光谱分析与天体物理学的诞生

恒星是那样的遥远，离我们最近的比邻星也有4.22光年。人类实际上无法亲临这样遥远的天体。如果不能实地考察，我们如何能知道它的物质构成和演化规律呢？确实无法想象。就连那些优秀的头脑也不能不惊叹我们永远也不能知道恒星世界的真实情况。比如1825年，法国著名的哲学家孔德（1798年—1857年）在其《实证哲学讲义》中写道：“恒星的化学组成是人类永远也不可能知道的。”

然而，就在孔德的断言之后还不到半个世纪，在物理光学基础之上新兴的天体物理学，就能够告诉恒星的化学组成以及更多的东西。

天体物理学的产生依赖于如下三种光学方法的使用：分光学、光度学和照相术。牛顿的棱镜已将太阳光分解成各种不同颜色的光线，他将之解释成不同光线具有不同的折射率引起的。1814年，德国光学家夫琅和费（1787年—1826年）制成了第一台分光镜，它不仅有一个狭缝，一块棱镜，而且在棱镜前装上了准直透镜，使来自狭缝的光变成平行光，在棱镜后则装上了一架小望远镜以及精确测量光线偏折角度的装置。夫琅和费点燃了一盏油灯，让灯光通过狭缝，进入分光镜。他发现在暗黑的背景上，有着一条条像狭缝形状的明亮的谱线，这种光谱就是现在所称的明线光谱。在油灯的光谱中，其中有一对靠得很近的黄色谱线相当明显。夫琅和费拿掉油灯，换上酒精灯，同样出现了这对黄线，他又把酒精灯拿掉，换上蜡烛，这对黄线依然存在；而且还在老位置上。

夫琅和费想，灯光和烛光太暗了，太阳光很强，应该把太阳光引进来观测。于是他用了一面镜子，把太阳光反射进狭缝。他发现太阳的光谱和灯光的光谱截然不同，那里不是一条条的明线光谱，而是在红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的连续彩带上有无数条喑线。在1814年—1817年这几年中，夫琅和费共在太阳光谱中数出了500多条暗线；其中有的较浓、较黑，有的则较为暗淡。夫琅和费一一记录了这些谱线的位置。并从红到紫，依次用A、 B、 C、 D等字母来命名那些最醒目的暗线。夫琅和费还发现，在灯光和烛光中出现一对黄色明线的位置上，在太阳光谱中则恰恰出现了一对醒目的暗线，夫琅和费把这对黄线称为D线。

为什么油灯、酒精灯和蜡烛的光是明线光谱，而太阳光谱却是在连续光谱的背景上有无数条暗线？为什么前者的光谱中有一对黄色明线而后者正巧在同一位置有一对暗线？这些问题，夫琅和费无法作出解答。直到40多年后，才由基尔霍夫（1827年—1887年）解开了这个谜。

1858年秋到1859年夏，德国化学家本生埋头在他的实验室里进行着一项有趣的实验，他发明了一种煤气灯（称本生灯），这种煤气灯的火焰几乎没有颜色，而且其温度可高达两千多度，他把含有钠、钾、锂、锶，钡等不同元素的物质放在火焰上燃烧，火焰立即产生了各种不同的颜色。本生想，也许从此以后他可以根据火焰的颜色来判别不同的元素了。可是，当他把几种元素按不同比例混合再放在火焰上烧时，含量较多元素的颜色十分醒目，含量较少元素的颜色却不见了。看来，光凭颜色还无法作为判别元素的依据。

一天，本生把他在火焰实验中所遇到的困难讲给基尔霍夫听。这位物理学家对夫琅和费关于太阳光谱的实验了解得很清楚，甚至在他的实验室里还保存有夫琅和费亲手磨制的石英三棱镜。基尔霍夫听了本生的问题，想起了夫琅和费的实验，于是他向本生提出了一个建议：不要观察燃烧物的火焰颜色，而应该观察它的光谱。他们俩合作进行了新的实验。

基尔霍夫在他的实验室中用狭缝、小望远镜和那个由夫琅和费磨成的石英三棱镜装配成一台分光镜，并把它带到了本生的实验室。本生把含有钠、钾、锂、锶，钡等不同元素的物质放在本生灯上燃烧，基尔霍夫则用分光镜对准火焰观测其光谱。他们发现，不同物质燃烧时，产生各不相同的明线光谱，接着，他们又把几种物质的混合物放在火焰上燃烧，他们发现，这些不同物质的光谱线依然在光谱中同时呈现，彼此并不互相影响。于是，根据不同元素的光谱特征，仍能判别出混合物中有哪些物质，这种情况就像许多人合影在同一张照片上，每个人是谁依然可以分得一清二楚一样。就这样，基尔霍夫和本生找到了一种根据光谱来判别化学元素的方法——光谱分析术。

1859年，基尔霍夫提出了著名的基尔霍夫三定律：第一，白炽固体或高压白炽气体产生连续光谱，其范围从红光到紫光；第二，低压发光气体和蒸汽光谱是一些分离的明线，而且每种元素都具有一组独特的光谱线；第三，能够发出某一特定光谱的物体对这条谱线有强烈的吸收能力。这三条定律为天体物理学奠定了理论基础。运用这三条定律，基尔霍夫把太阳光谱中的暗线解释为：这是太阳本身发出的连续光谱被太阳大气吸收的结果，每一条暗线都对应太阳大气中的一个特定的化学元素。基尔霍夫把太阳光谱和实验室光谱进行比较后确认，天体的化学组成中有许多地球上常见的化学元素。如太阳光谱的黄色波段处有一暗的双重谱线，与地球上钠蒸汽发射的光谱中的双亮黄线位置相同，故可以证明太阳上必定存在钠。由基尔霍夫开创的光谱分析方法，对鉴别化学物质有着巨大的意义，通过光谱分析发现了不少化学元素，如铯（1860年）、 铷（1861年）、 铊（1862年）、镓 （1863年）、铟（1875年）。

正当基尔霍夫从夫琅和费线中考察太阳里是否有金子时，他的管家不以为然地说：“如果不能将太阳上的金子取下来，关心它又有什么用？”后来，基尔霍夫因为他的伟大发现而被英国授予金质奖章，他将奖章拿给管家看：“你看，我不是已经从太阳上取了一点金子下来了吗？”

光谱分析不仅开辟了天体物理学的广阔前景，而且也为深入原子世界打开了道路，原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。