光谱学的发展.doc

光谱学的发展 光谱学是光学的一个分支学科，它研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列；根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。光谱学的历史应从牛顿的色散实验开始，由于牛顿的精湛技术，使人们对白光的认识和对颜色的认识大大深入了。1752年，英国的梅耳维尔（Thomas Melvill，1726～1753）报告了他对多种物质产生的火焰光谱进行的研究，发现了包括纳谱线在内的一些谱线。19世纪初，赫歇尔（William Herschel，1738～1822）和里特（Johann Wilhelm Ritter，1776～1810）先后发现了在人的视觉范围之外的射线，即红外线和紫外线。1814年夫琅和费（Fraunhofer Joseph von，1787～1826）观察到了光谱线；但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，还利用这种方法发现了几种当时还为人所不知的元素，并且证明了在太阳里存在着多种已知的元素。 1、光谱线的最初观察 1752年，苏格兰人梅耳维尔（Melvill Thomas）第一个观察到发光气体的光谱线。自从牛顿对光谱的研究以来，他的研究标志着向前迈进了第一步。梅耳维尔观察了钾碱、明矾、硝石和食盐被连续地放进酒精灯时所产生的光谱，并且发现，当明矾或钾碱放进酒精火焰中时，发射出了数量不相同的各种光线，……并且从它到邻近的较弱的颜色的光的过渡不是逐渐的而是直接的；这明亮的黄光就是“钠线”。后来，伦敦的医生沃拉斯顿在烛光火焰底部观察到蓝光的明亮光谱带；1856年，圣安德鲁斯的威廉·斯旺（Swan William）又一次观察到它，现在称之为“斯旺光谱”（Swan spectrum）。1802年，沃拉斯顿首次观察到太阳光谱中的7条暗线，其中最重要的5条光谱线被他认为是光谱的纯粹单色的自然界标或分界线，他本来得到了开创重要的谱线研究的机会，但他未能准确地解释它。 对于太阳暗线的第一个重要的研究者是夫琅和费，夫琅和费出生在巴伐利亚的施特劳宾（Straubing），他是一个穷苦的装玻璃工的儿子，幼年时就开始当他父亲的职业助手。由于他磨制玻璃的熟练技巧，他在贝内迪克特博厄（Benedikt-beuem）村的乌茨希奈德（Utzschneider）光学研究所得到了一个职位。1818年，他成为这个研究所的所长，后来这个研究所搬到了慕尼黑，夫琅和费成了慕尼黑科学院的成员和它的物理陈列馆的保管人。 夫琅和费开始并不知道沃拉斯顿的发现，在他的光学著作中，他把理论知识和实际技巧结合得非常好。特别是由于他的准确计算各种透镜的方法的发明，他把实用光学引向了一条全新的道路，并且他把消色差望远镜提到了当时意想不到的完善程度。 在努力于测定玻璃对特殊颜色的折射率以便设计更为精密的消色差透镜时，夫琅和费偶然地发现了一种灯光光谱的橙黄色的双线，现在称之为钠线。在油灯和牛脂灯光中，事实上，在所有的火光中，他都看到这条精细的、明亮的双线“精确地在同一地方出现，因此对于‘测定折射率’十分有用”。他把一束来自狭缝的光线照射在有相当距离的放在经纬望远镜前面的最小偏差位置上的火石玻璃棱镜上。夫琅和费进一步利用太阳光。他说：“我希望在太阳光谱中找出是否有像油灯光谱中的类似明线，但是，我用望远镜没有发现这条明线，却发现了大量的强的和微弱的竖直的线，然而，它们比起这光谱中其他部分更暗，有一些几乎是全黑。”在检验其他物质如氢、酒精、硫磺时，他又一次发现了这条明线。自然，这肯定是由于钠作为一种杂质而存在其中，最微量的销也会显出它的谱线。夫琅和费还考察了星光的谱线，并且认出了金星中的某些大阳谱线。 他是第一个观察光栅光谱的人，并最先用光栅测定了波长。他的光栅线是 0.04—0.6毫米粗。光栅线间隔从0.052 8—0.686 6毫米。他做了 10个光栅并用每个光栅找出 D线的波长。结果是从0.0005882一0.0005897毫米的一排数值，其平均值为 0.000 588 8毫米。如果我们注意到他的光栅是粗糙的，那么这个结果是相当精确了。1823年的一篇论文包含有间隔各自为 0.0033和 0.016 0毫米的两个玻璃光栅的实验。 夫琅和费1814年的论文没有立即得到承认，他的1821和1823年的论文也没有得到认可。物理学家们正在争论光的发射说和波动说。化学家们的注意力正集中在道尔顿的原子论和贝尔托莱一普劳斯特（Ber