物理與工程 下面的文章來源于物理文化和施郁世界線。 ，作者施郁

物理學(xué)文化和施郁世界線.

講述科學(xué)思想、方法、歷史、人物，以及鮮為人知的有趣故事，傳播科學(xué)精神，弘揚科學(xué)文化，特別是物理文化。我的文章主要由施郁教授主持。

作者丨施郁

光譜

回到1665年，牛頓通過三棱鏡散射測試獲得了太陽光譜。這可以看作是第一個光譜測試。光譜是指各種單色光在混合光中的分布。

梅爾維爾維爾1748年（Thomas Melvill）將幾種物質(zhì)放入酒精燈中燃燒，觀察到光譜中有一條明亮的黃線，這就是鈉元素的光譜。

1800年，赫謝耳（William Herschel）發(fā)現(xiàn)太陽光包括看不見的紅外線，發(fā)現(xiàn)太陽光譜中不同顏色的熱分布不均勻。他認(rèn)為紅色是最熱的(81年后，人們發(fā)現(xiàn)它不是最熱的紅色)。

沃拉斯頓1802年（William Hyde Wollaston）觀察太陽光譜中的幾條暗線。

一八一四年，夫瑯和費（Joseph Fraunhofer）在幾個燈光中發(fā)現(xiàn)鈉線，看到非?？拷碾p線，他在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)了大量的暗線，被稱為夫瑯和費線。光譜線的原理要等到量子力學(xué)來解釋。雙線結(jié)構(gòu)是由于自旋軌道耦合較弱造成的。

以下兩張圖片分別是夫瑯和費和當(dāng)代科學(xué)家獲得的太陽光譜。

▲ 夫瑯和費得的太陽光譜。圖片來自網(wǎng)絡(luò)。

▲ 現(xiàn)代科學(xué)家測試的太陽光譜。圖片來自網(wǎng)絡(luò)。

布儒斯特在1832年描述了光源通過有色玻璃或氣體產(chǎn)生的暗光譜。之后，米勒（William Allen Miller）和傅科（Jean Léon Foucault）確定鈉的明線和太陽光譜的D暗線(見圖)嚴(yán)格一致，所以他們認(rèn)為夫瑯和費線可能是太陽大氣吸收造成的，但沒有得到確認(rèn)。

1842年，多普勒（John Christian Doppler）提出類似于聲波的光波，頻率隨光源的運動而變化，即多普勒效應(yīng)。

一八五九年，基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本森(Robert Wilhelm Bunsen)指出，太陽光譜中的黑條是由太陽大氣中的物質(zhì)引起的，如果相同的物質(zhì)處于火焰中，光譜中的相同位置(相同頻率)就會產(chǎn)生明線。吸收譜線和發(fā)射譜線是我們今天所知道的。他們建議在太陽光譜中找到鈉、鎂、銅、鋅、鋇、鎳的光譜，并用光譜確定金屬的存在，以便在某些礦泉水中找到和諧。

1862年，塞曼（Pieter Zeeman）發(fā)現(xiàn)磁場使光譜線破裂?，F(xiàn)在我們都知道塞曼效應(yīng)了。

1868年，哈金斯（William Huggins）發(fā)現(xiàn)太陽旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致譜線移動。此后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一系列基于多普勒效應(yīng)的光譜移動，包括雙星和土星環(huán)的不完整性和行星運動的差異速度。

埃格斯特朗1868年（Anders Jonas ?ngstr?m）在太陽光譜中發(fā)布每個波長的手表。?ngstr?m(埃)后來成為一個長度單位，代表10-10米。

1881年，蘭利（Samuel Pierpont Langley）發(fā)現(xiàn)太陽光中的藍光和綠光被大氣吸收了很多，所以變白了。在太陽光譜中，他測定了許多紅外線譜。

1884年，巴爾末（Johann Jakob Balmer）根據(jù)四條氫光譜線，總結(jié)出一個波長公式，即波長與自然數(shù)的平方除以其減少2的平方。今天，這些譜線被稱為巴爾末線系統(tǒng)。

下圖是我們今天所知道的氫原子光譜，從中可以看出巴爾末線系統(tǒng)（n=2)。n現(xiàn)在被稱為主量子數(shù)，對應(yīng)于量子態(tài)和能量沿著與原子核連接的方向移動。

▲ 氫原子光譜。圖片來自網(wǎng)絡(luò)。

1890年，里德堡（Johannes Robert Rydberg）單獨提出一個波數(shù)公式，與巴爾末公式一致，但適用于不同的譜線系統(tǒng)。

1894年．帕邢（Friedrich Paschen）把太陽光譜的紅外區(qū)從蘭利的5μm擴展到9.3μm，1897年又?jǐn)U展到23μm。

1895年，倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen）發(fā)現(xiàn)x射線。他用x射線給妻子拍照。參考下圖。倫琴認(rèn)為這是以太的縱波，斯托克斯（George Gabriel Stokes）認(rèn)為這是電磁波的脈沖，最早將x射線與電磁波聯(lián)系起來。

1906年，萊曼（Theodore Lyman）發(fā)現(xiàn)紫外線波長1000埃。

1908年，里茲（Walther Ritz）提出組合規(guī)則，即光譜線頻率與兩個自然數(shù)平方倒數(shù)的差異正比，比例系數(shù)之后稱為里德堡常數(shù)，之前已經(jīng)出現(xiàn)在里德堡公式中。同年，帕邢做了一些驗證，他發(fā)現(xiàn)第一個自然數(shù)為3的譜線系，叫做帕邢線系。巴爾末探索了里茲公式中第一個自然數(shù)為2的線系，稱為巴爾末線系。第一條自然數(shù)為1的線是紫外線，是萊曼發(fā)現(xiàn)的，叫做萊曼。參考上面的氫光譜照片。

1912年，勞厄（Max von Laue)當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)x射線被晶體衍射時。這表明x射線的波長接近晶體重的原子間隔。很快，布拉格的父子（William Henry Bragg 還有William Lawrence Bragg）發(fā)展了x射線晶體學(xué)。眾所周知，x射線是電磁波。

▲ 1912年勞厄發(fā)布的x射線衍射圖。

原來人們所說的光是能見光，之后就不區(qū)分光和電磁波了。電磁波的頻率決定了電磁波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、伽馬射線的不同，也決定了可見光的顏色。在真空中，所有電磁波的速度都是相同的，即光速，光速乘以頻率就是波長，是光在振動周期中傳播的距離。整個電磁波譜又稱光譜。1926年，密立根（Robert Andrews Millikan）他說：“在過去的幾年里，用于看不見以太波的新實驗技術(shù)已經(jīng)完全消除了人工電磁波和熱波之間的差距?！边@里也反映了密立根沒有放棄以太的說法。

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