1 ?焰色反應(yīng)

提起光譜分析法，首先要提到德國化學(xué)家羅伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811一1899）。他發(fā)明了本生燈，由于火焰無色且溫度高，現(xiàn)在有的化學(xué)實驗室還在使用。

圖1 本生和本生燈

1858年，在使用本生燈時，本生注意到不同物質(zhì)的灼燒會讓火焰的顏色發(fā)生變化，于是他開始研究焰色和物質(zhì)的關(guān)系。

他灼燒食鹽（氯化鈉），發(fā)現(xiàn)火焰變成黃色。為了分辨是氯還是鈉讓焰色變黃，本生又分別使用純堿（碳酸納）和芒硝（硫酸鈉）來做試驗，發(fā)現(xiàn)也是黃色。最后他將金屬鈉放到火焰里，火焰立刻變成亮黃色，由此證明是鈉對焰色起了作用。

現(xiàn)在我們把某些金屬或它們的化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現(xiàn)特征顏色的反應(yīng)稱為焰色反應(yīng)。比如鋰離子為紫紅色、鋇離子為黃綠色、鈣離子為磚紅色、鉀離子為淺紫色、銅離子為綠色等。節(jié)日五顏六色的煙花就是各種金屬離子焰色反應(yīng)的全面展示。

本生為自己發(fā)明了一種新的化學(xué)分析方法而高興，但是在對混合溶液的分析中遇到了困難。這時，本生的好朋友，物理學(xué)家基爾霍夫（1824-1887）來幫忙了。

圖2 基爾霍夫（左）和本生（右）

2 ?光譜分析方法

在之前的物理學(xué)研究中，牛頓大神曾經(jīng)用三棱鏡分析太陽光的色彩，德國光學(xué)家方和斐曾用狹縫和三棱鏡研究過太陽的光譜，并且發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中有許多黑線。

基爾霍夫，這位提出基爾霍夫電路定律的“電路求解大師”，參照方和斐的方法，使用三棱鏡、望遠(yuǎn)鏡、一片打了一道狹縫的圓鐵片等簡陋的設(shè)施搭建了一套儀器，確定了每種物質(zhì)特有的譜線，最終成功辨別出混合溶液中含有的金屬離子。

圖3 首個光譜儀

光譜分析法就這樣誕生了。這個方法靈敏好用，他們又據(jù)此發(fā)現(xiàn)了兩種新元素：銫和銣。

3 ?太陽的元素

基爾霍夫在研究中注意到：太陽光譜的黑線中，有兩條恰好和鈉的兩條黃線位置一樣。難道太陽上缺少鈉嗎？

基爾霍夫使用同樣發(fā)出白光的石灰替代太陽，發(fā)現(xiàn)沒有方和斐黑線?；鶢柣舴蛟谑夜夂头止忡R中間放上本生燈，燒起鈉鹽。石灰光的連續(xù)光譜上出現(xiàn)了兩條黑線，正好在太陽光譜的黑線位置上。換一種鹽試試，又出現(xiàn)了新的黑線，位置和那種鹽的譜線的位置一樣。

經(jīng)過反復(fù)對比實驗，基爾霍夫證明太陽上不是沒有鈉，而是有鈉。

太陽中心的溫度極高，發(fā)出來的光本來是連續(xù)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(xù)光譜中的相應(yīng)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(xù)光譜出現(xiàn)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。

1825年法國哲學(xué)家孔德在他的《實證哲學(xué)講義》中斷言，“恒星的化學(xué)組成是人類絕不能得到的知識”，以此來說明人類認(rèn)識的局限性。1859年10月20日，基爾霍夫向柏林科學(xué)院報告了他的發(fā)現(xiàn)。他根據(jù)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。他用科學(xué)成功宣布了哲學(xué)家孔德的無知。

4 ?光譜分析法的應(yīng)用

光譜分析法推廣得很快，現(xiàn)在的光譜分析儀不僅能分析物質(zhì)的組成，還能求出其中各種元素的含量，已經(jīng)成為各行各業(yè)必不可少的技術(shù)手段。天文學(xué)家也在利用光譜分析法，不斷地揭露遙遠(yuǎn)星球的秘密。

參考書目:

《打開原子的大門》郭正誼 湖南教育出版社