朝光方向：元素周期表的历史与应用

1859年，杰出的德国化学家本生和物理学家基尔霍夫（G. Kirchhoff）发现了元素的光谱“指纹”，使氦的识别成为可能。他们的成就建立在前人多个发现的基础之上，首先就是牛顿的发现。

只要我们观察一下彩虹就会发现，太阳发射的白光里藏着多种色彩。1666年，牛顿证明了白光由不同颜色的光组成，它们具有不同的折射方向。他通过玻璃棱镜将白光分成光谱，并用另一块棱镜将光谱重新合为白光。

近百年之后的1752年，苏格兰物理学家梅尔维尔（T. Melvill）发现，如果将不同的物质置入火焰，然后使火焰的光通过玻璃棱镜，就会出现一种光谱的“切片”，不同的物质其光谱也不一样。与太阳光的色散（复色光分解为单色光）不同，火焰发出的光只覆盖彩虹中的一部分色彩，而且这个光谱中还有灰暗的空隙。在某些情况下，分解出的色谱大部分都是灰暗的，只有为数不多的几条彩色带。到了19世纪，人们甚至发现阳光的光谱同样并不完整。

1814年，天才的德国透镜工艺家夫琅和费（J. Fraunhofer）拓展了牛顿的成果。他发现，如果让光线先通过一条很窄的缝隙再照射到棱镜上，就可以进一步分离太阳光，揭示出其光谱中的574条暗带。夫琅和费仔细地绘制了这些暗纹，然而暗纹的来源却让他以及后来的几位研究者一直不得其解。

夫琅和费最先发现了太阳光谱中存在暗带，这些暗带现在被称为“夫琅和费谱线”，它们的位置显示出恒星大气层中的气体吸收了特定波长的光

几年后，英国科学家赫歇尔（J. Herschel）和塔尔博特（W. Talbot，两人也都是摄影技术的先驱）提出，火焰的独特颜色可以揭示出物质中存在特定的元素。1826年，塔尔博特注意到光谱学在化学分析中的潜力：“我进一步建议，只要棱镜显示火光中存在某种颜色的同质射线，这条射线就表明某种确定的化合物的形成或存在。”

但是塔尔博特并没有继续探索下去，因为其中存在着令人不安的不一致性。比如，虽然他认识到了钠的黄光特征，但也常在没有钠的时候发现黄光，因此他很难相信这种方法的有效性。事实上，靠不住的是样品纯度，而非光谱学的稳定性。

尽管如此，塔尔博特和赫歇尔对光谱学潜质的判断依然是正确的：目前，光谱学依然是研究物质构成的一种普遍方法，尤其是对于鉴别遥远的恒星乃至银河系外星系的物质颇有价值。然而，要想开始认真地探索它的潜力，还需要再等25年。

光谱数据可用于生成天体（此处以水星为例）的伪色图像，以显示其表面的构成

1851年，本生和基尔霍夫在德国的海德堡大学共同从事研究。本生对镁燃烧时产生的耀眼白光非常着迷，于是开始探索光化学。他发明了现在广为人知的本生灯，这种灯可以产生一种不发光的火焰，不会影响他和基尔霍夫所研究的光谱。根据两人的研究，基尔霍夫发现，通过夫琅和费的方法所产生的光谱中那种标志性的暗带，刚好跟通过相反过程所产生的颜色带相匹配。

基尔霍夫发现，如果他从后方用亮光照射火焰，得到的并不是间杂于明亮光谱中的暗带，而是在阴暗底色中的明亮色带。换句话说，物质的发射光谱恰恰是其吸收光谱的倒置。

图中这台分光镜使用本生特别设计的本生灯（h和e）来产生不发光的火焰。火焰通过棱镜（a）显示，观察者通过管道（f）察看

法国物理学家傅科（L. Foucault）在1849年就见过发射光谱。他在研究两个碳极之间的伏弧的光谱时，发现了一条明亮的双黄线，与夫琅和费在太阳光谱中标记为“D线”的暗线波长刚好吻合。经进一步测试后，傅科得出了结论：电弧会以与其发射光相同的频率吸收光。

本生和基尔霍夫开始尽可能多地记录光谱，他们狂热地每天工作到深夜，凡是能找到的物质，统统丢进光谱仪的火焰中。

1860年，在具有里程碑意义的论文《光谱观测的化学分析》中，两人记录了锂、钠、钾、钙、锶和钡盐的光谱。他们还发现了新的元素：通过蒸发杜克海姆矿泉水而发现了铯，还从矿物锂云母中发现了铷。光谱学逐渐成为寻找新元素的法宝。(www.xing528.com)

我们知道人类可能确定（恒星的）形状、距离、大小和运动，但我们永远无法把握任何研究其化学成分或矿物结构的途径。

——法国哲学家孔德写于1835年即光谱学问世25年之前

本生和基尔霍夫在其1860年的论文中提出，光谱学可以用于研究太阳的成分：“很明显，这种分析模式一定也适用于太阳和较亮的恒星的大气层……太阳光谱及其暗线，只不过是太阳大气层所能产生的光谱的反面。因此，为了对太阳大气层进行化学分析，我们只需要发现某些物质，当这些物质被投入火中时，会产生与太阳光谱中的暗线相吻合的纹路。”

此时，我正在和基尔霍夫共同进行一项研究，这让我们夜不能寐。基尔霍夫得到了一个美好而意外的发现：他找到了太阳光谱中存在暗线的原因，并且能够人为地在太阳光谱中强化这些暗线，还能使它们出现在火焰光谱中，其位置与夫琅和费谱线相同。这就指出了一种方法，由此太阳和恒星的物质构成就可以确定了，其可靠性就像我们通过试剂确定硫酸和氯等物质的存在一样。

——本生，1859年

基尔霍夫对太阳光谱开展了极尽详细的研究，他还打造了四棱镜分光镜的改进版，从而能够同时观察太阳光谱和用来比对的元素的光谱。就这样，他发现了太阳外层含有铁、钙、镁、钠、镍和铝的证据，他认为也可能存在钴、钡、铜和锌等元素。其中存在证据最充分的是铁，有多达60条斑纹均吻合。

锂云母是一种富含锂和其他金属的淡灰色或粉红色矿物。本生和基尔霍夫通过分析锂云母，最终发现了铷（Rb）

几年后的1868年发生了一次日食，这让科学家们有机会检测太阳外层的光谱分析结果——只有在日食期间，来自太阳主体的光线被遮蔽时，我们才能看到太阳大气层中的色球层和日冕。

法国天文学家杨森（P. Janssen）抓住了这个机会，他来到印度的贡托尔，观测到了日全食。和大多数观测者一样，他也肯定了氢气的存在。但在杨森观测到的光谱里的亮纹中，有一条令人费解的黄纹，不符合任何已知的光谱。人们普遍认为那是钠，但它与钠纹又不完全相同。为了继续探索这个问题，杨森开始研制一种仪器，从而实现即便在没有日食的时候，也能检测太阳的大气层。

法国天文学家杨森晚年照

杨森所不知道的是，英国科学家洛克耶（J. Lockyer）也开始了同样的探索，并在1868年10月成功地观测到了日珥（从太阳表面向外突出的巨大而明亮的火舌状物）。洛克耶也在太阳光谱中看到了那种来历不明的黄纹，他的结论是，该黄纹标识了一种地球上未知的新元素。他将其命名为氦（He），取自希腊文“helios”（意为太阳）一词。其他化学家却不像洛克耶和杨森那么兴奋，也并不认可这个发现——宣称发现了一种新元素，而且只有太阳上才有，这也太可笑了吧？将近30年之后，氦的发现才被承认，而且还要拜另一种惰性气体氩（Ar）的发现所赐。

放眼寰宇

当杨森和洛克耶专注于太阳时，哈金斯夫妇（威廉和玛格丽特）则用连在望远镜上的光谱仪研究其他恒星的构成。哈金斯夫妇在自己的邻居、化学家米勒（W. A. Miller）的协助下，捕捉到了毕宿五的光谱，发现了70个线位置。1864年他们报告说，这颗恒星含有钠、镁、氢、钙、铁、铋、铊、锑和汞（后4种错误，他们错误地解读了光谱线）。接下来他们研究了星云，得出的结论是：星云的构成差异很大，表明它们是巨大的云雾状星体，永远不会解体并形成恒星。1899年，他们出版了《代表性恒星光谱图谱》一书。

哈金斯夫妇的工作证明了很重要的一点：恒星（包括太阳）都是由与地球相同的元素组成的。化学被证明是放之宇宙而皆准的科学。