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十大美丽化学实验 ─ 克希何夫 (Kirchhoff)、本生

  • V生活吧
  • 2020-06-20
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十大美丽化学实验 ─ 克希何夫 (Kirchhoff)、本生

图一:克希何夫(左),本生(右)

在十大美丽化学实验中除了居礼夫妇发现放射性元素外,唯有克希何夫(Gustav Kirchhoff,1824-1887)与本生(Robert Bunsen,1811-1899)是两人合作共同做出重大发现。有趣的是,本生是位化学家、克希何夫则是物理学家,他们除了光谱分析之外,分别在化学、物理领域都有卓越的贡献,是怎样的机缘让两位名满天下的大师级人物擦出灿烂的火花呢?

本生和克希何夫早在1851年便已结识,当时克希何夫在布列斯劳大学(University of Breslau)担任教授,而本生甫获得同一间大学的职位。不过一年后,本生便转任海德堡大学(University of Heidelberg)教授,他一直帮好麻吉克希何夫留意职位,不久克希何夫也跟着来到海德堡大学。

光谱研究的历史源自1663年,时仅21岁、就读牛津大学的牛顿(Isaac Newton)将一道太阳光通过稜镜,在墙壁上投射出红橙黄绿蓝靛紫的彩色色带,牛顿将此色带命名光谱(spectrum)。1814年弗朗和斐(J.von Fraunhofer)仔细检视太阳光的光谱,发现在某些地方会出现暗线,他把这些暗线依照顺序以A、B、C……命名,其中最引人注目的莫过于黄光部分的两条暗线--D线(D line)。有次弗朗和斐突发奇想,他分别验证太阳光与钠燃烧产生的光谱,发现钠燃烧的光谱在同样D线处出现两条明亮的黄线(见图二),但弗朗和斐无法解释这个奇妙的「巧合」。

十大美丽化学实验 ─ 克希何夫 (Kirchhoff)、本生

图二:上为太阳光光谱,箭头所指黄光部分两条黑线便是D线;下为燃烧钠产生光的光谱

在弗朗和斐实验四十年后,克希何夫与本生两人在海德堡大学开始了光谱分析的研究,首先本生发明了一种利用瓦斯混合空气燃烧的加热器具,现称本生灯(Bunsen burner)。一般火焰的亮度太高,容易干扰光学实验;而本生灯的火焰较阴暗,较不会影响加热物质放出的光线。除了本生灯以外,两人一同开发出分光镜(spectroscope),分光镜的原理是利用不同波长光线的折射率不同,透过稜镜而产生色散,克希何夫推断类似颜色的火焰应可使用稜镜来区分它们放出光线的不同。(见图三)

十大美丽化学实验 ─ 克希何夫 (Kirchhoff)、本生

图三:克希何夫与本生架设的实验装置,D:本生灯,F:稜镜,C:观察镜头

当克希何夫将中等强度的阳光透过含有氯化锂的火焰,再使用稜镜色散,他发现在黑暗背景中出现了一条亮线,但是当他使用更强的阳光进行实验时,却发现在同样原先亮线的地方出现一条暗线。克希何夫同时也使用高热的石灰(lime)产生连续性的光谱,将此光通过钠燃烧的火焰,再经过稜镜色散。就在先前发表太阳光光谱的D线位置,出现了暗线,此时已是弗朗和斐实验后四十五年:1859年。

※ 弗朗和斐实验:燃烧钠–>光谱在D线处得到两条亮黄线
※ 克希何夫实验:石灰产生的光通过钠火焰–>得到连续光谱而在D线处出现两条暗线。

克希何夫认定太阳的表面必定存在钠蒸气,才会有这样的谱线。透过这种方法,克希何夫归纳出某元素在高热时若能发射某种波长的光,则在较低温时其蒸气就会吸收相同波长的光。实验的结果在往后被归纳为「克希何夫三大光谱定律(Kirchhoff’s three laws of spectroscopy)」:

1. 炽热的固体会发出连续光谱。
2. 热且稀薄的气体会放出特定波长的光。(现称「放射光谱(emission spectrum)」)
3. 炽热的固体周围若被比固体冷且稀薄的气体包围,会产生几乎连续的光谱, 不连续处会出现在特定波长。(现称「吸收光谱(absorption spectrum)」)

十大美丽化学实验 ─ 克希何夫 (Kirchhoff)、本生

图四:(由左至右)连续光谱,放射光谱,吸收光谱

定律中的特定波长取决于元素的特性,不过背后原理要等到波耳氢原子模型提出才现出曙光,现今量子力学解释这现象是因为每种元素都有特定的能阶,吸收特定波长的光可使电子跃迁至激发态(excited state);反之激发态的电子回到较低能阶时也会放出特定波长的光。

光谱技术日渐成熟后,克希何夫和本生开始逆向思考:「若特定元素有着特定光谱;反过来说,如果能找到新的特徵光谱,不就等于发现新元素吗?」因为硷金族元素的火焰最为鲜明,而硷金族中的钠与钾大量存在于海水与矿泉水之中,相似性质的元素通常会共存,也许新的硷金族元素能从海水或矿泉水中发现。几个月后,分析瑞典涂尔干(Durkheim)一处取得的矿泉水有了发现,他们利用沉澱法除去硷土族金属后再浓缩,发现除了已知的锂、钠、钾三种元素的放光之外,还有两条蓝色的谱线,他们认为这两条新发现的谱线代表矿泉水含有新的元素,命名为「铯(Cesium)」,取拉丁文「天蓝色」之意。

在这之前,科学家要发现新元素,要嘛像普利斯利(Joseph Priestley)分解氧化汞得到氧气;或是像戴维(Humphry Davy)利用电解氢氧化钾发现钾。从此之后,光谱技术大大地改变元素的发现方式,科学家开始使用精密方法例如分光镜来侦测微量新元素,包括居礼夫妇(Marie and Pierre Curie)完成纯化镭盐,也是以光谱分析来确认新元素的发现。高中化学实验「焰色试验法」便是用相同原理进行的简易元素分析。

本生与克希何夫到底是不是元素分析的开山祖师?一直有科学家提出疑问,因为在他们提出放射光谱发现前五年,也就是1854年,有位宾州医生爱尔特(David Alter)发表了一篇论文:「使用稜镜分析燃烧不同金属产生的光,特定物理性质探讨」。但这无损于本生与克希何夫的历史地位,纵使有科学家在之前抓取了元素分析的片段知识,不过是两人提出的完整理论让我们对元素分析不再见树不见林。为了纪念两人的贡献,现今光谱分析最重要的奖项便以他们命名:Bunsen-Kirchhoff Award。


参考文献
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Bunsen
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff
3. 陈俊豪,”光谱学与元素的发现” http://0rz.tw/rDW0q
4. http://www.chemteam.info/Electrons/Spec … story.html
5. http://chemheritage.org/classroom/chema … hhoff.html