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太陽元素的發現

來源:dento 發布時間:2011-8-22 9:06:17
能知道太陽的組成嗎?

    我們現在要講一種物質。這種物質最初是在太陽上發現的,后來才在地球上找到。
    萬物生長靠太陽。太陽是一個龐大的火球,給我們光和熱。自從發明了望遠鏡,人們用望遠鏡研究太陽,看清楚了太陽表面的光斑和黑子。日全食的時候,還可以看到從太陽表面噴出的巨大的火焰—日珥。但是太陽的化學成分是什么,單靠望遠鏡是看不出來的。
    1825年,有一位法國哲學家,名叫孔德,他在他的哲學講義中武斷地說:“恒星的化學組成是人類絕對不能得到的知識。”他的話似乎有點道理。太陽雖然是最近的一顆恒星,但是離我們也有1.5億千米。誰能飛到這樣遠的太陽上去取一些物質回來,在化學實驗室里作分析呢?況且太陽表面的溫度就有6000攝氏度。這是無論如何做不到的。
    然而,這位哲學家的結論下得早了一點。1859年,就在孔德死后不到三年,一位化學家和一位物理學家合作,發明了一種很巧妙的方法,可以不用離開地球,就能夠測定太陽、恒星等遙遠的天體的化學組成。
    這位化學家是本生,這位物理學家是基爾霍夫。他們發明的方法叫做光譜分析。

本生和他的燈

    本生是德國人,1830年,他大學畢業,才19歲。以后,他除了在大學教書,還研究鼓風爐頂上冒出來的氣體,創立了氣體分析的方法。1854年,漢堡市開辦了煤氣工廠,本生的實驗室里也裝上了煤氣。本生發明了一種新式的煤氣燈,可以很方便地調節火焰的大小和溫度。這種燈,現在的化學實驗室中還在使用,大家管它叫本生燈。
    故事就是從本生的燈開始的。
    本生燈燃燒得最好的時候,溫度能達到2300攝氏度,火焰幾乎沒有顏色。有時候燈沒有調節好,火焰會縮到燈管里去,銅制的燈管燒紅了,火焰就變成了藍綠色。而在燈上彎玻璃管的時候,玻璃管燒紅了,火焰又變成黃色。這些現象引起了本生的注意。他開始研究各種物質在燈上燒的時候,焰色會發生什么變化。
    本生用白金鑷子夾了一粒普通的食鹽,放到火焰中燒,火焰立刻變成亮黃色,同時聞到嗆人的氯氣的氣味—是高溫把食鹽(氯化鈉)分解了。但是火焰為什么變黃呢?是氯的作用還是鈉的作用呢?
    為了搞清楚這個問題,本生選用了一些不含氯而含鈉的化合物,例如純堿(碳酸鈉)和芒硝(硫酸鈉)來做試驗。如果這些物質也能使火焰變黃,就可以證明是鈉起了作用。結果正是這樣。純堿和芒硝一放到火焰中,火焰立刻變黃了。
    最后,本生把金屬鈉放在火焰中燒,火焰也立刻變成亮黃色。這個決定性的實驗,證實了使火焰變黃的確實是鈉。實驗的成功使本生產生了新的想法:除了鈉,別的金屬是不是也能使火焰變色呢?他把實驗室中所有的化學藥品和金屬,都一一做了試驗。
    本生發現,鉀和鉀的各種化合物使火焰變紫,而鋇是綠色火焰,鈣是磚紅色火焰,鍶是亮紅色火焰,等等。這是1858年秋天的事,他把這些發現詳細地記在實驗記錄本中。
    本生真高興,他相信他已經發明了一種新的化學分析方法。這種方法不需要復雜的設備,操作又非常簡單,只要把需要分析的物質放在燈上燒一燒,看一下火焰的顏色,就能知道它含有什么金屬?,F在需要的是研究火焰的語言,弄懂各種彩色信號代表什么元素。

彩色火焰之謎

    本生搜集了各種各樣的化合物來做實驗,他用一根白金絲,一端彎一個小圈。用這個工具蘸上一滴溶液,就可以放到火焰中去燒。本生根據他的實驗記錄編了一張表,列舉了什么物質產生什么焰色,反過來也可以由焰色判定是什么物質。
    信號表編好了,但是用起來并不那么簡單,因為需要分析的物質不一定都是純粹的化合物。遇到混合物會怎么樣呢?本生做了一些混合物的焰色試驗,結果出現了這樣的情況:
    鈉鹽溶液──黃色火焰。
    混有鉀鹽的鈉鹽溶液──黃色火焰。
    混有鋰鹽的鈉鹽溶液──黃色火焰。
    用三個燈同時燒這三種溶液,結果都出現黃色火焰,看不出任何差別。鈉的黃色光太亮了,遮蓋了鉀的紫色光和鋰的紅色光。
    本生沒有灰心,他找來了各種不同顏色的玻璃片,透過有色玻璃去觀察火焰。一塊深藍色的玻璃可以吸收掉鈉的黃色光,透過藍玻璃,看出了混在鈉鹽中的鉀鹽的紫色光,看出了混在鈉鹽中的鋰鹽的紅色光。這有色眼鏡幫了他的大忙。
    但是問題并沒有徹底解決。一種未知物質的溶液,能使火焰變成深紅色。查查信號表:鋰鹽—深紅色;鍶鹽—深紅色。這未知物質是鋰鹽還是鍶鹽呢?分辨不清。本生找了各種顏色的玻璃,想用來區別兩種深紅色的火焰,但是他失敗了。
    就在這困難的時候,物理學家來幫忙了。

物理學家的建議

    本生有個親密的朋友叫基爾霍夫,是位物理學教授。他們倆經常在一起散步和談心。
    1859年初秋,本生在實驗室中做焰色試驗已經快一年了。這一天,本生跟基爾霍夫一起散步,他詳細地講了自己的實驗和碰到的困難。
    “分辨火焰的顏色!分辨火焰的顏色!……”基爾霍夫一邊思索,一邊喃喃地說。
    基爾霍夫對物理學十分精通,他立刻想起物理界的前輩牛頓首先研究過太陽光,用三棱鏡把太陽光分成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色;他也想起了已經去世30多年的德國光學專家方和斐,方和斐在45年前自己磨制了石英的三棱鏡,詳細研究了太陽光和各種燈光的光譜?;鶢柣舴虿坏珜Ψ胶挽车膶嶒灹私獾煤芮宄?,連方和斐親手磨制的那塊三棱鏡,還保存在基爾霍夫的實驗室中。
    基爾霍夫沉思了一會,對本生說:“我是搞物理的。從物理學的角度來看,我認為應當換一個方法試試。那就是不要直接觀察火焰的顏色,而應該去觀察火焰的光譜。這就可以把各種顏色清清楚楚地區別開了。”
    這是多么好的建議??!
    本生和基爾霍夫越談越投機,一個物理學和化學合作的研究方案就這樣定下來了?;鶢柣舴蚧厝蕚鋵嶒炗玫膬x器。本生也回到自己的實驗室,他把四面的窗戶都掛上了遮光的黑布,準備迎接基爾霍夫和他的儀器。

方和斐發現了什么?

    在沒有講本生和基爾霍夫的實驗以前,我們先來講講1814年方和斐的實驗。
    方和斐在小黑屋子的窗板上開了一條狹縫,太陽光通過這條縫射進屋里,成為一條扁扁的光束。在光束經過的地方放上一塊三棱鏡。這條光束通過三棱鏡,就變成了寬大的扇形,落在對面的墻上,成為從紅到紫的各種顏色的光帶,這就是太陽的光譜。原來太陽的白光并不是單色的,而是混在一起的各種顏色的光。不同顏色的光通過三棱鏡,偏轉程度各不相同:紫色光偏轉最大,紅色光偏轉最小,其他顏色的光的偏轉程度在紫色光和紅色光之間。正因為這個緣故,通過三棱鏡的一束太陽光就被拆開了,變成按顏色排列的彩色光譜。
    方和斐實際上在重復他的老前輩牛頓的實驗,但是作了不少改進。他做了一條使光通過的狹縫;為了把光譜觀察得更清楚,還用凸透鏡作了一個窺管。方和斐研究了多種燈光的光譜。他本來想找一種只發出一種顏色的光的光源,這個目的沒有達到,卻發現了另外一些更重要的現象。
    方和斐把一盞油燈放在狹縫外面,觀察油燈光的光譜。他發現光譜帶上有兩條極其明亮的黃線,寬窄和狹縫一個樣。不管怎樣移動三棱鏡的位置,轉動窺管里的透鏡,兩條明亮的黃線依然存在。
    方和斐拿掉油燈,換上酒精燈,還是有兩條黃線;再換上蠟燭,兩條黃線依然存在。不僅如此,只要三棱鏡和窺管的位置不變,不管是什么燈光,兩條黃線總在老位置上。
    應該再研究一下太陽光。方和斐用一面鏡子,把陽光反射進狹縫。他在太陽的光譜中找那兩條明亮的黃線??墒菦]有,卻發現太陽光譜中有許多黑線。方和斐仔細數了數,黑線有500多條,有的深些,有的淡些。他給那些最深的最清楚的黑線,用A、B、C、D、E等編了號。
    看來,太陽光在黑線的位置上,少了某一些顏色的光。
    經過仔細觀察,方和斐發現燈光光譜中的那兩條亮黃線,恰好落在太陽光譜中編號為D的那兩條深黑線上,也就是說,位置恰好相同。
    這真是怪事,燈光發出來的亮黃線,太陽光里恰好沒有。但是,方和斐沒能解釋這是什么原因。
    在方和斐以后,有不少人做了類似的實驗。他們分析了各種光源,十之八九要出現這兩條亮黃線。他們又研究太陽光譜,找到了更多的黑線(后來人們把這種黑線叫做方和斐線)。但是他們和方和斐一樣,都說不清楚這是怎么回事。
    現在,輪到本生和基爾霍夫來做實驗了。

謎解開了

    基爾霍夫帶了他的儀器,來到本生的實驗室。這套儀器是些什么樣的寶貝呀?一塊方和斐親手磨制的石英三棱鏡;一個直筒望遠鏡,已經被基爾霍夫鋸成兩截;還有一個雪茄煙盒;一片打了一道狹縫的圓鐵片。都是一些最普通的東西。他們正是用這套簡單的儀器,完成了偉大的科學發現。
    實驗的準備工作開始了?;鶢柣舴蛟谘┣褵熀袃群狭艘粚雍诩?,把三棱鏡安裝在煙盒中間。在對著三棱鏡的兩個面的位置上,把煙盒開了兩個洞:一個洞裝上望遠鏡的目鏡的那半截,這是方和斐的窺管;另一個洞裝上望遠鏡的另外半截,物鏡在盒內對著三棱鏡,朝外的筒口上蓋著那開有細縫的圓鐵片,這叫做平行光管。各部分都固定了,煙盒蓋上了,世界上第一臺“分光鏡”就裝配好了。
    本生也沒閑著,他在準備試料。試料有各種純的金屬,各種純的化合物的溶液。幾把白金絲做的小圈,也用硝酸洗得干干凈凈。
    基爾霍夫先讓太陽光射在平行光管的細縫上。在窺管中,他看到清晰的太陽光譜,還有那一條條黑色的方和斐線。儀器檢查完畢,沒有毛病。黑窗簾拉上了,本生點著了煤氣燈,基爾霍夫把平行光管對準了煤氣燈的火焰,實驗開始了。
    第一個實驗就是食鹽(氯化鈉)。本生用白金絲蘸了一粒食鹽在燈上燒,火焰立刻變成黃色?;鶢柣舴虬蜒劬惖礁Q管口上。“我看到兩條黃線靠在一起。背景是黑的,只有兩條黃線。”基爾霍夫說。
    本生重復了他一年前的實驗。蘇打,芒硝,硝酸鈉,各種鈉鹽都試過了,結果都一樣,黑的背景上有兩條靠在一起的黃線,而且位置也不改變??磥?,這兩條黃線就是鈉的譜線。
    下一個實驗是鉀。本生用白金絲蘸了些鉀鹽去燒,火焰變成了淡紫色?;鶢柣舴蚩戳藥酌腌?,說道:“在黑暗背景上有一條紫線和一條紅線。當中的光譜連成一片,沒有明亮的線條。”
    實驗在繼續。
    所有的鋰鹽都產生一條明亮的紅線和一條較暗的橙線;所有的鍶鹽都產生一條明亮的藍線和幾條紅線、橙線和黃線??傊?,每種元素都產生幾條特有的譜線,這些譜線都有固定的位置。
    本生和基爾霍夫輪換著燒蘸有各種物質的白金絲,輪換著看光譜。后來,本生裝了一個架子把白金絲夾住,兩個人在自制的分光鏡前你看一眼我看一眼,一直看到眼睛都花了。
    他們還不想休息,準備做一個新的實驗?;鶢柣舴蛉嘀l酸的眼睛,在屋內走來走去。本生也一聲不響,他把幾種不同的鹽混在一起。
    實驗開始了,本生用白金絲把混合的鹽送到火焰中去,火焰立刻變成亮黃色?;鶢柣舴蚺吭诜止忡R前仔細觀察。實驗室內靜悄悄的,最后,基爾霍夫說話了:“你摻在一起的有鈉鹽、鉀鹽、鋰鹽和鍶鹽。”
    “對!”本生激動極了。他把白金絲夾在架子上,立刻跑過去看。光譜顯示得十分清楚:兩條靠在一起的亮黃線是鈉的;那條紫線是鉀的;紅線是鋰的;屬于鍶的那條藍線也很清楚。
    成功了!他們這時候的高興勁兒是可以想象出來的。他們創立了一種新的化學分析方法──光譜分析法。

大搜查

    本生和基爾霍夫像著迷一樣,在實驗室中夜以繼日地工作。他們編制了各種已知元素的光譜表,凡是能搞到手的東西,他們都要放到燈上去燒一燒,看一看光譜,搜查里面到底有些什么元素。
    光譜分析法非常靈敏,只要1毫克(千分之一克)的三百萬分之一的鈉,送到火焰里,在光譜中就能看到鈉的黃線。只要用手指摸一下白金絲,就可以燒出黃線,因為汗水中就有氯化鈉;他們發現海水中,牛奶中,煙灰中,都含有鋰。
    更重要的是他們用光譜分析方法在一種礦泉水中發現了新元素銫;在一種云母礦中又發現了另一種新元素銣。在銫的光譜中有兩條美麗的藍色的譜線,因此,他們把它叫做“銫”—拉丁文的原意是“藍色的”;銣的光譜中有兩條深紅色的譜線,因而就被稱為“銣”—拉丁文的原意是“紅色的”。
    銫和銣的發現,是光譜分析的第一個大勝利!
    光譜分析這種新方法很快就推廣了,不少工廠成批地制造分光鏡和光譜儀?,F在,任何一個大的化驗室中都有光譜儀,并且利用照相代替了肉眼觀測?,F代的光譜儀不僅能分析物質的組成,還能求出其中各種元素的含量。而各種光譜儀的老祖宗,就是基爾霍夫和本生裝配的那臺簡陋的分光鏡。
    用光譜分析各種物質的組成,用光譜尋找新的元素,一時成了最時髦的科學研究工作。許多科學家在實驗室中裝了分光鏡,參加了這次大搜查。除了本生和基爾霍夫發現的銣和銫以外,別的科學家還發現了鉈、銦、鎵、鐿、鈦、銩、釤、釹、鐠等元素。這中間還有一個重要的元素,那就是我們要講的太陽元素——氦。

又解開了一個謎

    正當本生忙于搜羅各種東西進行光譜分析的時候,基爾霍夫總想著他的那位物理學前輩方和斐觀察到的黑線。他認為這個謎一定要解開:為什么太陽光譜的黑線恰好和鈉的兩條黃線位置一樣呢?難道太陽上缺少鈉嗎?
    1859年10月的一天,基爾霍夫開始研究這個問題。他先用分光鏡看太陽的光譜,記住了D線的位置,然后遮住陽光,點燃了本生燈,在燈上燒起鈉鹽。果然,鈉的兩條亮黃線正好出現在太陽光譜的D線的位置上。
    基爾霍夫想:讓太陽光和燒鈉的燈光同時射人分光鏡,鈉的亮黃線能不能把太陽光譜的黑線補起來呢?他打開遮板,讓太陽光穿過本生燈的火焰照人分光鏡。他在火焰上燒起鈉鹽來,火焰變黃了。但是出乎意料,在分光鏡中,他看到太陽光譜中的兩條D線不但沒有亮起來,反而變得更黑了。
    真奇怪!再擋住太陽光看一看,鈉的兩條亮黃線又出現了,而且正在那兩條黑線的位置。
    基爾霍夫想了很久,他又準備了一個新的實驗。他不用太陽光了,換用了石灰光。用溫度很高的氫氧焰去燒石灰,石灰會發出耀眼的白光?;鶢柣舴蛑?,石灰光的光譜是連成一片的,沒有特別亮的線,也沒有方和斐黑線。
    基爾霍夫在石灰光和分光鏡中間放上本生燈,燒起鈉鹽???!石灰光的連續光譜上出現了兩條黑線,正好在太陽光譜的D線的位置上。換一種鹽試試,又出現了新的黑線,位置和那種鹽的譜線的位置一樣。
    原來是這樣!基爾霍夫激動得一夜沒睡,第二天趕忙跑去找本生。“昨天我弄清楚了:太陽上不是沒有鈉,而是有鈉!”
    太陽中心的溫度極高,發出來的光本來是連續光譜。但是太陽外圍的氣體溫度比較低。在這外圍氣體中有什么元素,就會把連續光譜中的相應的譜線吸收掉。這正像本生燈中的鈉蒸氣,能使石灰光的連續光譜出現兩條黑線一樣。
    方和斐黑線的謎解開了。原來這些黑線和亮線一樣,也能表示太陽大氣中有什么元素。
    本生和基爾霍夫又用鐵作了實驗。鐵的光譜有60多條亮線,而在太陽光譜中,這60多條亮線的位置上正好有60多條方和斐線。這說明:太陽上有鐵。
    1859年10月20日,基爾霍夫向柏林科學院報告了他的發現。他根據太陽光譜中方和斐線的位置,證明太陽上有氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素。
    這個新發現立刻傳遍全球:本生和基爾霍夫在地球上的實驗室里,測出了太陽是由什么組成的!我們開頭提到的那位哲學家的結論,這一回徹底破產了。自此以后,光譜分析不僅化學家經常用,也成為天文學家的有力手段。天文學家利用光譜,不斷地揭露遙遠的星球的秘密。
    就這樣,物理學家幫助化學家解決了化學的難題,化學家幫助物理學家解決了物理學的難題,他們還共同解決了天文學的難題。

太陽元素

    日全食是天文學家研究太陽的最好機會。這時候,月亮正運轉到地球和太陽中間,把太陽完全遮住了。這樣就可以看清楚太陽最外層的大氣——日冕,還可以看到太陽表面噴出的巨大火焰—日珥。
    1860年7月16日,在西班牙發生日全食。許多天文學家把注意力集中在日珥上,還畫下了圖。大家都想解釋,太陽表面的這種突出物到底是什么。但是日全食只有幾分鐘的時間,要想仔細研究,得等待下一次機會。
    八年以后,1868年8月18日,印度又發生日全食。法國的天文學家詹森帶著分光鏡,長途跋涉來到印度。日全食開始了,詹森把分光鏡的細縫對準了日珥。他看到了幾條亮線:一條紅的,一條藍的,還有一條黃的。很清楚,紅線和藍線是氫的譜線。而那條黃線呢?難道是鈉的嗎?鈉應該有兩條黃線,可是只觀測到一條??!他想再看看清楚,但是日全食已經過去了。難道又要等上十年八年,到下次日全食的時候再研究嗎?
    詹森注意到這幾條線很亮,因此他想:不是日食的時候,也許同樣能觀測到日珥的光譜。
    第二天,太陽又升起在天空中。詹森把分光鏡的狹縫對準太陽的邊緣,相當于昨天看到的日珥的位置,昨天觀測到的光譜又出現在分光鏡里。成功了!經過研究,詹森發現那條黃線不是鈉的兩條譜線,而是在鈉的譜線旁邊的一條新的譜線。
    詹森立刻寫信把他的發現報告法國科學院。當時的交通很不方便,這封信在路上走了兩個多月,于10月26日才到達巴黎。
    無巧不成書,在法國科學院收到詹森的信的同一大,還收到了一封從英國寄來的信。這是英國天文學家羅克耶在10月20日寫的,報告的是同一件事。羅克耶在英國用同樣方法觀察了日珥,也發現了那條不屬于鈉的新的黃線。
    這兩封信同時在法國科學院宣讀。大家驚嘆萬分,決定鑄造一塊金質的紀念牌:一面刻著駕著四套馬戰車的傳說中的太陽神阿波羅像,另一面刻著詹森和羅克耶的頭像,下面寫著:“1868年8月18日太陽突出物分析”。
    詹森和羅克耶在日珥的光譜中發現了什么呢?就是那條新的黃線。經過查對,這條黃線跟當時已知的各種元素的譜線都不重合。結論只有一個,這條黃線屬于一種未知的新元素。
    這種未知的新元素不是在地球上,而是用光譜分析,首先在太陽上找到的。羅克耶把這種新的元素命名為helium(希臘文“太陽”的意思)──我國就譯作“氦”。
    太陽元素—氦被發現了,但是它有什么樣的性質,人們還沒法知道。天文學家們猜測:氦可能是一種很輕的氣體。
    關于怎樣在地球上找到氦的故事,我們下邊再講。

 

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