煙花絢爛色彩的背後，隱藏着太陽元素組成的秘密_風聞

　　（圖片來源：Pixabay）

　　撰文 | KKC

　　新春佳節，色彩繽紛、造型各異的煙花在夜空中綻放，烘托出喜慶的節日氛圍。在欣賞絢爛煙花的同時，你可能想象，人類研究太陽上元素組成的科學歷程，其實就和煙花發出的豐富色彩有關？

　　絢麗的煙花 | Wikimedia Commons

　　煙花能展現出五彩繽紛的顏色，來源於製造過程中加入的特定金屬化合物（或稱金屬鹽）。這些金屬鹽在燃燒時會發生焰色反應，呈現出特殊的顏色。**金屬離子不同的化合物在燃燒時，火焰的顏色也不同，比如鈉鹽發黃光，鍶鹽發紅光，鋇鹽發綠光等等。**因此，人們很早就用焰色反應來定性分析化合物的組成。

　　元素的焰色反應能產生特殊的顏色 | 參考資料[5]

　　那麼，焰色反應怎麼會和太陽的組成聯繫在一起呢？這要從物理學家對太陽光的研究説起。

　　1666年，艾薩克·牛頓(Issac Newton)在家休假時進行了光的色散實驗。他佈置了一間暗室，在窗板上開了一個小圓孔，在小孔前放上三稜鏡。他發現穿過小圓孔的太陽光在透過三稜鏡後會發散，形成像彩虹一樣的光斑。色散實驗證明太陽光並不是單色光，而是有多種顏色的光組成的。牛頓將色散形成的色帶稱為光譜(spectrum)，一門全新的學科也自此誕生——光譜學。

　　色散實驗表明太陽光是由多種顏色的光組成的 | Wikimedia Commons

　　將近100年後，來自蘇格蘭的托馬斯·梅爾維爾(Thomas Melvill)將類似的實驗方法用在了焰色反應上。1752年，梅爾維爾將海鹽、明礬等材料加入燃燒的酒精中，用稜鏡觀察火焰的顏色，發現在光譜中有位置固定的黃線。後來的威廉·塔爾博特(William Talbot)等人在實驗中發現，每種化學元素在焰色反應中會產生自身特有的光譜線，梅爾維爾的黃線實際上是鈉元素的特徵譜線，來源於材料中含鈉元素的雜質。

　　焰色反應產生的光譜線 | 參考資料[6]

　　焰色反應能產生和化學元素相對應的光譜線，而在1801年，英國化學家威廉·沃拉特森(William Wollaston)在太陽光譜中發現了神秘的暗線。沃拉特森改進了牛頓的實驗，將太陽光經過的小圓孔改成了狹縫，色散後得到一條狹長光帶。出人意料的是，這條光帶並不是完全連續的，而是有7條非常窄的暗線。

　　威廉·沃拉特森畫像 | Wikimedia Commons

　　根據光的波動理論，每種顏色的光都有對應的波長(wavelength)，波長就像光的身份證一樣，一條光譜線就代表着具有某個波長的光。化學元素的焰色反應發出的光譜線有元素自身特有的波長，而太陽光譜中出現暗線，則意味着某些波長的光消失了。可惜的是，沃拉特森以為這些暗線只是顏色的分界線，並沒有繼續深究。

　　事實上，太陽光譜中消失的譜線遠遠不止7條，但是需要更精密的儀器才能發現。德國物理學家約瑟夫·馮·夫琅禾費(Joseph von Fraunhofer)就是一位製作玻璃的天才，能製造出當時世界上最精密的光學儀器。他發明了第一台現代意義上的光譜儀，提高了對太陽光譜的分析精度，從而在太陽光譜中發現了多達574條暗線，並且對其中的主要暗線用A到K搭配數字做了標註。這些暗線後來也被稱為夫琅禾費線(Fraunhofer lines)。

　　夫琅禾費線| Wikimedia Commons

　　為什麼太陽光譜中會出現夫琅禾費線？夫琅禾費線與焰色反應的光譜線又有着怎樣的聯繫？德國的一對科學家組合——古斯塔夫·基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)和羅伯特·本生(Robert Bunsen)最終揭開了這些問題的答案。

　　基爾霍夫（左）和本生 | Wikimedia Commons

　　1859年，基爾霍夫和本生分析了大量化學元素燃燒產生的光譜線，做出了一個驚人的發現——夫琅禾費線和部分元素的譜線在波長上有驚人的一致性，每條夫琅禾費線都能找到某個元素的譜線相對應。比如説，夫琅禾費線的D線波長大約是589nm，和鈉元素的譜線波長相近；L線的波長大約是382nm，和鐵元素的一條譜線波長相近等等。

　　基爾霍夫所畫的部分太陽光譜 | 參考資料[2]

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　　基爾霍夫還在實驗中觀察到，太陽光經過鈉蒸汽後，太陽光譜中的D線會變得更暗。他結合理論和實驗提出，化學元素不僅在焰色反應等過程中發射出特定波長的光(發射光譜)，還會在一些低温條件下吸收特定波長的光(吸收光譜)。更重要的是，同一元素髮射和吸收所對應的光譜線具有相同的波長。

　　元素的發射光譜和吸收光譜有相同的波長 | 參考資料[8]

　　因此，基爾霍夫得出結論，**太陽光譜出現暗線，是因為部分波長的光被太陽大氣中的元素吸收了。**也就是説，太陽光譜中的暗線所代表的是太陽上元素的吸收光譜。舉個例子，鐵元素一條發射譜的波長是382nm，因為鐵發射和吸收光譜的波長相同，所以在太陽光經過大氣時，波長為382nm的光線就會被太陽中的鐵元素吸收或者説“攔截”了，最終在地球接收到的太陽光譜上呈現出暗淡的L線。

　　太陽光譜中的暗線所代表的是太陽上元素的吸收光譜 | 參考資料[9]

　　這是一個劃時代的發現。如果已知某種化學元素的發射光譜波長，同時在太陽光譜上發現了同樣波長的暗線，那就説明太陽上存在有這種元素。（有一部分暗線可能由地球大氣等其他因素產生）目前已知太陽由氫、氦、氧、碳、鐵等90多種元素組成，其中很大一部分依據來源於對太陽光譜的研究。

　　基爾霍夫的發現還有更深遠的意義。後續實驗表明，太陽上吸收的譜線都能在地球上元素髮射的譜線中找到對應，説明太陽的元素和地球的元素是統一的。物理學家還把目光投向了宇宙的更遠方，發現在恆星和星雲的光譜中同樣存在暗線，而且和元素的發射光譜在波長上高度一致，進一步證明整個宇宙的組成元素都具有統一性。自此，一個專門通過光譜研究天體性質的學科——天體光譜學(Astronomical spectroscopy)誕生了。

　　我們同樣可以從恆星的光譜中推知其元素組成 | 參考資料[10]

　　想象一下，當我們在山巔迎接初生的旭日，或是在夜晚抬頭仰望滿天的繁星，感嘆於宇宙天體的宏偉壯觀之時，物理學家卻只需要稍加研究幾條暗淡的光線，就能獲知這些天體的元素組成，這是多麼的神奇和美妙！而我們能窺探這些奧秘的原因，其實就隱藏在煙花發出的絢爛色彩和太陽光的神秘暗線之間的美妙巧合之中。

　　參考資料：

　　[1]Rigden, John S. Hydrogen: the essential element. Harvard University Press, 2003.

　　[2]Hearnshaw, John B. The analysis of starlight: two centuries of astronomical spectroscopy. Cambridge University Press, 2014.

　　[3]Jackson, Myles W. Spectrum of belief: Joseph von Fraunhofer and the craft of precision optics. Mit Press, 2000.

　　[4]王爽. 《宇宙奧德賽·漫步太陽系》 清華大學出版社, 2018.

　　[5]https://www.usgs.gov/media/images/what-minerals-produce-colors-fireworks

　　[6]https://scientificgems.wordpress.com/2020/03/25/chemistry-can-be-beautiful-the-classic-flame-test/

　　[7]https://www.spectroscopyonline.com/view/timeline-atomic-spectroscopy

　　[8]https://webbtelescope.org/contents/media/images/01F8GF9E8WXYS168WRPPK9YHEY

　　[9]https://publiclab.org/notes/cfastie/3-2-2013/fraunhofer

　　[10]https://viewspace.org/interactives/unveiling_invisible_universe/analyzing_light/spectrum_of_the_star_altair

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Melvill

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_von_Fraunhofer

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff

　　https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_spectroscopy