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人類觀察到的光譜現(xiàn)象,一是彩虹,另一個是極光。對可見光譜所作的首次科學研究是1666年牛頓的著名色散實驗,這是人類一開始對光譜的研究。牛頓的色散實驗看到的是一條彩色光帶,并未觀察到光譜譜線。直到136年之后(1802年),英國科學家沃拉斯頓(1766~1828)才采用了窄的狹縫發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的7條暗線,但并未深入研究,錯誤認為是顏色的分界線。
1、夫瑯和費譜線的發(fā)現(xiàn)
德國物理學家夫瑯和費(1787~1826),也采用了狹縫,在研究玻璃對各種顏色光發(fā)折射率時偶然發(fā)現(xiàn)了燈光光譜中的橙色雙線;1814年,發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的許多暗線;1822年,夫瑯和費用鉆石刻刀在玻璃上刻劃細線的方法制成了衍射光柵。
夫瑯和費是第一位用衍射光柵測量波長的科學家,被譽為光譜學的創(chuàng)始人。夫瑯和費利用自己的狹縫和光柵得以編排太陽光譜里576條狹窄的、暗的“夫瑯和費線”。
夫瑯和費線是光譜中最早的基準標識,對這些暗線的解釋一直是其后45年中的一個重要問題。最后,海德堡大學的物理學教授基爾霍夫(1824~1887)給出了答案。他斷言:“夫瑯和費線”與各種元素的原子發(fā)射譜線處于相同波長的位置。這些黑線的產(chǎn)生是由于在太陽外層的原子溫度較低,因而吸收了由較高溫度的太陽核心發(fā)射的連續(xù)輻射中某些特定波長造成的。這種吸收與發(fā)射之間的關系導致他創(chuàng)建了現(xiàn)在眾所周知的基爾霍夫定律。其間:赫歇爾發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)的吸收光譜;布儒斯特觀察過氣體的吸收光譜,并與太陽光譜作比較,證明太陽大氣中含有亞硝酸氣,這是首次用光譜分析方法確定星體中的組成成分。
傅科在1849年對吸收光譜和發(fā)射光譜的關系研究,發(fā)現(xiàn)碳極間的電弧光光譜中橙黃色部分的明亮雙線與夫瑯和費譜線中D1、D2位置恰好一致。
2、光譜分析方法的確定
實用光譜學是由基爾霍夫與本生(1811~1899)在19世紀60年代發(fā)展起來的,他們系統(tǒng)地研究了多種火焰光譜和火花光譜,并指出,每一種元素的光譜都是獨特的,并且只需極少里的樣品便可得到。這樣,他們就牢固地建立起光譜化學分析技術,并利用這種方法發(fā)現(xiàn)了兩種新元素:銣和銫。這兩種元素的發(fā)現(xiàn)是卓越的,因為他比門捷列夫提出的能預言未知元素的周期律還早10年。這是通過光譜分析方法發(fā)現(xiàn)的一些元素中的第一批元素。同時人類應用光譜技術共發(fā)現(xiàn)了18種元素。
他們研究了太陽光,并且首次對環(huán)繞太陽的大氣層作了化學分析,指出環(huán)繞太陽的大氣也是由地球上已知的那些元素組成的。
1859年,本生和基爾霍夫還研制出了第一臺實用的光譜儀。
1868年,瑞典物理學家埃格斯特朗(1814~1874)發(fā)表了“標準太陽光譜”圖表,記載了上千條夫瑯和費譜線的波長,為光譜學研究提供了有價值的標準。為紀念埃格斯特朗將波長的單位定為埃。1882年,美國物理學家羅蘭(1848~1901)研制出平面光柵和凹面光柵,獲得了極其精密的太陽光譜,譜線多達20000多條,新編制的“太陽光譜波長表”被作為國際標準,使用長達30年之久。
3、光譜規(guī)律的探索
從19世紀中葉起,氫原子光譜一直是光譜學研究的重要課題之一。在試圖說明氫原子光譜的過程中,所得到的各項成就對量子力學法則的建立起了很大促進作用。這些法則不僅能夠應用于氫原子,也能應用于其他原子、分子和凝聚態(tài)物質。氫原子光譜中最強的一條譜線是1853年由瑞典物理學家埃斯特朗探測出來的。此后的20年,在星體的光譜中觀測到了更多的氫原子譜線。
1885年,從事天文測量的瑞士科學家巴耳末(1825~1898)找到一個經(jīng)驗公式來說明已知的氫原子譜線的位置,此后便把這一組線稱為巴耳末系。n=3,4,5,……B=364.57nm
繼巴耳末的成就之后,1889年,瑞典光譜學家里德伯(1854~1919)發(fā)現(xiàn)了許多元素的線狀光譜系。
盡管氫原子光譜線的波長的表示式十分簡單,不過當時對其起因卻茫然不知。一直到1913年,玻爾才對它作出了明確的解釋。但玻爾理論并不能解釋所觀測到的原子光譜的各種特征,即使對于氫原子光譜的(強度、寬度、偏振等)進一步的解釋也遇到了困難。能夠滿意地解釋光譜線的成因的是20世紀發(fā)展起來的量子力學。現(xiàn)在,光譜學的應用極為廣泛而多樣化。他提供了長度與時間的基本單位。同時廣泛應用于分析工作、天文學以及衛(wèi)星等各個領域。
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