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(zhǎng)（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(xiàng)性質(zhì)解析成此輻射的各個(gè)組成波長(zhǎng)對(duì)此性質(zhì)的貢獻(xiàn)[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(shí)精湛的技術(shù)，使人們對(duì)白光的認(rèn)識(shí)和對(duì)顏色的認(rèn)識(shí)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(cè)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(yáng)光色散情況，遺憾的是這位助手并未領(lǐng)會(huì)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(huì)刊》上發(fā)表報(bào)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(yáng)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(duì)光譜的研究。太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)表面上看是很簡(jiǎn)單，實(shí)際上卻有重要認(rèn)識(shí)意義，為光譜研究奠定基礎(chǔ)。

牛頓的棱鏡色散實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)看價(jià)值較小，但對(duì)整個(gè)光譜學(xué)發(fā)展，也許更有激勵(lì)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(rèn)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(cè)“光和顏色的多種多樣是由于物體運(yùn)動(dòng)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(lán)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(cè)物體發(fā)出的光線比通常情況下更集中的時(shí)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(diǎn)綴了一些紅色所組成等。

1752年英國(guó)梅爾維斯報(bào)告了他對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)他的研究太陽(yáng)光譜的各種色光的熱作用。在這個(gè)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(gè)作用判斷紫外線比其他可見光有更高的能量。這實(shí)際是一種熱輻射，輻射與光究竟有什么關(guān)系，當(dāng)時(shí)并不清楚。1802年英國(guó)科學(xué)家沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)中間有七條暗線，并錯(cuò)誤地認(rèn)為這些暗線是光譜顏色的分界線。這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)使他失去了進(jìn)一步突破的機(jī)會(huì)。1803年托馬斯-楊第一次通過光的干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)定了波長(zhǎng)。

2 夫瑯和費(fèi)譜線

德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)曾經(jīng)當(dāng)過光學(xué)技師學(xué)徒，他一直對(duì)各種玻璃的折射率感興趣。弗朗和費(fèi)利用精湛的制作技術(shù)，設(shè)計(jì)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(rèn)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(duì)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(shí)提供了一個(gè)非常有用的測(cè)量折射率的標(biāo)準(zhǔn)。

德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)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(fèi)線。

1814年夫瑯和費(fèi)在觀測(cè)中用太陽(yáng)光替換了燈光，試圖在太陽(yáng)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(shí)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(yáng)光譜中的譜線，發(fā)明了衍射光柵。

夫瑯和費(fèi)進(jìn)行研究時(shí)也是采用牛頓的方法。像牛頓一樣，他也鉆進(jìn)了一間黑屋子，只留了一條狹縫讓陽(yáng)光照進(jìn)去。第一次夫瑯和費(fèi)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(fèi)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(yáng)光的譜帶上仔細(xì)尋找時(shí)，發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)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?cái)嗔颂?yáng)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(fèi)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(cè)過經(jīng)過氣體吸收光譜，并與太陽(yáng)光譜做比較，證明了太陽(yáng)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(duì)于太陽(yáng)的組成成分與光譜之間的關(guān)系，弗朗和費(fèi)并未作出什么斷言，但意識(shí)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(dá)0.04～0.6毫米，刻線間隔達(dá)0.0528～0.6866毫米，他測(cè)得鈉D線波長(zhǎng)為0.00058877毫米，這一精確的數(shù)值，夫朗和費(fèi)是第一位用衍射光柵測(cè)量波長(zhǎng)的科學(xué)家，被譽(yù)為光譜學(xué)的創(chuàng)始人。雖然光柵有很多優(yōu)點(diǎn)，如光柵色散率均勻（克服了棱鏡色散率不均勻的缺陷），但對(duì)光的吸收很有限等制作要求很難普及。后來改進(jìn)刻制技術(shù)，為以后艾格斯特朗編制詳細(xì)太陽(yáng)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(shí)用性學(xué)科，在1859年德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫和德國(guó)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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)發(fā)出的光很強(qiáng)、很亮?？偸茄谏w了其他顏色。在對(duì)物質(zhì)進(jìn)行燃燒時(shí)，很難區(qū)分不同的元素，由于不同的元素燃燒時(shí)會(huì)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(gè)最大的好處，無論鈉在燃燒時(shí)發(fā)出的光多么強(qiáng)、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(duì)某種物質(zhì)燃燒時(shí)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(duì)他們?nèi)紵龝r(shí)產(chǎn)生的光譜進(jìn)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(shí)候，人們已經(jīng)知道了59種元素了。對(duì)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(kuò)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(gè)名叫夫瑯和費(fèi)的科學(xué)家?；鶢柣舴蛘J(rèn)為鈉的光譜和太陽(yáng)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(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他在把本森燈放在狹縫上的同時(shí)，讓日光也照了進(jìn)去，他要看一看這兩種光譜重疊的現(xiàn)象。當(dāng)太陽(yáng)光的強(qiáng)度調(diào)的較弱時(shí)（用毛玻璃擋?。?，夫瑯和費(fèi)線的雙黑線就變成了兩條明亮的鈉譜線，當(dāng)太陽(yáng)光稍強(qiáng)時(shí)，黃色的鈉譜線消失了，再現(xiàn)了那兩條黑色的夫瑯和費(fèi)線，然后，他用石灰燈光代替陽(yáng)光繼續(xù)觀察，他發(fā)現(xiàn)只要把一個(gè)含鈉的燈焰放在石灰燈前，就會(huì)出現(xiàn)那兩條黑色的夫瑯和費(fèi)線了。

因?yàn)楹c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(fèi)線。這充分說明了太陽(yáng)里含有鈉，那么，500多條夫瑯和費(fèi)線也一定和其它相應(yīng)的元素譜線相對(duì)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(yáng)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(fèi)線對(duì)比的方法，查明了太陽(yáng)上的30多種元素與地球上的元素基本上是一致的。這個(gè)驚人的消息立刻傳遍了整個(gè)科學(xué)界，震動(dòng)了全球。到了這個(gè)時(shí)候，在科學(xué)面前，連太陽(yáng)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(rèn)識(shí)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(jìn)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(yuǎn)的影響。光譜學(xué)本質(zhì)上說就是一門以觀測(cè)為基礎(chǔ)的科學(xué)，因?yàn)楣庾V學(xué)的觀測(cè)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(gè)人的發(fā)展成長(zhǎng)。光學(xué)是看到太陽(yáng)光發(fā)射開始進(jìn)而逐步發(fā)展的。

基爾霍夫和本森通過對(duì)夫瑯和費(fèi)光源的解釋確認(rèn)了太陽(yáng)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(duì)光譜現(xiàn)象進(jìn)行解釋，可從中審視到試驗(yàn)，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(duì)人類社會(huì)文化科學(xué)史的必要，進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(cè)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)，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(gè)別星球出現(xiàn)了生命現(xiàn)象。光譜學(xué)對(duì)自然科學(xué)的各個(gè)分支都有幫助，影響了人類生命意義，創(chuàng)造活動(dòng)及科學(xué)實(shí)踐。