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太阳元素的发现

来源:dento 发布时间:2011-8-22 9:06:17
能知道太阳的组成吗?

    我们现在要讲一种物质。这种物质最初是在太阳上发现的,后来才在地球上找到。
    万物生长靠太阳。太阳是一个庞大的火球,给我们光和热。自从发明了望远镜,人们用望远镜研究太阳,看清楚了太阳表面的光斑和黑子。日全食的时候,还可以看到从太阳表面喷出的巨大的火焰—日珥。但是太阳的化学成分是什么,单靠望远镜是看不出来的。
    1825年,有一位法国哲学家,名叫孔德,他在他的哲学讲义中武断地说:“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”他的话似乎有点道理。太阳虽然是最近的一颗恒星,但是离我们也有1.5亿千米。谁能飞到这样远的太阳上去取一些物质回来,在化学实验室里作分析呢?况且太阳表面的温度就有6000摄氏度。这是无论如何做不到的。
    然而,这位哲学家的结论下得早了一点。1859年,就在孔德死后不到三年,一位化学家和一位物理学家合作,发明了一种很巧妙的方法,可以不用离开地球,就能够测定太阳、恒星等遥远的天体的化学组成。
    这位化学家是本生,这位物理学家是基尔霍夫。他们发明的方法叫做光谱分析。

本生和他的灯

    本生是德国人,1830年,他大学毕业,才19岁。以后,他除了在大学教书,还研究鼓风炉顶上冒出来的气体,创立了气体分析的方法。1854年,汉堡市开办了煤气工厂,本生的实验室里也装上了煤气。本生发明了一种新式的煤气灯,可以很方便地调节火焰的大小和温度。这种灯,现在的化学实验室中还在使用,大家管它叫本生灯。
    故事就是从本生的灯开始的。
    本生灯燃烧得最好的时候,温度能达到2300摄氏度,火焰几乎没有颜色。有时候灯没有调节好,火焰会缩到灯管里去,铜制的灯管烧红了,火焰就变成了蓝绿色。而在灯上弯玻璃管的时候,玻璃管烧红了,火焰又变成黄色。这些现象引起了本生的注意。他开始研究各种物质在灯上烧的时候,焰色会发生什么变化。
    本生用白金镊子夹了一粒普通的食盐,放到火焰中烧,火焰立刻变成亮黄色,同时闻到呛人的氯气的气味—是高温把食盐(氯化钠)分解了。但是火焰为什么变黄呢?是氯的作用还是钠的作用呢?
    为了搞清楚这个问题,本生选用了一些不含氯而含钠的化合物,例如纯碱(碳酸钠)和芒硝(硫酸钠)来做试验。如果这些物质也能使火焰变黄,就可以证明是钠起了作用。结果正是这样。纯碱和芒硝一放到火焰中,火焰立刻变黄了。
    最后,本生把金属钠放在火焰中烧,火焰也立刻变成亮黄色。这个决定性的实验,证实了使火焰变黄的确实是钠。实验的成功使本生产生了新的想法:除了钠,别的金属是不是也能使火焰变色呢?他把实验室中所有的化学药品和金属,都一一做了试验。
    本生发现,钾和钾的各种化合物使火焰变紫,而钡是绿色火焰,钙是砖红色火焰,锶是亮红色火焰,等等。这是1858年秋天的事,他把这些发现详细地记在实验记录本中。
    本生真高兴,他相信他已经发明了一种新的化学分析方法。这种方法不需要复杂的设备,操作又非常简单,只要把需要分析的物质放在灯上烧一烧,看一下火焰的颜色,就能知道它含有什么金属。现在需要的是研究火焰的语言,弄懂各种彩色信号代表什么元素。

彩色火焰之谜

    本生搜集了各种各样的化合物来做实验,他用一根白金丝,一端弯一个小圈。用这个工具蘸上一滴溶液,就可以放到火焰中去烧。本生根据他的实验记录编了一张表,列举了什么物质产生什么焰色,反过来也可以由焰色判定是什么物质。
    信号表编好了,但是用起来并不那么简单,因为需要分析的物质不一定都是纯粹的化合物。遇到混合物会怎么样呢?本生做了一些混合物的焰色试验,结果出现了这样的情况:
    钠盐溶液──黄色火焰。
    混有钾盐的钠盐溶液──黄色火焰。
    混有锂盐的钠盐溶液──黄色火焰。
    用三个灯同时烧这三种溶液,结果都出现黄色火焰,看不出任何差别。钠的黄色光太亮了,遮盖了钾的紫色光和锂的红色光。
    本生没有灰心,他找来了各种不同颜色的玻璃片,透过有色玻璃去观察火焰。一块深蓝色的玻璃可以吸收掉钠的黄色光,透过蓝玻璃,看出了混在钠盐中的钾盐的紫色光,看出了混在钠盐中的锂盐的红色光。这有色眼镜帮了他的大忙。
    但是问题并没有彻底解决。一种未知物质的溶液,能使火焰变成深红色。查查信号表:锂盐—深红色;锶盐—深红色。这未知物质是锂盐还是锶盐呢?分辨不清。本生找了各种颜色的玻璃,想用来区别两种深红色的火焰,但是他失败了。
    就在这困难的时候,物理学家来帮忙了。

物理学家的建议

    本生有个亲密的朋友叫基尔霍夫,是位物理学教授。他们俩经常在一起散步和谈心。
    1859年初秋,本生在实验室中做焰色试验已经快一年了。这一天,本生跟基尔霍夫一起散步,他详细地讲了自己的实验和碰到的困难。
    “分辨火焰的颜色!分辨火焰的颜色!……”基尔霍夫一边思索,一边喃喃地说。
    基尔霍夫对物理学十分精通,他立刻想起物理界的前辈牛顿首先研究过太阳光,用三棱镜把太阳光分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色;他也想起了已经去世30多年的德国光学专家方和斐,方和斐在45年前自己磨制了石英的三棱镜,详细研究了太阳光和各种灯光的光谱。基尔霍夫不但对方和斐的实验了解得很清楚,连方和斐亲手磨制的那块三棱镜,还保存在基尔霍夫的实验室中。
    基尔霍夫沉思了一会,对本生说:“我是搞物理的。从物理学的角度来看,我认为应当换一个方法试试。那就是不要直接观察火焰的颜色,而应该去观察火焰的光谱。这就可以把各种颜色清清楚楚地区别开了。”
    这是多么好的建议啊!
    本生和基尔霍夫越谈越投机,一个物理学和化学合作的研究方案就这样定下来了。基尔霍夫回去准备实验用的仪器。本生也回到自己的实验室,他把四面的窗户都挂上了遮光的黑布,准备迎接基尔霍夫和他的仪器。

方和斐发现了什么?

    在没有讲本生和基尔霍夫的实验以前,我们先来讲讲1814年方和斐的实验。
    方和斐在小黑屋子的窗板上开了一条狭缝,太阳光通过这条缝射进屋里,成为一条扁扁的光束。在光束经过的地方放上一块三棱镜。这条光束通过三棱镜,就变成了宽大的扇形,落在对面的墙上,成为从红到紫的各种颜色的光带,这就是太阳的光谱。原来太阳的白光并不是单色的,而是混在一起的各种颜色的光。不同颜色的光通过三棱镜,偏转程度各不相同:紫色光偏转最大,红色光偏转最小,其他颜色的光的偏转程度在紫色光和红色光之间。正因为这个缘故,通过三棱镜的一束太阳光就被拆开了,变成按颜色排列的彩色光谱。
    方和斐实际上在重复他的老前辈牛顿的实验,但是作了不少改进。他做了一条使光通过的狭缝;为了把光谱观察得更清楚,还用凸透镜作了一个窥管。方和斐研究了多种灯光的光谱。他本来想找一种只发出一种颜色的光的光源,这个目的没有达到,却发现了另外一些更重要的现象。
    方和斐把一盏油灯放在狭缝外面,观察油灯光的光谱。他发现光谱带上有两条极其明亮的黄线,宽窄和狭缝一个样。不管怎样移动三棱镜的位置,转动窥管里的透镜,两条明亮的黄线依然存在。
    方和斐拿掉油灯,换上酒精灯,还是有两条黄线;再换上蜡烛,两条黄线依然存在。不仅如此,只要三棱镜和窥管的位置不变,不管是什么灯光,两条黄线总在老位置上。
    应该再研究一下太阳光。方和斐用一面镜子,把阳光反射进狭缝。他在太阳的光谱中找那两条明亮的黄线。可是没有,却发现太阳光谱中有许多黑线。方和斐仔细数了数,黑线有500多条,有的深些,有的淡些。他给那些最深的最清楚的黑线,用A、B、C、D、E等编了号。
    看来,太阳光在黑线的位置上,少了某一些颜色的光。
    经过仔细观察,方和斐发现灯光光谱中的那两条亮黄线,恰好落在太阳光谱中编号为D的那两条深黑线上,也就是说,位置恰好相同。
    这真是怪事,灯光发出来的亮黄线,太阳光里恰好没有。但是,方和斐没能解释这是什么原因。
    在方和斐以后,有不少人做了类似的实验。他们分析了各种光源,十之八九要出现这两条亮黄线。他们又研究太阳光谱,找到了更多的黑线(后来人们把这种黑线叫做方和斐线)。但是他们和方和斐一样,都说不清楚这是怎么回事。
    现在,轮到本生和基尔霍夫来做实验了。

谜解开了

    基尔霍夫带了他的仪器,来到本生的实验室。这套仪器是些什么样的宝贝呀?一块方和斐亲手磨制的石英三棱镜;一个直筒望远镜,已经被基尔霍夫锯成两截;还有一个雪茄烟盒;一片打了一道狭缝的圆铁片。都是一些最普通的东西。他们正是用这套简单的仪器,完成了伟大的科学发现。
    实验的准备工作开始了。基尔霍夫在雪茄烟盒内糊上了一层黑纸,把三棱镜安装在烟盒中间。在对着三棱镜的两个面的位置上,把烟盒开了两个洞:一个洞装上望远镜的目镜的那半截,这是方和斐的窥管;另一个洞装上望远镜的另外半截,物镜在盒内对着三棱镜,朝外的筒口上盖着那开有细缝的圆铁片,这叫做平行光管。各部分都固定了,烟盒盖上了,世界上第一台“分光镜”就装配好了。
    本生也没闲着,他在准备试料。试料有各种纯的金属,各种纯的化合物的溶液。几把白金丝做的小圈,也用硝酸洗得干干净净。
    基尔霍夫先让太阳光射在平行光管的细缝上。在窥管中,他看到清晰的太阳光谱,还有那一条条黑色的方和斐线。仪器检查完毕,没有毛病。黑窗帘拉上了,本生点着了煤气灯,基尔霍夫把平行光管对准了煤气灯的火焰,实验开始了。
    第一个实验就是食盐(氯化钠)。本生用白金丝蘸了一粒食盐在灯上烧,火焰立刻变成黄色。基尔霍夫把眼睛凑到窥管口上。“我看到两条黄线靠在一起。背景是黑的,只有两条黄线。”基尔霍夫说。
    本生重复了他一年前的实验。苏打,芒硝,硝酸钠,各种钠盐都试过了,结果都一样,黑的背景上有两条靠在一起的黄线,而且位置也不改变。看来,这两条黄线就是钠的谱线。
    下一个实验是钾。本生用白金丝蘸了些钾盐去烧,火焰变成了淡紫色。基尔霍夫看了几秒钟,说道:“在黑暗背景上有一条紫线和一条红线。当中的光谱连成一片,没有明亮的线条。”
    实验在继续。
    所有的锂盐都产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线;所有的锶盐都产生一条明亮的蓝线和几条红线、橙线和黄线。总之,每种元素都产生几条特有的谱线,这些谱线都有固定的位置。
    本生和基尔霍夫轮换着烧蘸有各种物质的白金丝,轮换着看光谱。后来,本生装了一个架子把白金丝夹住,两个人在自制的分光镜前你看一眼我看一眼,一直看到眼睛都花了。
    他们还不想休息,准备做一个新的实验。基尔霍夫揉着发酸的眼睛,在屋内走来走去。本生也一声不响,他把几种不同的盐混在一起。
    实验开始了,本生用白金丝把混合的盐送到火焰中去,火焰立刻变成亮黄色。基尔霍夫趴在分光镜前仔细观察。实验室内静悄悄的,最后,基尔霍夫说话了:“你掺在一起的有钠盐、钾盐、锂盐和锶盐。”
    “对!”本生激动极了。他把白金丝夹在架子上,立刻跑过去看。光谱显示得十分清楚:两条靠在一起的亮黄线是钠的;那条紫线是钾的;红线是锂的;属于锶的那条蓝线也很清楚。
    成功了!他们这时候的高兴劲儿是可以想象出来的。他们创立了一种新的化学分析方法──光谱分析法。

大搜查

    本生和基尔霍夫像着迷一样,在实验室中夜以继日地工作。他们编制了各种已知元素的光谱表,凡是能搞到手的东西,他们都要放到灯上去烧一烧,看一看光谱,搜查里面到底有些什么元素。
    光谱分析法非常灵敏,只要1毫克(千分之一克)的三百万分之一的钠,送到火焰里,在光谱中就能看到钠的黄线。只要用手指摸一下白金丝,就可以烧出黄线,因为汗水中就有氯化钠;他们发现海水中,牛奶中,烟灰中,都含有锂。
    更重要的是他们用光谱分析方法在一种矿泉水中发现了新元素铯;在一种云母矿中又发现了另一种新元素铷。在铯的光谱中有两条美丽的蓝色的谱线,因此,他们把它叫做“铯”—拉丁文的原意是“蓝色的”;铷的光谱中有两条深红色的谱线,因而就被称为“铷”—拉丁文的原意是“红色的”。
    铯和铷的发现,是光谱分析的第一个大胜利!
    光谱分析这种新方法很快就推广了,不少工厂成批地制造分光镜和光谱仪。现在,任何一个大的化验室中都有光谱仪,并且利用照相代替了肉眼观测。现代的光谱仪不仅能分析物质的组成,还能求出其中各种元素的含量。而各种光谱仪的老祖宗,就是基尔霍夫和本生装配的那台简陋的分光镜。
    用光谱分析各种物质的组成,用光谱寻找新的元素,一时成了最时髦的科学研究工作。许多科学家在实验室中装了分光镜,参加了这次大搜查。除了本生和基尔霍夫发现的铷和铯以外,别的科学家还发现了铊、铟、镓、镱、钛、铥、钐、钕、镨等元素。这中间还有一个重要的元素,那就是我们要讲的太阳元素——氦。

又解开了一个谜

    正当本生忙于搜罗各种东西进行光谱分析的时候,基尔霍夫总想着他的那位物理学前辈方和斐观察到的黑线。他认为这个谜一定要解开:为什么太阳光谱的黑线恰好和钠的两条黄线位置一样呢?难道太阳上缺少钠吗?
    1859年10月的一天,基尔霍夫开始研究这个问题。他先用分光镜看太阳的光谱,记住了D线的位置,然后遮住阳光,点燃了本生灯,在灯上烧起钠盐。果然,钠的两条亮黄线正好出现在太阳光谱的D线的位置上。
    基尔霍夫想:让太阳光和烧钠的灯光同时射人分光镜,钠的亮黄线能不能把太阳光谱的黑线补起来呢?他打开遮板,让太阳光穿过本生灯的火焰照人分光镜。他在火焰上烧起钠盐来,火焰变黄了。但是出乎意料,在分光镜中,他看到太阳光谱中的两条D线不但没有亮起来,反而变得更黑了。
    真奇怪!再挡住太阳光看一看,钠的两条亮黄线又出现了,而且正在那两条黑线的位置。
    基尔霍夫想了很久,他又准备了一个新的实验。他不用太阳光了,换用了石灰光。用温度很高的氢氧焰去烧石灰,石灰会发出耀眼的白光。基尔霍夫知道,石灰光的光谱是连成一片的,没有特别亮的线,也没有方和斐黑线。
    基尔霍夫在石灰光和分光镜中间放上本生灯,烧起钠盐。看!石灰光的连续光谱上出现了两条黑线,正好在太阳光谱的D线的位置上。换一种盐试试,又出现了新的黑线,位置和那种盐的谱线的位置一样。
    原来是这样!基尔霍夫激动得一夜没睡,第二天赶忙跑去找本生。“昨天我弄清楚了:太阳上不是没有钠,而是有钠!”
    太阳中心的温度极高,发出来的光本来是连续光谱。但是太阳外围的气体温度比较低。在这外围气体中有什么元素,就会把连续光谱中的相应的谱线吸收掉。这正像本生灯中的钠蒸气,能使石灰光的连续光谱出现两条黑线一样。
    方和斐黑线的谜解开了。原来这些黑线和亮线一样,也能表示太阳大气中有什么元素。
    本生和基尔霍夫又用铁作了实验。铁的光谱有60多条亮线,而在太阳光谱中,这60多条亮线的位置上正好有60多条方和斐线。这说明:太阳上有铁。
    1859年10月20日,基尔霍夫向柏林科学院报告了他的发现。他根据太阳光谱中方和斐线的位置,证明太阳上有氢、钠、铁、钙、镍等元素。
    这个新发现立刻传遍全球:本生和基尔霍夫在地球上的实验室里,测出了太阳是由什么组成的!我们开头提到的那位哲学家的结论,这一回彻底破产了。自此以后,光谱分析不仅化学家经常用,也成为天文学家的有力手段。天文学家利用光谱,不断地揭露遥远的星球的秘密。
    就这样,物理学家帮助化学家解决了化学的难题,化学家帮助物理学家解决了物理学的难题,他们还共同解决了天文学的难题。

太阳元素

    日全食是天文学家研究太阳的最好机会。这时候,月亮正运转到地球和太阳中间,把太阳完全遮住了。这样就可以看清楚太阳最外层的大气——日冕,还可以看到太阳表面喷出的巨大火焰—日珥。
    1860年7月16日,在西班牙发生日全食。许多天文学家把注意力集中在日珥上,还画下了图。大家都想解释,太阳表面的这种突出物到底是什么。但是日全食只有几分钟的时间,要想仔细研究,得等待下一次机会。
    八年以后,1868年8月18日,印度又发生日全食。法国的天文学家詹森带着分光镜,长途跋涉来到印度。日全食开始了,詹森把分光镜的细缝对准了日珥。他看到了几条亮线:一条红的,一条蓝的,还有一条黄的。很清楚,红线和蓝线是氢的谱线。而那条黄线呢?难道是钠的吗?钠应该有两条黄线,可是只观测到一条啊!他想再看看清楚,但是日全食已经过去了。难道又要等上十年八年,到下次日全食的时候再研究吗?
    詹森注意到这几条线很亮,因此他想:不是日食的时候,也许同样能观测到日珥的光谱。
    第二天,太阳又升起在天空中。詹森把分光镜的狭缝对准太阳的边缘,相当于昨天看到的日珥的位置,昨天观测到的光谱又出现在分光镜里。成功了!经过研究,詹森发现那条黄线不是钠的两条谱线,而是在钠的谱线旁边的一条新的谱线。
    詹森立刻写信把他的发现报告法国科学院。当时的交通很不方便,这封信在路上走了两个多月,于10月26日才到达巴黎。
    无巧不成书,在法国科学院收到詹森的信的同一大,还收到了一封从英国寄来的信。这是英国天文学家罗克耶在10月20日写的,报告的是同一件事。罗克耶在英国用同样方法观察了日珥,也发现了那条不属于钠的新的黄线。
    这两封信同时在法国科学院宣读。大家惊叹万分,决定铸造一块金质的纪念牌:一面刻着驾着四套马战车的传说中的太阳神阿波罗像,另一面刻着詹森和罗克耶的头像,下面写着:“1868年8月18日太阳突出物分析”。
    詹森和罗克耶在日珥的光谱中发现了什么呢?就是那条新的黄线。经过查对,这条黄线跟当时已知的各种元素的谱线都不重合。结论只有一个,这条黄线属于一种未知的新元素。
    这种未知的新元素不是在地球上,而是用光谱分析,首先在太阳上找到的。罗克耶把这种新的元素命名为helium(希腊文“太阳”的意思)──我国就译作“氦”。
    太阳元素—氦被发现了,但是它有什么样的性质,人们还没法知道。天文学家们猜测:氦可能是一种很轻的气体。
    关于怎样在地球上找到氦的故事,我们下边再讲。

 

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