新春佳节|烟花绚烂色彩的背后，隐藏着太阳元素组成的秘密( 二 ) 新春佳节

文章图片
夫琅禾费线|WikimediaCommons
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(GustavKirchhoff)和罗伯特?本生(RobertBunsen)最终揭开了这些问题的答案。

文章图片
基尔霍夫（左）和本生|WikimediaCommons
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。

文章图片
基尔霍夫所画的部分太阳光谱|参考资料[2]
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。

文章图片
元素的发射光谱和吸收光谱有相同的波长|参考资料[8]
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。

文章图片
太阳光谱中的暗线所代表的是太阳上元素的吸收光谱|参考资料[9]
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(Astronomicalspectroscopy)诞生了。

文章图片
我们同样可以从恒星的光谱中推知其元素组成|参考资料[10]
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光的神秘暗线之间的美妙巧合之中。