从烟花到太阳：本生&基尔霍夫

                                 从烟花到太阳：本生&基尔霍夫

    烟花源于火药（我国四大发明之一），早在一千三百多年前，药王孙思邈（西魏大统七年（541年）生于农户家庭，唐永淳元年（682年），孙思邈逝，享年142岁）在"丹经"中，详细记载了当时的火药的成分和性质。十四世纪才由印度、阿拉伯辗转传至欧洲。隋唐之际，火药发展成为供娱乐用的焰火，也叫烟火、烟花。

    古代我们元宵节（上元节）都要燃灯放烟花，隋炀帝有诗云：“灯树千光照，花焰七枝开”。唐朝元宵节比隋朝更热闹。著名的成语“火树银花”，就出自武则天时期宰相苏味道的《正月十五夜》，诗中写尽了盛唐元宵的动人气象：“火树银花合，星桥铁锁开。暗尘随马去，明月逐人来。游妓皆秾李，行歌尽落梅。金吾不禁夜，玉漏莫相催”。宋朝词人辛弃疾也曾有“东风夜放花千树，更吹落，星如雨”的词句，从这也反应出中国古代烟花已经非常普及。

   现今我们知道：烟花五颜六色的原理叫做焰色反应，简单来说就是不同的金属在燃烧时会发出不同颜色的光，一般来说：锂离子为紫红色 、钡离子为黄绿色、 钙离子为砖红色 、 铷离子为紫色 、铜离子为绿色 、钠离子为黄色、钾离子为浅紫色 、锶离子为洋红色 。完美解释这现象是量子力学。这就要讲到文题的两位科学家。

                                                    海德堡大学的耀眼双子星

    本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811-1899），化学家和物理学家。他17岁大学毕业，19岁就获得博士学位。1830年至1833年期间在欧洲一些国家的著名实验室和工厂里工作，1838年至1851年任马尔堡大学化学教授，1852年至1889年任海德堡大学教授，创建了一个著名的化学学派。

     基尔霍夫（Gustav Rober Kirehhoff，1824-1887），物理学家。早年就读于柯尼斯堡大学。1847年毕业后至柏林大学任教。1854年经本生推荐任海德堡大学教授。1875年到柏林大学任物理学教授。

     本森和基尔霍夫都是德国人，1850年代都在德国的海德尔堡大学教学，是非常要好的朋友。本森身材高大，体态魁伟；基尔霍夫却身材矮小，只有他的大个子朋友的一半。本森沉默少言，很难得说句话，而基尔霍夫呢，则是有名的贫嘴。他妈从小就叫他“小尤丽娅”，就因为他长得又小、又矮、又爱说，像个小女孩子。人们无法想像他们两个人怎么会成为一对形影不离的好朋友。其实，很简单，基尔霍夫是个学者，除去科学，什么也不想知道，而本森呢，为了做实验连自己的婚礼也会忘记，至此一生未婚。这是两个把自己完全献给了科学事业的科学家。他们每天在一起讨论着他们共同关心的东西，他们逐渐的成为了好朋友。

                                                   光谱分析大放异彩

     1789年，拉瓦锡撰写了世界第一部现代化学教科书《化学基本论述》，在这本书中他列出了世界第一个现代化学元素列表，列出33种元素，其中24种是真的。后面英国皇家化学会主席汉弗莱·戴维再发现了十余种元素。其他人又发现了类似铂的铱、锇、铑、钯和钌，这样元素1830年被发现了57种。而后不管科学家怎么努力，几十年过去了，也没有发现一种新的元素。

    在当时那个年代，人们都搞不懂原子到底存不存在，更不知道原子的结构，也不知道元素化学性质的本质原因，所以那个时候的化学并不像现在这样是一门成熟、独立的学科。当时的化学家总有点炼金术师的感觉，他们每天都在倒腾各种瓶瓶罐罐，把不同的元素混合在一起，看能发生什么反应，然后称一下反应前和反应后的比重，总结一些表象规律。

    要不就是把各种元素拿到火下烧一烧，今天烧这个明天烧那个。为做此类实验，本生在煤气灯的进气通道上再增加了一个空气进入的通道，这样煤气和空气能充分混合，灯燃烧的更加充分，可以达到2300摄氏度，火焰呈无色。这种煤气灯就叫本生灯。烧着烧着本生就发现这样一种现象，每种元素在火焰下都有它自己特有的颜色，比如钠的颜色就是黄色，钙的颜色就是砖红色，锂的颜色是深红色、钾的颜色是紫色等等；

    本生就将这件事告诉了基尔霍夫，基尔霍夫说既然颜色不同，那光谱肯定不同，基尔霍夫动手能力很强，他很快就利用了实验室保存的夫琅禾费先生的三棱镜，用烟盒和望远镜制造了世界上第一台分光镜。

     1859年，“光谱仪”安装好以后，他们就合作系统地分析各种物质，本生在接物镜一边灼烧各种化学物质，基尔霍夫在接目镜一边进行观察、鉴别和记录。他们发现用这种方法可以准确地鉴别出各种物质的成分。结果发现所有元素的发射光谱都是分立的线条，并不连续，就像条形码一样，而且每种元素的条形码都不一样。

   两人立刻就认识到了这个发现的重要性，这不就是元素的身份证吗？他们把已知的元素光谱线都记录了下来，以后只要把一个东西往火里一烧，分析他的光谱，然后对照已经记录的元素光谱，发现其中有钠元素，有氯元素，就知道烧的是氯化钠。

    本生负责纯化盐的工作。他把含盐的各种化合物过滤和结晶，再过滤再结晶的方法制得纯洁的晶体。然后用铂金挑起少量的盐颗粒放在本生灯的外焰上燃烧，让光线通过烟盒上的夹缝，光线经过三棱镜折射后，在烟盒壁上显示出明亮的光谱。

本生通过望远镜窥视，他喊到:“钠盐，两条黄线，钾盐一条紫线，一条红线。”

接着他们又换成别的盐。所有的锂盐都有一条红线和一条较暗的橙线。而所有的锶盐都有一条蓝线和几条暗红色的线。这样原来通过观察火焰的颜色分不清楚是含锂的盐还是含锶的盐，现在分清楚了。

本生和基尔霍夫着了迷。

他们把茶、牛奶、葡萄、血液和肌肉等等都拿来，利用分化镜一一探寻它们含有的元素。分光镜非常灵敏，十亿分之一的物质都能给判断出来。

    有了这个能分光的烟盒子，就像戴维当年得到电斧一样，本生拿着这个“照妖镜”一通乱照，照着照着，还真给他发现了新的元素。1860年5月的某一天，本生把一瓶矿泉水进行浓缩后，放在本生灯上一烧，发现了光谱上从未出现过的天蓝色线条，再一找，又发现了一条从未见过的暗红色线谱，本生轻而易举发现了两种新元素，铯和铷。本生和生产这种矿泉水的老板商量，利用工厂的设备蒸发和处理了44000升这样的矿泉水，提炼出7克的铯。而在处理矿泉水的过程中还提炼出10克的铷。后来其他化学家也利用分光镜发现了铊和铟。

                                                         太阳光谱

     最令人惊奇的是，本生和基尔霍夫创造的方法，可以研究太阳及其他恒星的化学成分，为以后天体化学的研究打下了坚实的基础。本生的分光镜不仅能够探寻地球上所有物质所含的元素，更重要的是它还能用来探寻太阳里所含有的元素。

     氦这种元素就是首先在太阳上发现的。1868年天文学家把分光镜对准了太阳，看到了在钠黄线边上另外一条明亮的黄线，当时不知道这是太阳里什么元素发出的光谱，就暂时命名为氦，即太阳的意思。直到1895年拉姆赛通过对空气成分的研究以及和氩气的光谱分析后才确定地球上的氦和太阳的氦乃是同一种元素。

      他们用这个发现还解释了困扰人类已久的夫琅和费线，也就是太阳可见光谱中的暗线，其实所有的暗线都对应了特定元素的吸收线。

    1859年，他们向德国科学院报告了此事，说已经知道了太阳的组成，当时所有的人都惊呆了，竟然能知道太阳的组成，简直有点不可思议。

     基尔霍夫有一次举行讲座时指出，从太阳光谱上看到的黑线证明太阳上有金子存在。一位前来听讲座的银行家讥笑基尔霍夫说：“如果不能从太阳上得到它，那这样的金子有何用处！”后来基尔霍夫，因光谱分析方面的发现荣获了金质奖章，他把奖章给那位银行家看，并说：“你瞧，我终于从太阳上得到了金子。

                                                                 结语

   从这件事就能看出在19世纪实验物理学， 已经远远地领先于理论物理学，元素光谱是怎样形成的？为什么是分立线条？为什么每种元素的光谱都不一样？这就是19世纪困扰人类的原子线状光谱的问题，还有元素周期表中元素化学性质，表现出来的周期相似性问题，这些都得等波尔等创立量子力学才能解决。

                                                              多此一言

    从本生和基尔霍夫的合作所取得的成就，不由感慨：中国古人，自视清高，文人相轻，信奉吃得苦中苦，方为人上人。其实在自然面前，在天道面前，个人的力量是多么地渺小！更多的是团队的力量，合作的力量。也建议当下望子女成龙凤的天下父母，让子女从小多多从事群体活动，多交朋友。