撰文 | KKC
新春佳节，色彩缤纷、造型各异的烟花在夜空中绽放，烘托出喜庆的节日氛围。在欣赏绚烂烟花的同时，你可能想象，人类研究太阳上元素组成的科学历程，其实就和烟花发出的丰富色彩有关？
烟花能展现出五彩缤纷的颜色，来源于制造过程中加入的特定金属化合物（或称金属盐）。这些金属盐在燃烧时会发生焰色反应，呈现出特殊的颜色。金属离子不同的化合物在燃烧时，火焰的颜色也不同，比如钠盐发黄光，锶盐发红光，钡盐发绿光等等。因此，人们很早就用焰色反应来定性分析化合物的组成。
那么，焰色反应怎么会和太阳的组成联系在一起呢？这要从物理学家对太阳光的研究说起。
1666 年，艾萨克・牛顿 (Issac Newton) 在家休假时进行了光的色散实验。他布置了一间暗室，在窗板上开了一个小圆孔，在小孔前放上三棱镜。他发现穿过小圆孔的太阳光在透过三棱镜后会发散，形成像彩虹一样的光斑。色散实验证明太阳光并不是单色光，而是有多种颜色的光组成的。牛顿将色散形成的色带称为光谱 (spectrum)，一门全新的学科也自此诞生 —— 光谱学。
将近 100 年后，来自苏格兰的托马斯・梅尔维尔 (Thomas Melvill) 将类似的实验方法用在了焰色反应上。1752 年，梅尔维尔将海盐、明矾等材料加入燃烧的酒精中，用棱镜观察火焰的颜色，发现在光谱中有位置固定的黄线。后来的威廉・塔尔博特 (William Talbot) 等人在实验中发现，每种化学元素在焰色反应中会产生自身特有的光谱线，梅尔维尔的黄线实际上是钠元素的特征谱线，来源于材料中含钠元素的杂质。
焰色反应能产生和化学元素相对应的光谱线，而在 1801 年，英国化学家威廉・沃拉特森 (William Wollaston) 在太阳光谱中发现了神秘的暗线。沃拉特森改进了牛顿的实验，将太阳光经过的小圆孔改成了狭缝，色散后得到一条狭长光带。出人意料的是，这条光带并不是完全连续的，而是有 7 条非常窄的暗线。
根据光的波动理论，每种颜色的光都有对应的波长 (wavelength)，波长就像光的身份证一样，一条光谱线就代表着具有某个波长的光。化学元素的焰色反应发出的光谱线有元素自身特有的波长，而太阳光谱中出现暗线，则意味着某些波长的光消失了。可惜的是，沃拉特森以为这些暗线只是颜色的分界线，并没有继续深究。
事实上，太阳光谱中消失的谱线远远不止 7 条，但是需要更精密的仪器才能发现。德国物理学家约瑟夫・冯・夫琅禾费 (Joseph von Fraunhofer) 就是一位制作玻璃的天才，能制造出当时世界上最精密的光学仪器。他发明了第一台现代意义上的光谱仪，提高了对太阳光谱的分析精度，从而在太阳光谱中发现了多达 574 条暗线，并且对其中的主要暗线用 A 到 K 搭配数字做了标注。这些暗线后来也被称为夫琅禾费线 (Fraunhofer lines)。
为什么太阳光谱中会出现夫琅禾费线？夫琅禾费线与焰色反应的光谱线又有着怎样的联系？德国的一对科学家组合 —— 古斯塔夫・基尔霍夫 (Gustav Kirchhoff) 和罗伯特・本生 (Robert Bunsen) 最终揭开了这些问题的答案。
1859 年，基尔霍夫和本生分析了大量化学元素燃烧产生的光谱线，做出了一个惊人的发现 —— 夫琅禾费线和部分元素的谱线在波长上有惊人的一致性，每条夫琅禾费线都能找到某个元素的谱线相对应。比如说，夫琅禾费线的 D 线波长大约是 589nm，和钠元素的谱线波长相近；L 线的波长大约是 382nm，和铁元素的一条谱线波长相近等等。
基尔霍夫还在实验中观察到，太阳光经过钠蒸汽后，太阳光谱中的 D 线会变得更暗。他结合理论和实验提出，化学元素不仅在焰色反应等过程中发射出特定波长的光 (发射光谱)，还会在一些低温条件下吸收特定波长的光 (吸收光谱)。更重要的是，同一元素发射和吸收所对应的光谱线具有相同的波长。
因此，基尔霍夫得出结论，太阳光谱出现暗线，是因为部分波长的光被太阳大气中的元素吸收了。也就是说，太阳光谱中的暗线所代表的是太阳上元素的吸收光谱。举个例子，铁元素一条发射谱的波长是 382nm，因为铁发射和吸收光谱的波长相同，所以在太阳光经过大气时，波长为 382nm 的光线就会被太阳中的铁元素吸收或者说“拦截”了，最终在地球接收到的太阳光谱上呈现出暗淡的 L 线。
这是一个划时代的发现。如果已知某种化学元素的发射光谱波长，同时在太阳光谱上发现了同样波长的暗线，那就说明太阳上存在有这种元素。（有一部分暗线可能由地球大气等其他因素产生）目前已知太阳由氢、氦、氧、碳、铁等 90 多种元素组成，其中很大一部分依据来源于对太阳光谱的研究。
基尔霍夫的发现还有更深远的意义。后续实验表明，太阳上吸收的谱线都能在地球上元素发射的谱线中找到对应，说明太阳的元素和地球的元素是统一的。物理学家还把目光投向了宇宙的更远方，发现在恒星和星云的光谱中同样存在暗线，而且和元素的发射光谱在波长上高度一致，进一步证明整个宇宙的组成元素都具有统一性。自此，一个专门通过光谱研究天体性质的学科 —— 天体光谱学 (Astronomical spectroscopy) 诞生了。
想象一下，当我们在山巅迎接初生的旭日，或是在夜晚抬头仰望满天的繁星，感叹于宇宙天体的宏伟壮观之时，物理学家却只需要稍加研究几条暗淡的光线，就能获知这些天体的元素组成，这是多么的神奇和美妙！而我们能窥探这些奥秘的原因，其实就隐藏在烟花发出的绚烂色彩和太阳光的神秘暗线之间的美妙巧合之中。
参考资料：
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[1]Rigden, John S. Hydrogen: the essential element. Harvard University Press, 2003.
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[2]Hearnshaw, John B. The analysis of starlight: two centuries of astronomical spectroscopy. Cambridge University Press, 2014.
-
[3]Jackson, Myles W. Spectrum of belief: Joseph von Fraunhofer and the craft of precision optics. Mit Press, 2000.
-
[4] 王爽. 《宇宙奥德赛・漫步太阳系》 清华大学出版社，2018.
-
[5]https://www.usgs.gov/media/images/what-minerals-produce-colors-fireworks
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[6]https://scientificgems.wordpress.com/2020/03/25/chemistry-can-be-beautiful-the-classic-flame-test/
-
[7]https://www.spectroscopyonline.com/view/timeline-atomic-spectroscopy
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[8]https://webbtelescope.org/contents/media/images/01F8GF9E8WXYS168WRPPK9YHEY
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[9]https://publiclab.org/notes/cfastie/3-2-2013/fraunhofer
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[10]https://viewspace.org/interactives/unveiling_invisible_universe/analyzing_light/spectrum_of_the_star_altair
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https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Melvill
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https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_von_Fraunhofer
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https://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff
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https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_spectroscopy
本文来自微信公众号：把科学带回家 （ID：steamforkids），作者：万物