科普｜光谱

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物理学文化和施郁世界线.

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作者丨施郁

光谱

回到1665年，牛顿通过三棱镜散射测试获得了太阳光谱。这可以看作是第一个光谱测试。光谱是指各种单色光在混合光中的分布。

梅尔维尔维尔1748年（Thomas Melvill）将几种物质放入酒精灯中燃烧，观察到光谱中有一条明亮的黄线，这就是钠元素的光谱。

1800年，赫谢耳（William Herschel）发现太阳光包括看不见的红外线，发现太阳光谱中不同颜色的热分布不均匀。他认为红色是最热的(81年后，人们发现它不是最热的红色)。

沃拉斯顿1802年（William Hyde Wollaston）观察太阳光谱中的几条暗线。

一八一四年，夫琅和费（Joseph Fraunhofer）在几个灯光中发现钠线，看到非常靠近的双线，他在太阳光谱中发现了大量的暗线，被称为夫琅和费线。光谱线的原理要等到量子力学来解释。双线结构是由于自旋轨道耦合较弱造成的。

以下两张图片分别是夫琅和费和当代科学家获得的太阳光谱。

▲ 夫琅和费得的太阳光谱。图片来自网络。

▲ 现代科学家测试的太阳光谱。图片来自网络。

布儒斯特在1832年描述了光源通过有色玻璃或气体产生的暗光谱。之后，米勒（William Allen Miller）和傅科（Jean Léon Foucault）确定钠的明线和太阳光谱的D暗线(见图)严格一致，所以他们认为夫琅和费线可能是太阳大气吸收造成的，但没有得到确认。

1842年，多普勒（John Christian Doppler）提出类似于声波的光波，频率随光源的运动而变化，即多普勒效应。

一八五九年，基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本森(Robert Wilhelm Bunsen)指出，太阳光谱中的黑条是由太阳大气中的物质引起的，如果相同的物质处于火焰中，光谱中的相同位置(相同频率)就会产生明线。吸收谱线和发射谱线是我们今天所知道的。他们建议在太阳光谱中找到钠、镁、铜、锌、钡、镍的光谱，并用光谱确定金属的存在，以便在某些矿泉水中找到和谐。

1862年，塞曼（Pieter Zeeman）发现磁场使光谱线破裂。现在我们都知道塞曼效应了。

1868年，哈金斯（William Huggins）发现太阳旋转导致谱线移动。此后，科学家们发现了一系列基于多普勒效应的光谱移动，包括双星和土星环的不完整性和行星运动的差异速度。

埃格斯特朗1868年（Anders Jonas Ångström）在太阳光谱中发布每个波长的手表。Ångström(埃)后来成为一个长度单位，代表10-10米。

1881年，兰利（Samuel Pierpont Langley）发现太阳光中的蓝光和绿光被大气吸收了很多，所以变白了。在太阳光谱中，他测定了许多红外线谱。

1884年，巴尔末（Johann Jakob Balmer）根据四条氢光谱线，总结出一个波长公式，即波长与自然数的平方除以其减少2的平方。今天，这些谱线被称为巴尔末线系统。

下图是我们今天所知道的氢原子光谱，从中可以看出巴尔末线系统（n=2)。n现在被称为主量子数，对应于量子态和能量沿着与原子核连接的方向移动。

▲ 氢原子光谱。图片来自网络。

1890年，里德堡（Johannes Robert Rydberg）单独提出一个波数公式，与巴尔末公式一致，但适用于不同的谱线系统。

1894年．帕邢（Friedrich Paschen）把太阳光谱的红外区从兰利的5μm扩展到9.3μm，1897年又扩展到23μm。

1895年，伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）发现x射线。他用x射线给妻子拍照。参考下图。伦琴认为这是以太的纵波，斯托克斯（George Gabriel Stokes）认为这是电磁波的脉冲，最早将x射线与电磁波联系起来。

1906年，莱曼（Theodore Lyman）发现紫外线波长1000埃。

1908年，里兹（Walther Ritz）提出组合规则，即光谱线频率与两个自然数平方倒数的差异正比，比例系数之后称为里德堡常数，之前已经出现在里德堡公式中。同年，帕邢做了一些验证，他发现第一个自然数为3的谱线系，叫做帕邢线系。巴尔末探索了里兹公式中第一个自然数为2的线系，称为巴尔末线系。第一条自然数为1的线是紫外线，是莱曼发现的，叫做莱曼。参考上面的氢光谱照片。

1912年，劳厄（Max von Laue)当人们发现x射线被晶体衍射时。这表明x射线的波长接近晶体重的原子间隔。很快，布拉格的父子（William Henry Bragg 还有William Lawrence Bragg）发展了x射线晶体学。众所周知，x射线是电磁波。

▲ 1912年劳厄发布的x射线衍射图。

原来人们所说的光是能见光，之后就不区分光和电磁波了。电磁波的频率决定了电磁波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线的不同，也决定了可见光的颜色。在真空中，所有电磁波的速度都是相同的，即光速，光速乘以频率就是波长，是光在振动周期中传播的距离。整个电磁波谱又称光谱。1926年，密立根（Robert Andrews Millikan）他说：“在过去的几年里，用于看不见以太波的新实验技术已经完全消除了人工电磁波和热波之间的差距。”这里也反映了密立根没有放弃以太的说法。

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