打开原子的大门-第2章

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　　所有的锶盐都产生一条明亮的蓝线和几条红线、橙线和黄线。
　　总之，每种元素都产生几条特有的谱线，这些谱线都有固定的位置。
　　本生和基尔霍夫轮换着烧蘸有各种物质的白金丝，轮换着看光谱。后来，本生装了一个架子把白金丝夹住，两个人在自制的分光镜前你看一眼我看一眼，一直看到眼睛都花了。
　　他们还不想休息，准备做一个新的实验。基尔霍夫揉着发酸的眼睛，在屋内走来走去。本生也一声不响，他把几种不同的盐混在一起。
　　实验开始了，本生用白金丝把混合的盐送到火焰中去，火焰立刻变成亮黄色。基尔霍夫趴在分光镜前仔细观察。
　　实验室内静悄悄的，最后，基尔霍夫说话了：“你掺在一起的有钠盐、钾盐、锂盐和锶盐。”
　　“对！”本生激动极了。他把白金丝夹在架子上，立刻跑过去看。光谱显示得十分清楚：两条靠在一起的亮黄线是钠的；那条紫线是钾的；红线是锂的；属于锶的那条蓝线也很清楚。
　　成功了！他们这时候的高兴劲儿是可以想象出来的。
　　他们创立了一种新的化学分析方法——光谱分析法。
大搜查
　　本生和基尔霍夫像着了迷一样，在实验室中夜以继日地工作。他们编制了各种已知元素的光谱表。凡是能到手的东西，他们都要放到灯上去烧一烧，看一看光谱，搜查里面到底有些什么元素。
　　光谱分析法非常灵敏，只要1毫克（千分之一克）的三百万分之一的钠，送到火焰里，在光谱中就能看到钠的黄线。只要用手指摸一下白金丝，就可以烧出黄线，因为汗水中就有氯化钠。
　　他们发现海水中，牛奶中，烟灰中，都含有锂。
　　更重要的是他们用光谱分析方法，在一种矿泉水中发现了新元素铯；在一种云母矿中又发现了另一种新元素铷。在铯的光谱中有两条美丽的蓝色的谱线，因此，他们把它叫做“铯”——拉丁文的原意是“蓝色的”；铷的光谱中有两条深红色的谱线，因而就被称为“铷”——拉丁文的原意是“红色的”。
　　铯和铷的发现，是光谱分析的第一个大胜利！
　　光谱分析这种新方法很快就推广了，不少工厂成批地制造分光镜和光谱仪。现在，任何一个大的化验室中都有光谱仪，并且利用照相代替了肉眼观测。现代的光谱仪不仅能分析物质的组成，还能求出其中各种元素的含量。而各种光谱仪的老祖宗，就是基尔霍夫和本生装配的那台简陋的分光镜。
　　用光谱分析各种物质的组成，用光谱寻找新的元素，一时成了最时髦的科学研究工作。许多科学家在实验室中装了分光镜，参加了这次大搜查。除了本生和基尔霍夫发现的铷和铯以外，别的科学家还发现了铊、铟、镓、镱、钬、铥、钐、钕、镨等元素。这中间还有一个重要的元素，那就是我们要讲的太阳元素——氦。
又解开了一个谜
　　正当本生忙于搜罗各种东西进行光谱分析的时候，基尔霍夫总想着他的那位物理学前辈方和斐观察到的黑线。他认为这个谜一定要解开：为什么太阳光谱的黑线D　1　、D　2　，恰好和钠的两条黄线位置一样呢？难道太阳上缺少钠吗？
　　1859年10月的一天，基尔霍夫开始研究这个问题。他先用分光镜看太阳的光谱，记住了D线的位置，然后遮住阳光，点燃了本生灯，在灯上烧起钠盐。果然，钠的两条亮黄线正好出现在太阳光谱的D线的位置上。
　　基尔霍夫想：让太阳光和烧钠的灯光同时射人分光镜，钠的亮黄线能不能把太阳光谱的黑线补起来呢？他打开遮板，让太阳光穿过本生灯的火焰照人分光镜。他在火焰上烧起钠盐来，火焰变黄了。但是出乎意料，在分光镜中，他看到太阳光谱中的两条D线不但没有亮起来，反而变得更黑了。
　　真奇怪！再挡住太阳光看一看，钠的两条亮黄线又出现了，而且正在那两条黑线的位置。
　　基尔霍夫想了很久，他又准备了一个新的实验。他不用太阳光了，换用了石灰光。用温度很高的氢氧焰去烧石灰，石灰会发出耀眼的白光。基尔霍夫知道，石灰光的光谱是连成一片的，没有特别亮的线，也没有方和斐黑线。
　　基尔霍夫在石灰光和分光镜中间放上本生灯，烧起钠盐。看！石灰光的连续光谱上出现了两条黑线，正好在太阳光谱的D线的位置上。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。
　　原来是这样！基尔霍夫激动得一夜没睡，第二天赶忙跑去找本生。
　　“昨天我弄清楚了：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。
　　本生和基尔霍夫又用铁作了实验。铁的光谱有60多条亮线，而在太阳光谱中，这60多条亮线的位置上正好有60多条方和斐线。这说明：太阳上有铁。
　　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。
　　这个新发现立刻传遍全球：本生和基尔霍夫在地球上的实验室里，测出了太阳是由什么组成的！我们开头提到的那位哲学家的结论，这一回彻底破产了。
　　自此以后，光谱分析不仅化学家经常用，也成为天文学家的有力手段。天文学家利用光谱，不断地揭露遥远的星球的秘密。
　　就这样，物理学家帮助化学家解决了化学的难题，化学家帮助物理学家解决了物理学的难题，他们还共同解决了天文学的难题。
太阳元素
　　日全食是天文学家研究太阳的最好机会。这时候，月亮正运转到地球和太阳中间，把太阳完全遮住了。这样就可以看清楚太阳最外层的大气——日冕，还可以看到太阳表面喷出的巨大火焰——日珥。
　　1860年7月16日，在西班牙发生日全食。许多天文学家把注意力集中在日珥上，还画下了图。大家都想解释，太阳表面的这种突出物到底是什么。但是日全食只有几分钟的时间，要想仔细研究，得等待下一次机会。　八年以后，1868年8月18日，印度又发生日全食。法国的天文学家詹森带着分光镜，长途跋涉来到印度。日全食开始了，詹森把分光镜的细缝对准了日珥。他看到了几条亮线：一条红的，一条蓝的，还有一条黄的。很清楚，红线和蓝线是氢的谱线。而那条黄线呢？难道是钠的吗？钠应该有两条黄线，可是只观测到一条啊！他想再看看清楚，但是日全食已经过去了。难道又要等上十年八年，到下次日全食的时候再研究吗？
　　詹森注意到这几条线很亮，因此他想：不是日食的时候，也许同样能观测到日珥的光谱。
　　第二天，太阳又升起在天空中。詹森把分光镜的狭缝对准太阳的边缘，相当于昨天看到的日珥的位置，昨天观测到的光谱又出现在分光镜里。成功了！经过研究，詹森发现那条黄线不是钠的两条谱线，而是在钠的谱线旁边的一条新的谱线。
　　詹森立刻写信把他的发现报告法国科学院。当时的交通很不方便，这封信在路上走了两个多月，于10月26日才到达巴黎。
　　无巧不成书，在法国科学院收到詹森的信的同一大，还收到了一封从英国寄来的信。这是英国天文学家罗克耶在10月20日写的，报告的是同一件事。罗克耶在英国用同样方法观察了日珥，也发现了那条不属于钠的新的黄线。
　　这两封信同时在法国科学院宣读。大家惊叹万分，决定铸造一块金质的纪念牌：一面刻着驾着四套马战车的传说中的太阳神阿波罗像，另一面刻着詹森和罗克耶的头像，下面写着：“1868年8月18日太阳突出物分析”。
　　詹森和罗克耶在日珥的光谱中发现了什么呢？就是那条新的黄线。经过查对，这条黄线跟当时已知的各种元素的谱线都不重合。结论只有一个，这条黄线属于一种未知的新元素。
　　这种未知的新元素不是在地球上，而是用光谱分析，首先在太阳上找到的。
　　罗克耶把这种新的元素命名为helium（希腊文“太阳”的意思）——我国就译作“氦”。
　　太阳元素——氦被发现了，但是它有什么样的性质，人们还没法知道。天文学家们猜测：氦可能是一种很轻的气体。
　　关于怎样在地球上找到氦的故事，我们下边再讲。
一封读者来信
　　罗克耶在发现氦的第二年（1869年），他在英国创办了一种科学杂志，名叫《自然》，这种杂志很有名，一直出版到现在。全世界的物理学家和化学家，没有一个不看这本杂志的。
　　1892年，《自然》的9月号上刊登了一篇读者来信，信中说：“我对于最近测得的氮的几个密度值颇有怀疑，希望贵刊的读者们能提供宝贵意见。我用两种方法制得的氮的密度不一样。虽然两个密度相差只有千分之五，但是仍然超出了实验误差的范围。”署名是：“瑞利，1892年9月24日”。
　　这是怎么回事？瑞利是什么人？
　　瑞利是英国剑桥大学的物理学教授。从1882年开始，他研究各种气体的密度。虽然在上一个世纪，已经有人做过这方面的工作，但是当时的仪器比较粗糙，结果当然不够准确。
　　瑞利的实验室里有当时最精密的天平，灵敏度达到万分之一克（0。0001克）。他想把各种气体的密度测得准确一些。
　　气体密度就是1升气体的质量，以克数计算。气体的体积会随着温度和压力而变化，所以必须规定，气体的密度是在0摄氏度和1个大气压下（这叫做“标准状态”），每1升的质量。
　　为了测量气体的密度，瑞利做了一个大玻璃球。他先仔细地测量出它的容积有多大，然后用真空泵把球内的空气抽掉，称出真空球有多少克。再在球内灌满某种纯粹的气体，例如由电解水得到的氢气，再称有多少克。这就可以算出玻璃球里的氢气有多少克。用玻璃球的容积去除氢气的质量就能得到氢气的密度。
　　测量了氢气测量氧气，然后又测量氮气。
　　说来简单，做起来却不容易。瑞利对每种气体的密度都要测量好几遍。不仅如此，对于同一种气体，还要用不同的方法制出它的纯粹的气体，分别进行测量，看看结果一样不一样。
　　比如说测量氧气的密度，瑞利先用电解水制造的氧气，又用氯酸钾加热分解制造的氧气，还用高锰酸钾加热分解制造的氧气，分别进行测量。只有对以上三种方法制造的氧气，测得的密度都一样，才算得到了可靠的结果。
　　氢气和氧气都测准了，但是测量氮气的时候出了问题。
　　空气是氧气和氮气组成的，这在18世纪就已经搞清楚了。瑞利把空气通过烧得红热的装满钢屑的管子，这时氧气会与铜化合，生成氧化铜，剩下的就是氮气了。测量这种氨气的密度，结果是1。2572克每升。　
　　瑞利又把氧气通过浓氨水，得到氧气和氨气的混合气。把混合气通过赤热的氧化钢管，氨气与氧气