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光譜分析法的創立
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光譜分析法的創立
【資料來源：數理化通俗演義 理藝出版社】
第四十一回
孤軍深入化學不幸陷困境
派兵增援物理仗義奏奇功
－光譜分析法的創立
上回說到在蓋呂薩克的實驗室裏，蓋呂薩克突然問道爾頓，怎麼解釋"水原子°裏含有半個氧原子的問題。道爾頓一時語塞，無法下台。這個問題只用原子論是解釋不了的，自然道爾頓無法回答。直到1811年意大利科學家阿伏伽德羅在原子論中引進了分子概念，創立了原子－分子論，這事才得以圓滿解決。原來氣體都是以分子狀態存在的，化合物的分子都是由幾種不同的原子構成的。而且在同溫同壓下，相同體積的氣體所含原子數並不一定相同，而所含的分子數則是肯定相同的，都是6.02×1023個，後人將這數字叫阿伏伽德羅常數。在原子和宏觀物質之間有了分子這一層過渡，許多化學反應就都很好解釋了。這實在是化學的一大突破。所以恩格斯指出化學新時代是從原子論開始的，"近代化學之父不是拉瓦錫，而是道爾頓。"這是後話。
再說化學從拉瓦錫到道爾頓，確有很大發展。1789年，拉瓦錫的元素表上有33種元素，但實際上只有24種是真的。又過了四十年到戴維去世時，化學家已經敢肯定有53種不同元素的存在，19世紀初，人們又發現銥(Ir)、鋨(Os)、銑、Pd四種元素，1844年又發現釕(Ru)，元素數字已上升到57種。但是這種發現卻從此止步不前，20年過去了，世界上正是資本主義大發展的時期，陸地上修了鐵路，大海裏漂著輪船，空中載入氣球也已上天，人們四處探險，收集礦石，收集標本，大型的冶煉，精密的化驗，各種先進的手法都已用上了，但是"排空馭氣奔如電，升天入地求之偏。上窮碧落下黃泉；兩處茫茫皆不見。"像當年戴維一人就發現十來種元素，何等得意，而現在幾十年全世界都發現不了一種元素，真是山窮水盡了。各位讀者，原來科學的發展各學科間是相輔相成的。戴維當年本得力於電學幫忙，不想這化學得了物理的好處便只顧自己揚鞭催馬，孤軍深入，
現在再無別的力量可以借助，於是便陷入泥灘進退兩難。
卻說化學這種裹足不前的局面直惱了一個人，叫他坐立不寧，寢食不安。這人叫本生(1811~1899)，德國人。他的父親是個教授，他大學畢業後也當教授，他一生就是極平靜地讀書、實驗、講課，他不用像拉瓦錫那樣擔心政治迫害，因為他從不介入政界；他沒有失戀的痛苦，因為他一生就沒有談過戀愛。他每天的生活節奏像時鐘一樣準確，一樣平穩。但是近來，他就連散步也要抬起腳將路邊的石頭踢出老遠，來發泄他心中的煩悶。
這天黃昏時分，本生那高大的身軀又出現在布勒斯勞大學門口。他真是個像樣的男子漢，濃眉大眼，寬肩厚胸，大禮帽頂在頭上，雪茄煙掛在唇邊，既有學者風度，又有軍人氣魄。只可惜近來眉間總有一縷愁雲。這時迎面走來一個又瘦又小，臉上總抹不去笑容，嘴唇總不肯合攏，邊走邊和熟人說話開玩笑的人。他叫基爾霍夫(1824~1887)，也是這個學校的教授。他一見本生，便故作吃驚地喊道："我們的化學將軍，為何這樣心事重重？我這個物理小卒可否鞍前馬後效一點綿薄之力？"說完也不等本生答話，便挽著他的手，向校園東邊的路上散步而去。他的頭剛比著本生的肩。他們是一對好友。
本生和基爾霍夫走在一起就開始訴苦了。他說："我這個搞分析化學的，近來發明一種新方法，就是不管什麼物質，在火裏燒時都有一種固定的顏色。比如鈉是黃的，鉀是紫的。我想用這種方法也許能檢查出新元素。可是最近又發現不同物質卻可以燒出同一顏色，比如鉀鹽和鍶鹽都是深紅的。剛剛摸到一個路口，卻又是一條死胡同。真是走投無路啊。"
機靈的基爾霍夫不以為然地說道："這有什麼了不起。車路走不通走馬路。要是我們搞物理的就不去看火焰的顏色，而是去看他們的光譜。"
"光譜？"
"對。牛頓發現的那種光譜。"
"我怎麼就沒有想起這一招呢？"
"將軍，只因你的大帳下沒有物理兵啊。如蒙不棄，我願效勞。我手頭還保存一塊四十五年前大光學家夫琅和費親自磨製的石英三稜鏡呢。"
第二天，本生佈置了一個暗室，還準備了他發明的"本生燈"。這種燈燒瓦斯氣，燈頭能大能小，火焰溫度可高可低，最好的是它發的光是白色的，做實驗時不會像酒精燈、蠟燭那樣火焰總有顏色。基爾霍夫也抱來了幾件儀器。說是儀器，其實簡單得可笑。一塊三稜鏡，一個直筒望遠鏡，一個雪茄煙盒，一片打了一道窄縫的圓鐵片。只見基爾霍夫先將煙盒內糊了一層黑紙，將三稜鏡裝在中央，再將煙盒打了兩個洞，又將長筒望遠鏡一鋸兩截，分別插在煙盒的兩個洞口上，一邊是目鏡，這便是用眼觀察的窺管；一邊是物鏡，鏡外再蓋上那只有一條細縫的鐵片，只許一線光進來。基爾霍夫那雙靈巧的手，三下五除二便製成了世界上第一台"分光鏡"。
實驗開始了。先讓陽光從鐵片縫裏射進，從窺管裏看去，光譜上有一條條的黑線線這就是"夫琅和費線"，到底是什麼意思，當時誰也不懂，先不去管它。
接著他們把本生燈的火焰對準鐵片縫，然後本生用一根白金絲挑著各種鹽往燈焰裏送，基爾霍夫對著窺管看，一邊讀出光譜上的線條：鈉鹽---兩條黃線；鉀鹽---一條紫線，一條紅線。這時本生挑了一點鉀鹽，火焰發紅，基爾霍夫對著窺管讀道："一條明亮的紅線，一條較暗的橙線。"
"好，我再挑一點鉀鹽。"
火焰仍然發紅，可是基爾霍夫喊道："這是一條明亮的藍線，幾條紅線、橙線、黃線－不對，你剛才放的什麼？"
本生也不答話，又向燈上加了一點東西，一把搶過窺管，果然是藍、紅、橙、黃的線，他忙喊基爾霍夫："請往燈上投一點鋰鹽。"只見譜線是藍、紅、橙、黃。他離開窺管一下抱著基爾霍夫，大喊道："鋰和鍶分清了。剛才我第二次放的是鍶鹽啊，你這破煙盒子真厲害，騙不了它。我們有新武器了。"
他們兩人就如小孩玩萬花筒一樣，在這間暗室裏對著這個雪茄煙盒子，從早晨一直玩到中午，早已忘了時辰。這時那各種鹽粒也快要讓他們燒光了。本生靈機一動，對基爾霍夫說聲："請先閉上眼！"接著他把那些各種剩餘的粉末一起攪拌起來，投入燈焰，說："現在再看！"基爾霍夫對著窺管邊看邊說："你這裏一定有鈉鹽、鉀鹽、鋰鹽、鍶鹽。"
"對！一點不錯。"本生激動極了。
這時，基爾霍夫的眼鏡還貼在窺管上，他看著那些五顏六色的譜線慢慢變淡、消失。他也脖頸發麻眼發酸，正要推鏡抬頭，忽然鏡裏又出現了兩條極明亮的黃線。他喊一聲："哪裏又來的這麼一塊鈉！"一抬頭只見本生正將右手食指伸往燈火裏面燒。基爾霍夫搶上去一把把他的手打開，喊道"你瘋了！"
"不。剛才一高興，眼睛一濕，我抹了一點淚水，想讓你這個煙盒子看看淚水裏有什麼新物質。"
讀者有所不知。這本生是有名的鐵指頭。他經常在實驗室裏和酸鹼打交道，十指連燒帶磨早就長了厚厚的老繭。他還有個愛好，就是守著一個火爐、燒玻璃，自己吹製出各種形狀的儀器。天長日久，火裏的鐵塊，玻璃棒他都敢去抓一下，捏一會兒。他上實驗課時經常平平靜靜地將一隻指頭伸進燈火裏對學生說："此處的溫度大約是華氏三百度。"他剛才用指頭抹了一滴淚水，那淚裏有食鹽(Nace)，自然能看出鈉的線譜。不要說一滴淚了，就是手上稍有一點汗，摸一摸白金絲，再到火上一燒，也能顯示出鈉的黃色線譜。原來只要有二百萬分之一毫克的鈉鹽就足夠使燈焰的光譜顯出黃線。你只要將一本有灰塵的書在離本生燈不遠的地方"啪"地一合，那燈裏也就有黃色火星閃過。原來海洋上含有食鹽的水氣吹到地球各處凝在塵埃裏又輕輕飄落。就這麼一點都逃不出分光境的眼睛。真是明察秋毫，鐵面無私。
卻說本生自從有了這個能分光的煙盒子，就像戴維當年一得了電斧就亂砍一樣，他把這分"照妖鏡"往眼前一架，照得性起，就是茶水、牛奶、肌肉、血液、石塊、木片也都要抓來看看它們的光譜。他這樣一照還員真出了東西。1860年5月的一天，本生尋來一瓶礦泉水，他將水濃縮，放在燈上一燒，再往鏡裏一看，光譜面的一個位置上出現了從未有過的天藍線條，再一找，又找見一種沒有見過的暗紅線譜。他將燈啪地一下擰滅，高聲宣佈："我發現了！"他真的這樣輕而易舉地發現了兩種新元素：銫(拉丁文意為天藍)和銣(拉丁文意即暗紅)。接著1861年英國人克魯克斯又利用光譜法發現了鉈(拉丁文意為綠色)，又過了二年，法國化學家又找見了銦(拉丁文意為藍靛)。尋找新元素的化學家們在茫茫的沼澤地裏苦苦掙扎了十六年後終於又拔腿前進了。
我們且不說本生慶賀新發現的勝利，回頭再說基爾霍大正被太陽光譜裏那一條條的去琅和費黑線纏得好苦。他拿那黑線的位置和地球各種元素的線譜位置相對應，銅、鐵、錫、鈉、鉀、鈣，每一種元素的亮線正對太陽光譜的每一條黑線。難道地球上的這些元素在太陽上都沒有嗎？他想了一個妙法，就是用純氫氧燃燒產生高熱，再把這高熱的火焰打在石灰棒上，石灰棒就發出耀眼的光，這是一種"人造太陽"，發出的光譜連續均勻很像太陽，好處是上面沒有那夫琅和費黑線。他先讓人造太陽進入分光鏡，觀察了一下，又在這石灰棒光前擺了一盞燒著鈉鹽的本生燈，讓兩種光重疊進入分光鏡。這時他再對著窺管望去，這一看不得了，他不禁"唉呀"一聲。原來那本應出現的鈉的黃線的地方卻出現了一段黑線，正如太陽光譜上的黑線一樣。聰明的基爾霍夫用手將腦門一拍，立即悟出了一個道理：鈉的火焰不僅自己能發出黃光，它還能吸收外來的黃光，所以外來的光在這一段上就留下了黑線。那麼，太陽周圍的熾熱大氣裏一定有許多和地球上一樣的元素，截留了與自己相對應的光，所以留下許多黑線。夫琅和費線原來是這麼一回事啊。又是天上地下一個樣！
這基爾霍夫是個性急的人。他一有新想法就半會兒也憋不住。這時正是中午時分，他不顧烈日當頭就向本生的住房跑去。本生住在校園後面，獨身一人，燭房燭屋，門前草坪一塊，翠柳一株，平時甚是安靜。誰知今天他剛一轉過牆角，就聽見是本生的聲音在大喊："抓住他，幫幫忙，抓住他，抓住他！"本來興衝衝的基爾霍夫突然吃了一驚。想一定出了甚麼大事，急忙拔腿向前跑去。只見本生在草坪上東追西趕，還有一群小學生也跟著亂跑亂嚷，卻看不清是追甚麼人。突然一個小學生，手揮一隻捕蝴蝶的長柄網兜向地上一撲，本生也像足球守門員一樣，撲身倒地。這時基爾霍夫已經趕到，只見他大汗淋淋，忙問："你們在抓誰啊？"
本生抬頭一看，見是老友基爾霍夫，才擦把汗，喘口租氣說："嗯，在抓它！"基爾霍夫這時才看清，網兜裏有隻普通蒼蠅。原來本生今天正在做計算鈹的原子量的實驗，他見天氣好，就將吸有鈹的濾紙拿在窗臺上曝晒，不想一隻蒼蠅飛來貪婪地吸著那帶來甜味的鈹。本生一見忙追將出來，虧得這群小學生幫忙，才將這個盜賊捉拿歸案。這時基爾霍夫說："要不要用我的分光鏡看看它的腿上是否已經偷有你的鈹。"本生說："我好不容易製得一點，讓你拿去一燒，還怎麼計算？我另有辦法。"後來本生將這隻蒼蠅放入白金坩堝裏焚化，又將堝底物質細心收集，竟算出蒼蠅偷走的鈹是1.01毫克，再加上濾紙上的總數，終於得出鈹的精確原子量，這是後話。
先說本生見基爾霍夫大中午跑來便知有要事。而基爾霍夫急慌慌地將他的新發現講了一遍，語言也不條理，說著乾脆點起本生燈將剛才的實驗重演一遍。本生連聽帶看，甚是高興，他收拾起燈具說："這麼看來，當真天上地下一個樣？"
"是的，地上的元素都能在太陽光譜裏找見對應的線段。"
"但是，老兄你不要高興得太早。我這裏剛剛收到一本雜誌。你看法國人讓遜和英國人洛克爾在觀察日蝕的時候都從太陽光譜上發現了一條從前沒有見過的黃線。你說這是甚麼元素？"
這基爾霍夫可謂是當時世界上第一位光譜權威，不管天上的元素還是地上的元素，在他的腦海裏都早已刻下固定的譜線。他這時端詳著這本雜誌上的光譜照片，又閉目想想自己記錄過的所有光譜表，半天竟找不出它的位置。到底這種元素是甚麼？且聽下回分解。
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