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我們在《如虛如實說 | 你知道光是怎麼傳播的嗎？》

一文中講到過牛頓

牛頓的光學研究別開蹊徑

牛頓的光譜實驗

圖1，牛頓的光譜實驗

1666年，牛頓在一個小房間中把遮光的百葉窗關上，然後在窗葉上開了一個小孔（像墨子的小孔成像一樣），小孔透入一縷陽光。接著，他在光線下放置了一個玻璃稜鏡，他看見光線折射，分解成彩虹般的顏色：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫（圖1）。這就是光譜了。光譜中的顏色是連續漸變。

但當時數字7被認為具有神奇的效能，所以牛頓就用了七色。1704年，牛頓發表《光學》（Opticks）一書，其中詳細地描述了這個實驗。但在接下來的100年間，人們並不知道光譜有什麼用。

威廉·海德·沃拉斯頓

1802年，劍橋大學教授威廉·海德·沃拉斯頓（William Hyde Wollaston，1766-1828）發現光譜中的黑線。沃拉斯頓在家中的17個兄弟姐妹中排行第二，他的父親是一位牧師，也是一個業餘天文愛好者，還曾經編輯過一本星圖。父親培養了他的科學愛好。儘管在劍橋大學獲得了醫學博士學位，沃拉斯頓後來還是決定專攻科學。

沃拉斯頓是當時英國最有名的科學家之一，曾經擔任過英國皇家協會的秘書和代理主席。他有好幾個發現與發明。特別是他發現了元素鈀（Palladium）和銠（Rhodium）。沃拉斯頓精通提煉各種金屬材料，特別是俗稱白金的鉑（Platinum），也因此致富。

沃拉斯頓終身未婚，晚年留下遺囑，將自己的部分資產捐贈給皇家協會，成立了一個以他冠名的獎金。這個獎延續至今。

沃拉斯頓仔細觀察太陽光的光譜，發現光譜中有些暗線並記錄了比較明顯的七條（圖2）。

圖2，光譜中的暗線

弗勞恩霍夫

與沃拉斯頓同一時期的德國科學家弗勞恩霍夫也觀測到了光譜中的暗線。

圖3，弗勞恩霍夫和他製作的天文望遠鏡

約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫（Joseph von Fraunhofer，1787-1825）出生於一個貧窮的玻璃匠家庭。這個“馮”（von）在德語中用作貴族的頭銜，是他成名後才加上去的。弗勞恩霍夫11歲時父母雙亡，只好去一家玻璃店當學徒。本來他很可能就此湮沒。1801年，玻璃店失火。當地的大公（Prince-Elector Maximilian IV Joseph，1756-1825）率人去救火，把他從廢墟里救了出來，接著還出資送他去技校上學，徹底地改變了他人生。

他學習數學和光學，很快就嶄露頭角。畢業後他在慕尼黑一家制造科學儀器的公司工作。他不但制訂了一整套光學器件的生產工藝，而且開發出許多先進的光學裝置，使慕尼黑一舉成為歐洲科技重鎮。他為俄國科學院製造的天文望遠鏡是當時最好的望遠鏡，為後來發現海王星奠定了基礎（圖3）。

圖3，弗勞恩霍夫和他製作的天文望遠鏡在1812~1814年間，弗勞恩霍夫致力於研究色差。如圖1所示，稜鏡折射出不同的顏色。望遠鏡（特別是高倍數的望遠鏡）的鏡片也會產生折射，從而導致測量誤差。這一誤差稱之為色差。要消除色差必須精確地測定鏡片的折射率。弗勞恩霍夫在研究色差時注意到了太陽光的光譜中存在暗線，而且精確地測量出了324條（今天科學家們已經發現了3000多條暗線）。

他還注意到這些暗線可以用作波長的標準，並用拉丁字母標記了較為突出的光譜線（圖2）。因此光譜線就被稱為弗勞恩霍夫線。這些暗線是怎麼來的呢？弗勞恩霍夫注意到“D”線和火焰光譜中的一條暗線重合（後來證明是鈉元素的吸收光譜），但他沒有來得及進一步研究。

1817年，弗勞恩霍夫成功地設計了一個可以消除色差的鏡片。他的設計一直沿用至今。我們的照相機用的就是這個設計。

1821年，弗勞恩霍夫設計出了第一個衍射光柵（Diffraction grating）（圖4（a））。這個光柵可以分出260種顏色。接著他還設計了反射光柵（Reflection grating）（圖4（b））。

圖4，（上）衍射光柵（下）反射光柵

圖4，（上）衍射光柵：光線通個稜鏡折射形成不同顏色的光，再用帶有小孔的遮光板檢測出來；（下）反射光柵：光線在碶型的表面反射出不同顏色的光，再用帶有小孔的遮光板檢測出來。

1823年，弗勞恩霍夫被任命為慕尼黑物理博物館館長，並被授予教授稱號。1826年，弗勞恩霍夫不幸病逝，終年僅37歲。

為了紀念弗勞恩霍夫的不朽功勳，1949年德國成立了以他命名的弗勞恩霍夫研究院（Fraunhofer-Gesellschaft）。今天，弗勞恩霍夫研究院下屬75個研究單位，有29000員工，是世界上最富盛名的應用科學研究院之一（圖5）。

圖5，弗勞恩霍夫研究院在慕尼黑的總部

羅伯特·本生

光譜的發明還要歸功於德國科學家羅伯特·本生（Robert Bunsen，1811-1899）（圖6）。本生出身於一個知識分子家庭。他的父親是語言學教授兼圖書館館長，他的母親是一位將軍的女兒，對子女們要求很嚴格。本生17歲進入哥廷根大學讀書，19歲就獲得了博士學位。

本生早年研究化學。他的第一篇論文是關於砷化物的。砷化物俗稱砒霜，有劇毒。他發現砷化物加入氫氧化鐵後就會變成無害的物質。幾年後，他在做實驗時反應釜忽然爆炸，他當場右眼失明，並且由於吸入大量砷化物，危在旦夕。他馬上服用氫氧化鐵，救了自己一命。

1841年，本生髮明瞭鋅-碳電池。這種電池比當時常用的鋅-鉑電池便宜得多。人們把它叫做本生電池，一直用了近百年。

接著本生又研究氣體。他發現德國的鋼鐵廠用煤炭來鍊鋼，效率只有50%左右。他用實驗證明用焦炭來鍊鋼，效率可提高到80%。這項改革使得德國的鋼鐵工業逐漸領先。

圖6，羅伯特·本生

1857年，本生髮明瞭本生燈。我們在《「如虛如實說」| 能量與能量轉換之熱能（二）》一文中曾講到，不同的物質燃燒時會發出不同顏色的光。因此可以透過光的顏色來判斷燃燒的物質。問題是許多物質自身的燃點很高，必須用其他燃料的燃燒來加熱，然而這些燃料也會發光。本生精心設計了一個煤氣燈（圖7），在燃燒前，把煤氣與空氣按一定的比例混合，燃燒時產生一種高溫但乾淨、無煙、幾乎無色的火焰。至今本生燈還是化學實驗室不可或缺的裝置。我們家裡用的煤氣爐也是這樣根據這個原理設計的。本生沒有為這個發明申請專利，但他的名字卻永遠流傳。

圖7，本生燈在燃燒不同物質時會產生

本生用他的本生燈首先檢測出鈉化合物燃燒時發出橙黃色的火焰。也就是說鈉化合物的光譜是橙黃色的。

接著本生與他的好友古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1822－1887）一起製成了世界上第一個分光光譜儀（圖8）。這個光譜儀用本生燈（D）加熱待測量的物質，火焰經過望遠鏡（B）傳到黑箱（A）中。黑箱中放置著一個稜鏡（F），稜鏡的位置可以透過調節棒（H）調節。在黑箱的另一側是觀察望遠鏡（C）。

利用這個光譜儀，基爾霍夫和本生髮現了兩種新元素：銫（cesium）和銣（rubidium）。銫的發現還有個故事。本生髮現一種礦泉水與純水的光譜不同，有一條暗線，這意味著水裡存在另外一種元素。為了提取礦泉水中的微量元素，本生處理了40噸礦泉水，最後提取出50克銫。銫在28。5oC以上時是一種金色的液態金屬，是原子鐘的材料。根據這個思路，科學家們用光譜儀陸續發現了多種元素。

基爾霍夫還做出了突破性的發現：太陽光譜中的暗線是由於太陽大氣中較冷的氣體吸收了特定波長的光而引起的。這些暗線現在被稱為吸收光譜。

本生為人熱情，不拘小節。他終生未婚。但有好幾個出色的學生，是一位深受敬愛的教授。

基爾霍夫比本生小11歲。他早年研究電路理論，有兩個以他命名的定律。我們在中學課程裡都學過。他中年時就因病不良於行。40多歲時妻子又病逝了。他一人要照顧四個子女，十分吃力。後來就不能再做科研了。他也比本生早11年過世。

透過光譜和質譜都可以測量出物質的成分（參見《廣東科學中心「院士說」 | 物質的成分、質譜和色譜》），但光譜更加簡單，更加易於使用。

圖8，本生（右）、基爾霍夫（左）和他們的光譜儀

到了1980年代，隨著半導體技術的發展，光譜分析也前進了一大步。先是半導體晶片可以準確地測量出吸收光譜，不再需要人工除錯。接著本生燈也被鐳射所替代。這就是鐳射誘導擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy， LIBS）技術。

如圖9所示，脈衝鐳射聚焦後轟擊樣品（sample）的表面形成等離子體（Plasma），等離子體發出的光透過一組鏡片傳到稜鏡，稜鏡的分光由半導體晶片讀出。這一技術可以分析出樣品的物質成分及含量。由於脈衝鐳射聚焦後能產生很高的能量密度，可以將任何物態（固態、液態、氣態）的樣品激發形成等離子體。因此LIBS技術可以分析任何物態、任何元素所構成的樣品。LIBS現已在各行各業廣泛應用。

圖9，鐳射誘導擊穿光譜（LIBS）原理圖

2012年，“好奇號”（Curiosity）火星車登陸火星探索，採集了近20萬個岩石和土壤的LIBS光譜（圖10）。根據分析結果我們可以肯定火星的地表與地球地表相似，火星是地球的姐妹星。

圖10，火星地表的LIBS光譜分析

2021年5月，我國的“天問一號”火星車成功登陸火星（圖11），上面也有LIBS。

圖11，我國的天問一號火星車登陸火星

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