword： spectrum; history of science; philosophy;
光是一种由各种波长 (或者频率) 的电磁波叠加起来的电磁辐射。光谱是一类借助光栅、棱镜、傅里叶变换等分光手段将一束电磁辐射的某项性质解析成此辐射的各个组成波长对此性质的贡献[1,2,3,4,5]。光谱学是一门主要涉及物理学及化学的重要交叉学科, 通过光谱来研究电磁波与物质之间的相互作用。
1、 牛顿光谱
牛顿的威望以及当时精湛的技术, 使人们对白光的认识和对颜色的认识大大深入, 这是光谱学的早期重要成就。但需指出牛顿并未观测到光谱谱线, 据说牛顿指示他的助手, 用狭缝取代圆孔来重新观察太阳光色散情况, 遗憾的是这位助手并未领会牛顿意思, 因此失去了一次重大发现。
1672年牛顿在《哲学会刊》上发表报告中介绍了光色散现象。1666年, 牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光展成从红光到紫光的各种颜色的光谱, 他发现白光是由各种颜色的光组成的, 这是最早对光谱的研究。太阳光是许多复杂成分组成的, 可以分解为不同颜色的连续光带, 关于颜色光实验表面上看是很简单, 实际上却有重要认识意义, 为光谱研究奠定基础。
牛顿的棱镜色散实验发现了太阳光由七色彩带组成, 除了给出“光谱”一词之外, 没有其他创新概念。牛顿着眼点不在谱线本身, 而是在考虑各色光的折射率, 以感到降低和消除色差的需要。
牛顿色散实验以前已有很多发现关于光颜色的现象的分析和研究, 虽从科学发现的观点看价值较小, 但对整个光谱学发展, 也许更有激励作用。其《屈光学》和《大气现象》1638年莱顿出版社出版。笛卡尔哲学认为光被设想成本质上是透过这种离子致密集而被传送的压力, 笛卡尔猜测“光和颜色的多种多样是由于物体运动的不同方式, 不同颜色与粒子的不同旋转速度相联系。那些旋转最快的粒子给出红色感觉, 较慢的粒子给出黄色, 而最慢的粒子射出绿色和蓝色。除了提到着作外, 还有卢卡斯教授巴罗的口头讲授。他的观测物体发出的光线比通常情况下更集中的时候是红色。但光线能被暗的间隙所中断, 黄色就是基本上由一些白色点缀了一些红色所组成等。
1752年英国梅尔维斯报告了他对多种物质产生的火焰光谱的研究, 发现包括钠谱线在内的一些谱线。梅尔维斯的发现是牛顿色散研究以后的重要发现。直到1800年, 赫歇尔用十分精确的温度表进行实验他的研究太阳光谱的各种色光的热作用。在这个过程中, 发现了温度较高地方在红端, 因此发现红外线。在第二年, 也就是1801年里特发现紫外线, 他从氯化银变黑说明了在紫端之外存在看不见的辐射光。根据这个作用判断紫外线比其他可见光有更高的能量。这实际是一种热辐射, 辐射与光究竟有什么关系, 当时并不清楚。1802年英国科学家沃拉斯顿发现了太阳光谱中的不连续性, 发现中间有七条暗线, 并错误地认为这些暗线是光谱颜色的分界线。这种错误的认识使他失去了进一步突破的机会。1803年托马斯-杨第一次通过光的干涉实验测定了波长。
2、 夫琅和费谱线
德国物理学家夫琅和费曾经当过光学技师学徒, 他一直对各种玻璃的折射率感兴趣。弗朗和费利用精湛的制作技术, 设计制造了多种消色差棱镜, 用他自己制作的仪器观察到一些新的现象, 他偶然发现了灯光光谱中的橙黄色双线, 为了确认双线普遍性, 他更换了多种光源, 但这双线都精确出现在固定的位置上。虽然这一对黄色双线的出现是由于微量的杂质钠作怪, 但这一发现具有重要的意义, 并为当时提供了一个非常有用的测量折射率的标准。
德国物理学家夫琅和费为了检查他的光学仪器, 研究了许多种灯的光谱, 想找一种光线为单色光的理想光源。光源没有找到, 却发现了以他的名字命名的夫琅和费线。
1814年夫琅和费在观测中用太阳光替换了灯光, 试图在太阳光谱中找到那些明显的双线, 然而他却发现许多暗线, 这些暗线比明亮背景要暗的多, 显得极为清晰。同时也观察了一些星光谱线, 发现了金星光谱中的一些太阳光谱中的谱线, 发明了衍射光栅。
夫琅和费进行研究时也是采用牛顿的方法。像牛顿一样, 他也钻进了一间黑屋子, 只留了一条狭缝让阳光照进去。第一次夫琅和费在狭缝跟前摆了一盏油灯, 他通过三棱镜看到的是有两条大小和狭缝相等的极其明亮的黄线, 并排出现在那条彩色的光谱带上, 这就是钠的光谱线。第二次夫琅和费把油灯换成了日光, 他发现黄线不见了, 变成了两条宽窄相同的黑线。这引起了他的极大的好奇, 当他在太阳光的谱带上仔细寻找时, 发现在太阳的光谱上有许多横断在上面的黑线, 他数了数一共有500多条, 截断了太阳光谱, 使彩虹变成了断断续续的。这就是着名的夫琅和费线。但是, 许多年来, 谁也弄不清这些线是哪儿来的。赫歇尔研究通过颜色玻璃光, 发现了不连续的吸收光谱, 后来布儒斯特也观测过经过气体吸收光谱, 并与太阳光谱做比较, 证明了太阳大气中含有亚硝酸成分。这首次用光谱分析法确定星体中的组成成分。对于太阳的组成成分与光谱之间的关系, 弗朗和费并未作出什么断言, 但意识到两者之间的关系, 并排除了仪器的影响。
在1849年, 傅科研究了碳极间电弧光的光谱产生, 发现了黄橙两色之间有两条明线, 他用钻石刻刀在玻璃上刻成透射光栅, 刻线宽度达0.04~0.6毫米, 刻线间隔达0.0528~0.6866毫米, 他测得钠D线波长为0.00058877毫米, 这一精确的数值, 夫朗和费是第一位用衍射光栅测量波长的科学家, 被誉为光谱学的创始人。虽然光栅有很多优点, 如光栅色散率均匀 (克服了棱镜色散率不均匀的缺陷) , 但对光的吸收很有限等制作要求很难普及。后来改进刻制技术, 为以后艾格斯特朗编制详细太阳光谱图奠定了基础。
3、 基尔霍夫和本森的光谱论
物理学家和化学家共同开创了光谱学这门实用性学科, 在1859年德国物理学家基尔霍夫和德国化学家本森一起发明了分光镜。根据这一装置, 1859年基尔霍夫对光的吸收和发射之间的关系进行深入研究, 并且发现了定量的关系, 这就是基尔霍夫定律。以后又根据分光装置, 发现铯与铷, 开创了实用光谱学。
本森曾发明过一种煤油灯, 也叫本森灯。本森在实验中发现:在灯上燃烧的物质不同。钠这种元素在我们这个地球上几乎无处不在, 许多物质都含有钠, 而且钠在燃烧时发出的光很强、很亮。总是掩盖了其他颜色。在对物质进行燃烧时, 很难区分不同的元素, 由于不同的元素燃烧时会产生不同的光谱, 于是就开始用光谱分析的方法去寻找新的未知元素了。用光谱分析有一个最大的好处, 无论钠在燃烧时发出的光多么强、多么亮, 在光谱上只是相应的彩带宽了一些, 却掩盖不了其它元素的光谱了。因此, 只要在对某种物质燃烧时发现了新的光谱线, 那么, 这种物质中就一定含有新的元素了。
科学家们不断地把不同的东西投入本森灯的火焰之中, 然后用三棱镜对他们燃烧时产生的光谱进行分解。1860年4月~11月, 基尔霍夫和本森发现好多种新的化学元素, 当他们发现铯和铷的时候, 人们已经知道了59种元素了。对科学来说, 更重要的是, 这两位科学家把这种方法从地上扩大到了太空。用光谱分析法分析了天体的元素成份。
基尔霍夫和本森的研究起源于一个名叫夫琅和费的科学家。基尔霍夫认为钠的光谱和太阳光谱中的双黑线总是占着同一位置, 这绝不是偶然的。于是他进行了一个实验:他在把本森灯放在狭缝上的同时, 让日光也照了进去, 他要看一看这两种光谱重叠的现象。当太阳光的强度调的较弱时 (用毛玻璃挡住) , 夫琅和费线的双黑线就变成了两条明亮的钠谱线, 当太阳光稍强时, 黄色的钠谱线消失了, 再现了那两条黑色的夫琅和费线, 然后, 他用石灰灯光代替阳光继续观察, 他发现只要把一个含钠的灯焰放在石灰灯前, 就会出现那两条黑色的夫琅和费线了。
因为含钠的灯焰吸收了石灰灯发出的钠光谱, 所以才出现了夫琅和费线。这充分说明了太阳里含有钠, 那么, 500多条夫琅和费线也一定和其它相应的元素谱线相对应了。
本森和基尔霍夫首先在铁的谱线上找到了60多条各种颜色的线与太阳光的谱线完全相合, 紧接着, 用同样的方法—通过元素的谱线与夫琅和费线对比的方法, 查明了太阳上的30多种元素与地球上的元素基本上是一致的。这个惊人的消息立刻传遍了整个科学界, 震动了全球。到了这个时候, 在科学面前, 连太阳也失去了神秘性。紧接着, 所有的天体的神秘性也逐渐消失了。亚里士多德月上界、月下界的划分, 在科学面前, 在更深的认识层次上被彻底的推翻了。由于本森和基尔霍夫的巨大成功, 许多科学家也纷纷把各种物质送进火焰中去烧, 并且使用这种新的方法去寻求新的元素了, 相继发现好多元素。
4、 光谱学在科学史上的意义
光谱学的许多重要思想、理念和方法大大丰富了人文科学思维, 在科学史上有着深远的影响。光谱学本质上说就是一门以观测为基础的科学, 因为光谱学的观测与记录, 始终是光谱学殿堂的基石, 也是打开神秘物质内部结构及其特殊性的存在的钥匙, 就好像一个人的发展成长。光学是看到太阳光发射开始进而逐步发展的。
基尔霍夫和本森通过对夫琅和费光源的解释确认了太阳光源线是物质存在的标志, 创立了最早的精确光谱分析的方法, 用光源获得物质世界的信息, 这是科学史上第一次对光谱现象进行解释, 可从中审视到试验, 唯象描述, 理论构架及其光谱学思想方法的璀璨绚丽。
光谱学与科技哲学具有非常深厚的渊源, 许多伟大的科学家往往又是哲学家。光谱学的创立及其深化更加深刻地表明天与地物质的不可分割性。这种物质理论极大的丰富了哲学关于天与地的研究。物质存在形式及其内在结构关联的本体注释, 启示我们面对人类社会文化科学史的必要, 进行深层次的思考。牛顿通过三大定律和万有引力定律第一次证明了天地在运动方面的一致性, 可是最具有说服力的是天和地物质是由同种元素组成的, 应该归功于光谱。由光谱分析测定法, 构成天地物质本质元素的一致性, 没有那者比那者更有优越性, 打破了人们的传统思想, 事实上, 物质的多样性在于物质的表现形式, 其统一性在于物质性, 同时根据现代宇宙中最有影响的宇宙爆炸学说。我们的生存空间大约137亿年前由一个非常小的粒子产生, 目前仍在膨胀, 这一学说已经得到大量光谱观察者的证实, 由各种元素组成不同微粒, 这些物质微粒相互吸引, 融合形成或大固体逐渐演变, 在个别星球出现了生命现象。光谱学对自然科学的各个分支都有帮助, 影响了人类生命意义, 创造活动及科学实践。
参考文献:
[1] 李艳平, 申先甲.物理学史教程[M].北京:首都师范大学出版社, 2006.
[2]郭弈玲, 沈慧君.物理学史[M].北京:清华大学出版社, 1993.
[3]熊俊.近代物理实验[M].北京:北京师范大学出版社, 2007.
[4] [英]牛顿.光学[M].周岳明, 舒幼生, 刑峰, 等译.北京:北京大学出版社, 2007.
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