光谱分析法

1  焰色反应

提起光谱分析法，首先要提到德国化学家罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811一1899）。他发明了本生灯，由于火焰无色且温度高，现在有的化学实验室还在使用。

图1 本生和本生灯

1858年，在使用本生灯时，本生注意到不同物质的灼烧会让火焰的颜色发生变化，于是他开始研究焰色和物质的关系。

他灼烧食盐（氯化钠），发现火焰变成黄色。为了分辨是氯还是钠让焰色变黄，本生又分别使用纯碱（碳酸纳）和芒硝（硫酸钠）来做试验，发现也是黄色。最后他将金属钠放到火焰里，火焰立刻变成亮黄色，由此证明是钠对焰色起了作用。

现在我们把某些金属或它们的化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特征颜色的反应称为焰色反应。比如锂离子为紫红色、钡离子为黄绿色、钙离子为砖红色、钾离子为浅紫色、铜离子为绿色等。节日五颜六色的烟花就是各种金属离子焰色反应的全面展示。

本生为自己发明了一种新的化学分析方法而高兴，但是在对混合溶液的分析中遇到了困难。这时，本生的好朋友，物理学家基尔霍夫（1824-1887）来帮忙了。

图2 基尔霍夫（左）和本生（右）

2  光谱分析方法

在之前的物理学研究中，牛顿大神曾经用三棱镜分析太阳光的色彩，德国光学家方和斐曾用狭缝和三棱镜研究过太阳的光谱，并且发现了太阳光谱中有许多黑线。

基尔霍夫，这位提出基尔霍夫电路定律的“电路求解大师”，参照方和斐的方法，使用三棱镜、望远镜、一片打了一道狭缝的圆铁片等简陋的设施搭建了一套仪器，确定了每种物质特有的谱线，最终成功辨别出混合溶液中含有的金属离子。

图3 首个光谱仪

光谱分析法就这样诞生了。这个方法灵敏好用，他们又据此发现了两种新元素：铯和铷。

3  太阳的元素

基尔霍夫在研究中注意到：太阳光谱的黑线中，有两条恰好和钠的两条黄线位置一样。难道太阳上缺少钠吗？

基尔霍夫使用同样发出白光的石灰替代太阳，发现没有方和斐黑线。基尔霍夫在石灰光和分光镜中间放上本生灯，烧起钠盐。石灰光的连续光谱上出现了两条黑线，正好在太阳光谱的黑线位置上。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。

经过反复对比实验，基尔霍夫证明太阳上不是没有钠，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。

1825年法国哲学家孔德在他的《实证哲学讲义》中断言，“恒星的化学组成是人类绝不能得到的知识”，以此来说明人类认识的局限性。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。他用科学成功宣布了哲学家孔德的无知。

4  光谱分析法的应用

光谱分析法推广得很快，现在的光谱分析仪不仅能分析物质的组成，还能求出其中各种元素的含量，已经成为各行各业必不可少的技术手段。天文学家也在利用光谱分析法，不断地揭露遥远星球的秘密。

参考书目:

《打开原子的大门》郭正谊 湖南教育出版社