孤军深入化学不幸陷困境天降奇兵物理仗义助其功

第三回　孤军深入化学不幸陷困境天降奇兵物理仗义助其功——光谱分析法的创立

上回说到在盖吕萨克的实验室里，盖吕萨克突然问道尔顿，怎么解释“水原子”里含有半个氧原子的问题。道尔顿一时语塞，无法下台。这个问题只用原子论是解释不了的，自然道尔顿无法回答。直到1811年意大利科学家阿伏伽德罗在原子论中引进了分子概念，创立了原子—分子论，这事才得以圆满解决。原来气体都是以分子状态存在的，化合物的分子都是由几种不同的原子构成的。而且在同温同压下，相同体积的气体所含原子数并不一定相同，而所含的分子数则是肯定相同的，都是6.02×1023个，后人将这个数字叫阿伏伽德罗常数。在原子和宏观物质之间有了分子这一层过渡，许多化学反应就都很好解释了。这实在是化学的一大突破。所以恩格斯指出化学新时代是从原子论开始的，“近代化学之父不是拉瓦锡，而是道尔顿”。这是后话。

再说化学从拉瓦锡到道尔顿，确有很大发展。1789年，拉瓦锡的元素表上有33种元素，但实际上只有24种是真的。又过了40年到戴维去世时，化学家已经敢肯定有53种不同元素的存在，19世纪初，人们又发现铱、锇、铑、钯四种元素，1844年又发现钌，元素数字已上升到57种。但是这种发现却从此止步不前，20年过去了，世界上正是资本主义大发展的时期，陆地上修了铁路，大海里漂着轮船，空中载人气球也已上天，人们四处探险，收集矿石，收集标本，大型的冶炼，精密的化验，各种先进的手法都已用上了，但是“排空驭气奔如电，升天入地求之遍。上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见”。像当年戴维一人就发现十来种元素，何等得意，而现在几十年全世界都发现不了一种元素，真是山穷水尽了。各位读者，原来科学的发展各学科间是相辅相成的。戴维当年本得力于电学帮忙，不想这化学得了物理的好处便只顾自己扬鞭催马，孤军深入，现在再无别的力量可以借助，于是便陷入泥潭进退两难。

却说化学这种裹足不前的局面直恼了一个人，叫他坐立不宁，寝食不安。这人叫本生（181l—1899），德国人。他的父亲是个教授，他大学毕业后也当教授，他一生就是极平静地读书、实验、讲课，他不用像拉瓦锡那样担心政治迫害，因为他从不介入政界；他没有失恋的痛苦，因为他一生就没有谈过恋爱。他每天的生活节奏像时钟一样准确，一样平衡。但是近来，他就连散步也要不时抬起脚将路边的石头踢出老远，来发泄他心中的烦闷。

这天黄昏时分，本生那高大的身躯又出现在布勒斯劳大学门口。他真是个像样的男子汉，浓眉大眼，宽肩厚胸，大礼帽顶在头上，雪茄烟叼在唇边，既有学者风度，又有军人气魄。只可惜近来眉间总有一缕愁云。这时迎面走来一个又瘦又小，脸上总抹不去笑容，嘴唇总不肯合拢，边走边和熟人说话开玩笑的人。他叫基尔霍夫（1824—1887），也是这个学校的教授。他一见本生，便故作吃惊地喊道：“我们的化学将军，为何这样心事重重？我这个物理小卒可否鞍前马后效一点儿绵薄之力？”说完也不等本生答话，便挽着他的手，向校园东边的路上散步而去。他的头刚比着本生的肩。他们是一对好友。

本生和基尔霍夫走在一起就开始诉苦了。他说：“我这个搞分析化学的，近来有一种新的发现，就是不管什么物质，在火里烧时都有一种固定的颜色。比如钠是黄的，钾是紫的。我想用这种方法也许能检查出新元素。可是最近又发现不同物质却可以烧出同一颜色，比如钾盐和锶盐都是深红的。刚刚摸到一个路口，却又是一条死胡同。真是走投无路啊。”

机灵的基尔霍夫不以为然地说道：“这有什么了不起。车路走不通走马路。要是我们搞物理的就不去看火焰的颜色，而是去看他们的光谱。”

“光谱？”

“对。牛顿发现的那种光谱。”

“我怎么就没有想起这一招呢？”

“将军，只因你的大帐下没有物理兵啊。如蒙不弃，我愿效劳，我手头还保存一块45年前大光学家夫琅和费亲自磨制的石英三棱镜呢。”

第二天，本生布置了一个暗室，还准备了他发明的“本生灯”。这种灯烧瓦斯气，灯头能大能小，火焰温度可高可低，最好的是它发的光是白色的，做实验时不会像酒精灯、蜡烛那样火焰总有颜色。基尔霍夫也抱来了几件仪器。说是仪器，其实简单得可笑。一块三棱镜，一个直筒望远镜，一个雪茄烟盒，一片打了一道窄缝的圆铁片。只见基尔霍夫先将烟盒内糊了一层黑纸，将三棱镜装在中央，再将烟盒打了两个洞，又将长筒望远镜一锯两截，分别插在烟盒的两个洞口上，一边是目镜，这便是用眼观察的窥管；一边是物镜，镜外再盖上那只有一条细缝的铁片，只许一线光进来。基尔霍夫那双灵巧的手，三下五除二便制成了世界上第一台“分光镜”。

实验开始了。先让阳光从铁片缝里射进，从窥管里看去，光谱上有一条条的黑线，这就是“夫琅和费线”，到底是什么意思，当时谁也不懂，先不去管它。

接着他们把本生灯的火焰对准铁片缝，然后本生用一根白金丝挑着各种盐往灯焰里送，基尔霍夫对着窥管看，一边读出光谱上的线条：钠盐——两条黄线；钾盐——一条紫线，一条红线。这时本生挑了一点钾盐，火焰发红，基尔霍夫对着窥管读道：“一条明亮的红线，一条较暗的橙线。”

“好，我再挑一点儿钾盐。”

火焰仍然发红，可是基尔霍夫喊道：“这是一条明亮的蓝线，几条红线、橙线、黄线——不对，你刚才放的什么？”

本生也不答话，又向灯上加了一点儿东西，一把抢过窥管，果然是蓝、红、橙、黄的线，他忙喊基尔霍夫：“请往灯上投一点儿锂盐。”只见谱线是蓝、红、橙、黄。他离开窥管一下抱着基尔霍夫，大喊道：“锂和锶分清了。刚才我第二次放的是锶盐啊，你这破烟盒子真厉害，骗不了它。我们有新武器了。”

他们两人就如小孩玩万花筒一样，在这间暗室里对看这个雪茄烟盒子，从早晨一直玩到中午，早已忘了时辰。这时那各种盐粒也快要让他们烧光了。本生灵机一动，对基尔霍夫说声：“请先闭上眼！”接着他把那些各种剩余的粉末一起搅拌起来，投入灯焰，说：“现在再看！”基尔霍夫对着窥管边看边说：“你这里一定有钠盐、钾盐、锂盐、锶盐。”

“对！一点儿不错。”本生激动极了。

这时，基尔霍夫的眼镜还贴在窥管上，他看着那些五颜六色的谱线慢慢变淡、消失。他也脖颈发麻眼发酸，正要推镜抬头，忽然镜里又出现了两条极明亮的黄线。他喊一声：“哪里又来的这么一块钠！”一抬头只见本生正将右手食指伸往灯火里面烧。基尔霍夫抢上去一把把他的手打开，喊道：“你疯了！”

“不。刚才一高兴，眼睛一湿，我抹了一点泪水，想让你这个烟盒子看看泪水里面有什么新物质。”

读者有所不知。这本生是有名的铁指头。他经常在实验室里和酸碱打交道，十指连烧带磨早就长了厚厚的老茧。他还有个爱好，就是守着一个火炉，烧玻璃，自己吹制出各种形状的仪器。天长日久，火里的铁块、玻璃棒他都敢去抓一下、捏一会儿。他上实验课时经常平平静静地将一只指头伸进灯火里对学生说：“此处的温度大约是华氏三百度。”他刚才用指头抹了一滴泪水，那泪里有食盐（NaCl），自然能看出钠的线谱。不要说一滴泪了，就是手上稍有一点儿汗，摸一摸白金丝，再到火上一烧，也能显示出钠的黄色线谱。原来只要有三百万分之一毫克的钠盐就足够使灯焰的光谱显出黄线，你只要将一本有灰尘的书在离本生灯不远的地方“啪”地一合，那灯里也就有黄色火星闪过。原来海洋上含有食盐的水汽吹到地球各处凝在尘埃里又轻轻飘落，就这么一点儿都逃不出分光镜的眼睛。真是明察秋毫，铁面无私。

却说本生自从有了这个能分光的烟盒子，就像戴维当年一得了电斧就乱砍一样，他把这个“照妖镜”往眼前一架，照得性起，就是茶水、牛奶、肌肉、血液、石块、木片也都要抓来看看它们的光谱。他这样一照还真照出了东西。1860年5月的一天，本生寻来一瓶矿泉水，他将水浓缩，放在灯上一烧，再往镜里一看，光谱面的一个位置上出现了从未有过的天蓝线条，再一找，又找见一种没有见过的暗红线谱。他将灯啪地一下拧灭，高声宣布：“我发现了！”他真的这样轻而易举地发现了两种新元素：铯（拉丁文意为天蓝）和铷（拉丁文意即暗红）。接着，1861年英国人克鲁克斯又利用光谱法发现了铊（拉丁文意为绿色），又过了两年，法国化学家又找见了铟（拉丁文意为蓝靛）。寻找新元素的化学家们在茫茫的沼泽地里苦苦挣扎了16年后终于又拔腿前进了。

我们且不说本生庆贺新发现的胜利，回头再说基尔霍夫正被太阳光谱里那一条条的夫琅和费黑线缠得好苦。他拿那黑线的位置和地球各种元素的线谱位置相对应，铜、铁、锡、钠、钾、钙，每一种元素的亮线正对太阳光谱的每一条黑线。难道地球上的这些元素在太阳上都没有吗？他想了一个妙法，就是用纯氢氧燃烧产生高热，再把这高热的火焰打在石灰棒上，石灰棒就发出耀眼的光，这是一种“人造太阳”，发出的光谱连续均匀很像太阳，好处是上面没有那夫琅和费黑线。他先让人造太阳进入分光镜，观察了一下，又在这石灰棒光前摆了一盏烧着钠盐的本生灯，让两种光重叠进入分光镜。这时他再对着窥管望去，这一看不得了，他不禁“哎呀”一声。原来那本应出现的钠的黄线的地方却出现了一段黑线，正如太阳光谱上的黑线一样。聪明的基尔霍夫用手将脑门一拍，立即悟出了一个道理：钠的火焰不仅自己能发出黄光，它还能吸收外来的黄光，所以外来的光在这一段上就留下了黑线。那么，太阳周围的炽热大气里一定有许多和地球上一样的元素，截留了与自己相对应的光，所以留下许多黑线。夫琅和费线原来是这么一回事啊。又是天上地下一个样！

这基尔霍夫是个性急的人。他一有新想法就半会儿也憋不住。这时正是中午时分，他不顾烈日当头就向本生的住房跑去。本生住在校园后面，独身一人，独房独屋，门前草坪一块，翠柳一株，平时甚是安静。谁知今天他刚一转过墙角，就听见是本生的声音在大喊：“抓住他，帮帮忙，抓住他，抓住他！”本来兴冲冲的基尔霍夫突然吃了一惊。想一定出了什么大事，急忙拔腿向前跑去。只见本生在草坪上东追西赶，还有一群小学生也跟着乱跑乱嚷，却看不清是追什么人。突然一个小学生，手挥一只捕蝴蝶的长柄网兜向地上一扑，本生也像足球守门员一样，扑身倒地。这时基尔霍夫已经赶到，只见本生早已大汗淋漓，忙问：“你们在抓谁啊？”

本生抬头一看，见是老友基尔霍夫，才擦把汗，喘口粗气说：“呶，在抓它！”基尔霍夫这时才看清，网兜里有只普通苍蝇。原来本生今天正在做计算铍的原子量的实验，他见天气好，就将吸有铍的滤纸拿在窗台上曝晒，不想一只苍蝇飞来贪婪地吸着那带有甜味的铍。本生一见忙追将出来，亏得这群小学生帮忙，才将这个盗贼捉拿归案。这时基尔霍夫说：“要不要用我的分光镜看看它的腿上是否已经偷有你的铍。”本生说：“我好不容易制得一点儿，让你拿去一烧，还怎么计算？我另有办法。”后来本生将这只苍蝇放入白金坩埚里焚化，又将埚底物质细心收集，竟算出苍蝇偷走的铍是1.01毫克，再加上滤纸上的总数，终于得出铍的精确原子量，这是后话。

先说本生见基尔霍夫大中午跑来便知有要事。而基尔霍夫急慌慌地将他的新发现讲了一遍，语言也没条理，说着干脆点起本生灯将刚才的实验重演一遍。本生连听带看，甚是高兴，他收拾起灯具说：“这么看来，当真天上地下一个样？”

“是的，地上的元素都能在太阳光谱里找见对应的线段。”

“但是，老兄你不要高兴得太早。我这里刚刚收到一本杂志。你看法国人让逊和英国人洛克尔在观察日食的时候都从太阳光谱上发现了一条从前没有见过的黄线。你说这是什么元素？”

这基尔霍夫可谓是当时世界上第一位光谱权威，不管天上的元素还是地上的元素，在他的脑海里都早已刻下固定的谱线。他这时端详着这本杂志上的光谱照片，又闭目想想自己记录过的所有光谱表，半天竟找不出它的位置。到底这种元素是什么？且听下回分解。