從煙花到太陽：本生&基爾霍夫_風聞

                                 從煙花到太陽：本生&基爾霍夫

    煙花源於火藥（我國四大發明之一），早在一千三百多年前，藥王孫思邈（西魏大統七年（541年）生於農户家庭，唐永淳元年（682年），孫思邈逝，享年142歲）在"丹經"中，詳細記載了當時的火藥的成分和性質。十四世紀才由印度、阿拉伯輾轉傳至歐洲。隋唐之際，火藥發展成為供娛樂用的焰火，也叫煙火、煙花。

    古代我們元宵節（上元節）都要燃燈放煙花，隋煬帝有詩云：“燈樹千光照，花焰七枝開”。唐朝元宵節比隋朝更熱鬧。著名的成語“火樹銀花”，就出自武則天時期宰相蘇味道的《正月十五夜》，詩中寫盡了盛唐元宵的動人氣象：“火樹銀花合，星橋鐵鎖開。暗塵隨馬去，明月逐人來。遊妓皆穠李，行歌盡落梅。金吾不禁夜，玉漏莫相催”。宋朝詞人辛棄疾也曾有“東風夜放花千樹，更吹落，星如雨”的詞句，從這也反應出中國古代煙花已經非常普及。

   現今我們知道：煙花五顏六色的原理叫做焰色反應，簡單來説就是不同的金屬在燃燒時會發出不同顏色的光，一般來説：鋰離子為紫紅色 、鋇離子為黃綠色、 鈣離子為磚紅色 、 銣離子為紫色 、銅離子為綠色 、鈉離子為黃色、鉀離子為淺紫色 、鍶離子為洋紅色 。完美解釋這現象是量子力學。這就要講到文題的兩位科學家。

                                                    海德堡大學的耀眼雙子星

    本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811-1899），化學家和物理學家。他17歲大學畢業，19歲就獲得博士學位。1830年至1833年期間在歐洲一些國家的著名實驗室和工廠裏工作，1838年至1851年任馬爾堡大學化學教授，1852年至1889年任海德堡大學教授，創建了一個著名的化學學派。

     基爾霍夫（Gustav Rober Kirehhoff，1824-1887），物理學家。早年就讀於柯尼斯堡大學。1847年畢業後至柏林大學任教。1854年經本生推薦任海德堡大學教授。1875年到柏林大學任物理學教授。

     本森和基爾霍夫都是德國人，1850年代都在德國的海德爾堡大學教學，是非常要好的朋友。本森身材高大，體態魁偉；基爾霍夫卻身材矮小，只有他的大個子朋友的一半。本森沉默少言，很難得説句話，而基爾霍夫呢，則是有名的貧嘴。他媽從小就叫他“小尤麗婭”，就因為他長得又小、又矮、又愛説，像個小女孩子。人們無法想像他們兩個人怎麼會成為一對形影不離的好朋友。其實，很簡單，基爾霍夫是個學者，除去科學，什麼也不想知道，而本森呢，為了做實驗連自己的婚禮也會忘記，至此一生未婚。這是兩個把自己完全獻給了科學事業的科學家。他們每天在一起討論着他們共同關心的東西，他們逐漸的成為了好朋友。

                                                   光譜分析大放異彩

     1789年，拉瓦錫撰寫了世界第一部現代化學教科書《化學基本論述》，在這本書中他列出了世界第一個現代化學元素列表，列出33種元素，其中24種是真的。後面英國皇家化學會主席漢弗萊·戴維再發現了十餘種元素。其他人又發現了類似鉑的銥、鋨、銠、鈀和釕，這樣元素1830年被發現了57種。而後不管科學家怎麼努力，幾十年過去了，也沒有發現一種新的元素。

    在當時那個年代，人們都搞不懂原子到底存不存在，更不知道原子的結構，也不知道元素化學性質的本質原因，所以那個時候的化學並不像現在這樣是一門成熟、獨立的學科。當時的化學家總有點鍊金術師的感覺，他們每天都在倒騰各種瓶瓶罐罐，把不同的元素混合在一起，看能發生什麼反應，然後稱一下反應前和反應後的比重，總結一些表象規律。

    要不就是把各種元素拿到火下燒一燒，今天燒這個明天燒那個。為做此類實驗，本生在煤氣燈的進氣通道上再增加了一個空氣進入的通道，這樣煤氣和空氣能充分混合，燈燃燒的更加充分，可以達到2300攝氏度，火焰呈無色。這種煤氣燈就叫本生燈。燒着燒着本生就發現這樣一種現象，每種元素在火焰下都有它自己特有的顏色，比如鈉的顏色就是黃色，鈣的顏色就是磚紅色，鋰的顏色是深紅色、鉀的顏色是紫色等等；

    本生就將這件事告訴了基爾霍夫，基爾霍夫説既然顏色不同，那光譜肯定不同，基爾霍夫動手能力很強，他很快就利用了實驗室保存的夫琅禾費先生的三稜鏡，用煙盒和望遠鏡製造了世界上第一台分光鏡。

     1859年，“光譜儀”安裝好以後，他們就合作系統地分析各種物質，本生在接物鏡一邊灼燒各種化學物質，基爾霍夫在接目鏡一邊進行觀察、鑑別和記錄。他們發現用這種方法可以準確地鑑別出各種物質的成分。結果發現所有元素的發射光譜都是分立的線條，並不連續，就像條形碼一樣，而且每種元素的條形碼都不一樣。

   兩人立刻就認識到了這個發現的重要性，這不就是元素的身份證嗎？他們把已知的元素光譜線都記錄了下來，以後只要把一個東西往火裏一燒，分析他的光譜，然後對照已經記錄的元素光譜，發現其中有鈉元素，有氯元素，就知道燒的是氯化鈉。

    本生負責純化鹽的工作。他把含鹽的各種化合物過濾和結晶，再過濾再結晶的方法制得純潔的晶體。然後用鉑金挑起少量的鹽顆粒放在本生燈的外焰上燃燒，讓光線通過煙盒上的夾縫，光線經過三稜鏡折射後，在煙盒壁上顯示出明亮的光譜。

本生通過望遠鏡窺視，他喊到:“鈉鹽，兩條黃線，鉀鹽一條紫線，一條紅線。”

接着他們又換成別的鹽。所有的鋰鹽都有一條紅線和一條較暗的橙線。而所有的鍶鹽都有一條藍線和幾條暗紅色的線。這樣原來通過觀察火焰的顏色分不清楚是含鋰的鹽還是含鍶的鹽，現在分清楚了。

本生和基爾霍夫着了迷。

他們把茶、牛奶、葡萄、血液和肌肉等等都拿來，利用分化鏡一一探尋它們含有的元素。分光鏡非常靈敏，十億分之一的物質都能給判斷出來。

    有了這個能分光的煙盒子，就像戴維當年得到電斧一樣，本生拿着這個“照妖鏡”一通亂照，照着照着，還真給他發現了新的元素。1860年5月的某一天，本生把一瓶礦泉水進行濃縮後，放在本生燈上一燒，發現了光譜上從未出現過的天藍色線條，再一找，又發現了一條從未見過的暗紅色線譜，本生輕而易舉發現了兩種新元素，銫和銣。本生和生產這種礦泉水的老闆商量，利用工廠的設備蒸發和處理了44000升這樣的礦泉水，提煉出7克的銫。而在處理礦泉水的過程中還提煉出10克的銣。後來其他化學家也利用分光鏡發現了鉈和銦。

                                                         太陽光譜

     最令人驚奇的是，本生和基爾霍夫創造的方法，可以研究太陽及其他恆星的化學成分，為以後天體化學的研究打下了堅實的基礎。本生的分光鏡不僅能夠探尋地球上所有物質所含的元素，更重要的是它還能用來探尋太陽裏所含有的元素。

     氦這種元素就是首先在太陽上發現的。1868年天文學家把分光鏡對準了太陽，看到了在鈉黃線邊上另外一條明亮的黃線，當時不知道這是太陽裏什麼元素髮出的光譜，就暫時命名為氦，即太陽的意思。直到1895年拉姆賽通過對空氣成分的研究以及和氬氣的光譜分析後才確定地球上的氦和太陽的氦乃是同一種元素。

      他們用這個發現還解釋了困擾人類已久的夫琅和費線，也就是太陽可見光譜中的暗線，其實所有的暗線都對應了特定元素的吸收線。

    1859年，他們向德國科學院報告了此事，説已經知道了太陽的組成，當時所有的人都驚呆了，竟然能知道太陽的組成，簡直有點不可思議。

     基爾霍夫有一次舉行講座時指出，從太陽光譜上看到的黑線證明太陽上有金子存在。一位前來聽講座的銀行家譏笑基爾霍夫説：“如果不能從太陽上得到它，那這樣的金子有何用處！”後來基爾霍夫，因光譜分析方面的發現榮獲了金質獎章，他把獎章給那位銀行家看，並説：“你瞧，我終於從太陽上得到了金子。

                                                                 結語

   從這件事就能看出在19世紀實驗物理學， 已經遠遠地領先於理論物理學，元素光譜是怎樣形成的？為什麼是分立線條？為什麼每種元素的光譜都不一樣？這就是19世紀困擾人類的原子線狀光譜的問題，還有元素週期表中元素化學性質，表現出來的週期相似性問題，這些都得等波爾等創立量子力學才能解決。

                                                              多此一言

    從本生和基爾霍夫的合作所取得的成就，不由感慨：中國古人，自視清高，文人相輕，信奉吃得苦中苦，方為人上人。其實在自然面前，在天道面前，個人的力量是多麼地渺小！更多的是團隊的力量，合作的力量。也建議當下望子女成龍鳳的天下父母，讓子女從小多多從事羣體活動，多交朋友。