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太阳的温度激发人类好奇心,怎么晓得它由什么元素形成?
发布日期:2022-11-14 13:08    点击次数:197

太阳的温度激发人类好奇心,怎么晓得它由什么元素形成?

科学外史II(8)

迩来上海和全球多地继续高温,太阳的威力磨练着世界上差别地区的人们。前天有人问我:网上说太阳概况约莫有6000摄氏度,还说太阳因为外部继续的核聚变而向外辐射巨大能量……但这通通是经由过程什么路线晓得的?人类明明不兴许用任何仪器靠近太阳去测量?来日诰日的太阳物理学工业然会说这是“小白成就”,但对更多人来说,这个寻常不被我们留心的成就,倒也有些看法意义,而且另有一点启发意思。

光谱的晚期故事

迄今为止人类确凿没法激情亲切太阳,且不说太阳概况约6000摄氏度的高温,何况去往太阳还要穿过温度高达百万度以上的日珥地区,也不克不迭用望远镜观察太阳(会刹那致盲)。人类现有的种种间接测量伎俩,对付太阳都没法实行。所以1835年孔德(A. F. X. Comte)著名言“恒星的化学形成是人类绝不克不迭失去的知识”,其实在他说这句话从前20年,也就是1814年,攻破这句名言的技能已经萌芽了。

今年2月,太阳轨道环游飘动器拍摄的创纪录日珥    图/NASA

让太阳光经由过程三棱镜展布成赤橙黄绿青蓝紫的光谱,是一个富有参观价钱和娱乐性的低难度物理试验,自从牛顿1672年在皇家学会报告了他数年前所做的这一试验当前,接续有人在做这类试验。1802年,英国人沃拉斯顿(W. H. Wollaston)做这一试验时,在太阳光谱中发明白一些暗线,在白色、绿色 、蓝色地区,他划散发明二、三、4条暗线,惘然身兼医生和物理学家的沃拉斯顿对这些暗线没有穷究,遂与千古流芳的机会失之交臂。固然沃拉斯顿也不算太冤,当年牛顿大约也无机会看到这些暗线,但牛顿也没留心它们。

下一个留心到这些暗线的人是德国科学家夫琅和费(J. von Fraunhofer),他在1814年制作了第一台分光镜,这使得他兴许比昔人更粗疏地窥察种种光谱。他在试验中先是发明,在油灯、蜡烛、酒精灯的火焰光谱中,都有一对黄色的亮线出当月朔样职位地方。随后他起头观察太阳光谱,却发明白不少暗线。在灯光光谱中出现豁亮黄线的职位地方,在太阳光谱中出现的却是一对暗线。1814~1817年间,夫琅和费以极大的耐心从太阳光谱中数出了576条暗线,详细纪录了这些暗线在光谱中的职位地方。他以至还在金星的光谱中发明白一样的暗线。诚然夫琅和费没法说明这些光谱线出现的启事,然则其后这些光谱线就被称为“夫琅和费线”——有心人就是无机会千古流芳。

要说明太阳光谱中这些“夫琅和费线”出现的启事,还需求等待40多年,在此时期孔德说出了上面那句名言,让不少人笃信不疑。

夫琅和费线的说明

1858~1859年间,德国化学家本生(R. Bunsen)正处于愉快形态,他发明的一种在化学试验室中用于加热的拆卸被称为“本生灯”,实在就是一种煤气灯,但火焰温度可高达2000多摄氏度。本生忙着用本生灯来烧种种物质,比喻钠、钾、锂、锶、钡……他发明差别的物质在燃烧时会呈现差别的颜色。本生由此想象可以或许痛处火焰的差别颜色来鉴别差别物质,但当他将多种元素混淆燃烧时,火焰却只呈现出占比最大的那种元素的颜色。

6月22日,应用氢α滤镜纪录的太阳西侧临边的条珥    图/NASA

本生有个哥们基尔霍夫(G. Kirchhoff)是物理学家,两人常常一起徐行聊天磋商科学成就。基尔霍夫的试验室里有分光镜,是以本生灯+分光镜,两人起头一起研究种种燃烧物质的光谱,他们发明每种元素在特定的奔忙好处都市孕育发生特定的亮线,譬如当年夫琅和费留心到的那对黄色亮线是钠元素收回的。

有一天晚上这两人还在海德堡的试验室中鼓捣光谱,远处忽起大火,两人以科学家独占的吃饱了撑着的精神,将分光镜用来阐发远处大火的光谱,在个中识别出了锶和钡的谱线。这件即兴的无聊之举给他们的启发是:既然光谱阐发兴许晓得远处火光中的物质身分,那我们是否是也能晓得太阳上的物质身分?这个听起来有点像痴人说梦的主见主张,让两人感到极其慰藉,次日就去试验室阐发太阳光谱。

他们固然无意中又重复了夫琅和费40多年前做过的事变,再次在太阳光谱中看到了那些夫琅和费线。但这次环境有所差别:前一阶段在本生灯上烧种种物质再阐发这些物质光谱的试验没有白做——他们发明那些物质在特定奔忙好处出现的亮线,在太阳光谱中都能在响应职位地方上看到暗线。物质燃烧光谱中的亮线,许可证办理对应太阳光谱中沟通职位地方的暗线,这怎么说明呢?基尔霍夫让太阳光穿过他燃烧钠盐形成的钠蒸汽,后果太阳光谱中那两条对应着钠元素的暗线变得更暗了。

是以基尔霍夫提出假说,这也被称为“基尔霍夫定律”,用一般言语抒发就是:1.每一种化学元素都能在本人的燃烧光谱中发射出亮线;2.每一种元素在温度较低的形态下都能汲取它所能发射的谱线而形成暗线。这个定律可以或许说明太阳光谱中那些夫琅和费线:因为太阳外部的温度更高,酷热的光线需求穿过相对较冷的外层本事抵达地球,夫琅和费暗线就是因较冷外层中一样元素的汲取而形成的。

应用技能和根基科学:究竟谁推动谁?

基尔霍夫的上述定律,开启了证认太阳上化学元素的方便之门——经由过程和地球上已知元素的光谱比对,就能晓得太阳上有什么元素。种种更高效、更方便的光谱比对编制也秩序序出现。往常地理学家已经在太阳光谱中发明白约莫2.6万条谱线,地球上已知的百余种化学元素,在太阳上起码已经证认出68种。往常已知太阳约71%是氢,27%是氦,其余元素不论有几多种,总共只占约2%。

在证认太阳元素的热潮中,有个英国人也千古流芳。地理学家洛克耶(N. Lockyer,偶尔译成洛基尔)以研究太阳著称,还发清楚明了新式的分光镜,他在1868年宣称,太阳光谱中有一条黄色亮线,没法与地球到任何已知元素对应,该当是一种太阳上的元素收回的,洛克耶将这类元素命名为“氦”(源自希腊语“太阳”),后果27年后真的在地球上发明白氦元素。洛克耶还来得及享受“第一个发明宇宙元素”的荣誉——他从1869年被任命为《自然》(Nature)杂志的首任主编,一贯任职50年,直到1920年归天。

太阳实在就是一颗一般恒星,所以对太阳光谱的阐发编制,连忙被大局限应用到其它恒星上,大量恒星光谱的采集和分类,再借助实践物理的推算,人类对恒星的身分、温度都有了独霸。往常主流的恒星模型实践觉得,像太阳这样的恒星,本人品格孕育发生巨大引力要让它向内坍缩,而外部核聚变孕育发生巨大压力要让它向外扩展,两者处于静态平衡而对立颠簸。

长岁月以来,地理学一贯被视为根基科学的冠冕,而根基科学被视为技能提高的起源。但追念一下地理学的倒退史就会发明:今世地理学每一个历史性的关键冲破,都是应用技能供应的:望远镜最初实在不是为观天而制作的,只是伽利略初度将它指向天空,开启眺望远镜时代。夫琅和费、基尔霍夫玩弄光谱都不是为了研究地理学,只是意外发明白新用途,开启了天体的光谱阐发时代。二战时的军用雷达固然不是研究地理学用的,只是战先人们发明它还可以或许领受天体在可见光奔忙段之外的电磁辐射,开启了射电望远镜时代。这三个例子都是应用技能推动了根基科学,而不是相反。

(作者系上海交通大学讲席教学,科学史与科学文化研究院首任院长)

文章作者

江晓原

关键字

太阳宇宙地理学光谱科学

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