用光发现新元素

在有关原子?分子概念的争论中，一直注意着理论的发展却从不介入争论的本生，在以化学分析为中心的多个领域内深入研究、富有创新，极大地推动了近代化学的发展。他和基尔霍夫共同发现的光谱分析法，为元素的定性鉴定和新元素的发现开辟了一条新路。 1811年3月31日，罗伯特?威廉?本生出生于德国的哥廷根。他的父亲是哥廷根大学图书馆主任兼近代语言学教授，他的母亲庄重而机敏，罗伯特是他们四个儿子中最小的一个。 罗伯特于1828年进入哥廷根大学，主要学习自然科学如化学、物理学、矿物学、地质学、植物学、解剖学和数学。哥廷根大学当时的化学教授是于1817年发现镉的斯特罗迈耶。1830年本生写了一篇介绍湿度计发明以来约40种湿度计的综述而荣获科学奖金，并于1831年秋获得博士学位。此后他在汉诺威市政府的资助下，到各地进行学术旅行，广泛交游增长知识。德国的卡赛尔、吉森、柏林、波恩等地，都留下了他的足迹；有机化学家李比希、无机化学家米切尔利希、苯胺的发现者朗格、地质学家韦斯、矿物学家和分析化学家罗斯兄弟等，都成了他的良师益友。 经过3个星期的山地地质考察，1832年9月，本生到达巴黎。在巴黎期间他曾在盖?吕萨克的实验室工作，并在综合技术学校听讲，结识了不少法国著名学者，还参观了著名的陶瓷工厂。1833年5月到7月，他又到维也纳参观工矿企业。 1833年底，游学回来的本生担任了哥廷根大学的讲师。在此期间他完成了他的第一项研究成果。他在研究某些化合物的溶解度时发现，金属的砷酸盐不溶于水。他试验用新沉淀出的氢氧化铁与亚砷酸反应，结果得到了既不溶于水又不溶于人体体液的砷酸亚铁。直到现在，人们仍然使用本生发明的这一方法，用氢氧化铁来解救砷中毒（即砒霜中毒）。1835年底，本生代授刚刚去世的斯特罗迈耶教授的课程。1836年1月维勒教授应聘接替斯特罗迈耶的职务后，本生转勤卡赛尔技术工业学校接替维勒教授的职务。几经转折，本生于1852年到海得尔堡大学接替退休的格梅林教授的职务。在这里他辛勤工作达37年之久，直到78岁高龄才退休。 1855年，巴登政府为本生在海德尔堡大学建造的化学实验室落成，在那里本生除了自己进行科学实验以外，还指导了一大批青年学生，他们在本生的严格训练下，在19世纪后期都成了有名的科学家。 新落成的实验室里铺设了煤气管道，学生们都用煤气灯作加热器具。煤气灯的火焰很明亮，不断地冒着黑烟。由于煤气燃烧不充分，火焰的温度不高。本生改造了煤气灯，就是在喷嘴下面开一个小孔，让煤气在燃烧之前就与空气混合，这样得到的火焰不发亮光，火焰几近无色，很稳定，温度也很高。后人将这种灯叫做本生灯。在本生灯无色火焰的灼烧下，金属及其盐类能产生各种特征颜色，即发生焰色反应。本生经常用这种分析方法来鉴别各种金属。 本生在教学和科研中都特别强调实验的重要性，他非常喜欢自己设计仪器，常常熟练地吹制自己需要的玻璃仪器。经年累月的实验使他的手指结了厚厚的一层茧，这样，他的手指不仅不怕酸、碱的腐蚀，甚至不怕150℃的酒精灯内焰的灼烧。 本生对科学具有广泛的兴趣，早期研究有机化学，后来又涉猎无机化学，他用化学方法研究地质现象，对现代岩石学有不小的启发。而他最大量的研究工作和最重要的贡献是发明了许多鉴定、分离无机物的分析方法。其中的光谱分析法使他和物理学家基尔霍夫（1824??1887）名扬四海。 古斯塔夫?罗伯特?基尔霍夫是本生在布雷斯劳大学结识的好朋友。本生到海德尔堡大学任教后，十分想念基尔霍夫，就劝基尔霍夫也来海德尔堡大学任教。果如他们所愿，后来他们经常在海德尔堡大学校园内共同散步。本生高大健硕，个头在一米八以上；而基尔霍夫瘦小精干，轻松快活，口中喋喋不休地说着各种有趣的事情和他的实验；本生则默默地听着，偶尔插上一两句。本生注重实验，而基尔霍夫更具有物理学家的思辩和推理能力，他在光谱学上造诣很深。 谈到光谱分析法，得从大约在他们200年前研究光谱的牛顿说起。 牛顿与弗朗和斐 1663年，剑桥大学的学生、21岁的牛顿开始研究颜色的问题，这是他全部科学创造生涯的开始。1666年他进而开始研究光谱。1672年2月牛顿在伦敦皇家学会的《哲学会刊》上发表了它的第一篇论文《光和色的新理论》，提到：“1666年初，我正磨制一些非球形的光学玻璃镜，其中有一块三角形玻璃棱镜，用来试一下大家熟悉的颜色现象。我遮暗了房间，把窗帘拉开一个小缝，让适当的阳光透进来。在窗的入口处放了这块棱镜，使光折射到对面的墙上。于是看到这束光变成了光艳夺目的绚丽彩带，引起了我极大的兴趣。”牛顿把这种色带命名为光谱。牛顿和他的老师巴罗将单色光再经过三棱镜折射后发现，单色光的颜色并不改变。后来牛顿又将各色光经过棱镜折射混合在一起，结果得到了白光！1671年，他做出判断：白色的太阳光“是一种由折射率不同的光线组合成的复杂的混合光。”1675年，他进一步指明了光的不同折射率与颜色的关系，正确地解释了日光通过三棱镜后所以会展现成光谱的原因，并且指出：“颜色是一种原始的、天生的性能，并不是光线经过折射或反射而导出的，折射和反射也不能改变它的颜色。”牛顿对太阳光谱的研究成果是一项划时代的科学成就，揭开了一个崭新的科学天地。从此以后，观察和研究光谱的人越来越多，观测技术也日益高明，光谱学作为一门新的学科诞生了。 1802年，法拉第的好友，英国化学家武拉斯顿仔细观察了太阳光谱，发现光谱中各颜色间并不是完全连续的，其中夹杂着不少暗线。遗憾的是他并没有深入地去探讨这个重要的发现，却误把这些暗线的出现归咎于棱镜的缺陷。1814年，德国物理学家弗朗和斐（1787?1826）则紧紧抓住了这一现象。他曾把油灯、酒精灯、烛光作光源，观察这些火焰的光谱，发现所有这些光谱都是线状的，不连续的，再某一确定的位置上都出现两条明亮的黄线。于是他又进一步研究太阳光，本想在其光谱中找到那两条黄色的亮线，但没有找到，只发现在太阳光谱中有许多暗线，仔细数了数，竟有576条。他用字母A、B、C、D、E、F、G把其中最主要的线标上了代号。后人把这些暗线叫做弗朗和斐线。 弗朗和斐后来又兴致勃勃地观察了行星的光谱，发现其中也有一些暗线，并和太阳光谱中的暗线位置相同。他也观察了电弧火焰的光谱，发现它的光谱与太阳光谱截然不同，是由一系列明亮的谱线组成的。当他把太阳光谱与火焰光谱进行对比时，发现火焰光谱中的两条明亮黄线恰恰落在太阳光谱中被他标上了D的两条暗线的位置上（即我们现在所称的钠-D双线）。那末，太阳光谱中的暗线是怎样形成的？几乎各种火焰中都存在的明亮黄线恰恰落在D暗线的位置上又意味着什么哪？弗朗和斐百思不得其解。缤纷的光谱??光谱分析法 本生在散步时向基尔霍夫谈到他用火焰颜色来鉴别各种金属，但有些金属灼烧时火焰的颜色很相近，他就透过有色玻璃片来进一步鉴别。基尔霍夫听了马上说：“如果我是你，我就用棱镜来观察这些火焰的光谱。” 第二天，基尔霍夫就带了棱镜和其他一些光学仪器来到本生的实验室。他们制作了分光镜，通过分光镜，金属灼烧时发出的各种光变成了明亮的谱线，每种金属对应一种它自己特有的谱线。灼烧时都是红色火焰的锂和锶，在分光镜中就呈现出不同的谱线??锂是兰线、红线、橙线和黄线，而锶是一条明亮的红线和一条较暗的橙线，它们毫不含糊地区分开了！ 这是1859年初秋的一天，一位化学家和一位物理学家亲密合作，共同发明了光谱分析法。 当他们将少量氯化钠放在本生灯的火焰上时，分光镜中出现了两条黄色的谱线。基尔霍夫想起了弗朗和斐线，他仔细观察，发现两条黄线的位置恰好落在太阳光谱中的钠-D双暗线上。同一位置，一明一暗，是不是太阳上缺少钠呢？他们又让太阳光进入分光镜，看到了钠-D双暗线，然后在分光镜前灼烧氯化钠，希望钠明亮的黄线能“抹平”太阳光谱中的D暗线。意外的是，D暗线更黑了！如果把太阳光遮挡住，则钠明亮的黄线又出现了，而且准确地落在钠-D双线的位置上。 对这一实验事实的解释，基尔霍夫认为，只能承认炽热的钠蒸气即能发射钠-D双线，又能吸收钠-D双线。于是，他们用氢氧焰煅烧生石灰，使它发出的连续光谱进入分光镜，在分光镜前放上本生灯灼烧氯化钠，果然看到了在石灰的连续光谱中出现了两条暗线，其位置恰好落在钠-D双线的位置上。这时，如果将其他的盐类放入本生灯的火焰内，也会出现一些暗线，这些暗线的位置恰好与所灼烧金属盐的特征光谱相重合。 他们明白了：太阳中不是没有钠，而是有钠。弗朗和斐暗线和本生灯灼烧金属盐时发出的亮线一样，也能反映出太阳上存在的元素。 1859年10月20日，基尔霍夫向柏林科学院提交报告说：经过光谱分析，证明太阳上有氢、钠、铁、钙、镍等元素。 他的见解和新发现立即轰动了全欧洲的科学界，在地球上居然检测出了一亿五千万公里之遥的太阳上的化学元素组成！光谱分析法很快成了化学界、物理学界和天文学界开展科学研究的重要手段。 从那时起便知道，炽热的原子蒸气能发射或吸收线光谱，而固体和液体发出的是连续光谱，例如灯泡里白炽的灯丝和石灰煅烧时，发出的都是连续光谱。 天蓝色和深红色??新元素铯和铷 本生和基尔霍夫认为，光谱分析法能够测定天体和地球上物质的化学组成，还能够用来发现地壳中含量非常少的新元素。他们首先分析了当时已知元素的光谱，给各种元素做了光谱档案。这就象人的指纹，各不相同。 考虑到碱金属的谱线格外明亮、灵敏，他们决定从寻找新的碱金属元素开始。1860年他们开始检验各处的海水和矿泉水。当他们取来瑞典丢克海姆一地的矿泉水，将它浓缩，再除去其中的钙、锶、镁、锂的盐，制成母液进行光谱分析时，奇迹出现了??他们将一滴母液滴在本生灯的火焰上时，分光镜中除了有钠、钾、锂的谱线以外，还能看到两条明显的蓝线！ 5月10日他们向柏林科学院提交报告说：“截至目前为止，已知的元素都不会在这个光谱区显现出两条蓝线。因此可以做出结论，其中必然有一种新元素存在。大概属于碱金属。我们将它命名为Cesium（中译名为铯，含义为天蓝色）。” 除了报告，本生和基尔霍夫还没有得到一点纯净的铯或者是铯的化合物。但科学家们还是很快就承认了这个新元素的发现。这在元素发现史上还是从未有过的先例。后来本生处理了几吨矿泉水，付出了巨大的劳动，终于在1860年11 月制得了铂氯酸铯。 他们还知道在一种鳞状云母矿中含有丰富的锂。他们将萨克森产的这种矿石制成溶液，加入少量氯化铂，产生了大量沉淀。用分光镜鉴定这种沉淀时，只看到钾的光谱线。他们又用沸水洗涤这种沉淀，每洗涤一次，都要用分光镜检验一遍。他们发现，随着洗涤次数的增加，从分光镜中观察到的钾的光谱线逐渐变弱，最后终于消失；同时又出现了另外两条深紫色的光谱线，它们的颜色逐渐加深，最后变得格外鲜明，激动人心地出现了几条深红色、黄色、绿色的谱线，他们不属于任何已知的元素！本生和基尔霍夫确信这又是一种新发现的碱金属元素，1861年2月23日他们向柏林科学院报告：“我们又找到了一个碱金属，由于它的深红谱线，我们建议给它取名Rubidium（中译名铷，深红色的意思）。” 1862年本生加热碳酸铷和焦炭的混合物，用热还原法制得了金属铷。 光谱分析法更加风行起来。1861年克鲁克斯（1832?1919）发现了铊（Thallium,原意是绿色的树枝），克鲁克斯本人后来成了光谱分析专家；1863年里希特发现了铟（Indium，靛蓝的意思）；1875年布瓦博得朗发现了镓；1879年尼尔森发现了钪；1886年文克勒发现了锗，他们用的都是光谱分析法。 新的黄线??发现“太阳元素” 在弗朗和斐的实验中，几乎各种火焰的光谱中都有两条明亮的黄线，恰好落在太阳光谱钠-D双线的位置上，这使弗朗和斐百思不得其解。基尔霍夫和本生正确地揭示了个中缘由??海风吹来的氯化钠象灰尘一样落满了当时较为简陋的实验室的各个角落，而钠的黄线十分明显，只要有三百万分之一毫克的钠，就足以显出那两条黄色的谱线。 1868年10月26日，巴黎科学院收到了两封信，一封是法国米顿天体物理观象台台长、天文学家让桑（1824?1907）寄来的，报告他8月18日在印度观测日全食时，当把分光镜的物镜对准日珥部分时，看到了几条亮线，其中有一条格外明亮的黄线，但不是钠-D双线。另一封来自英国皇家科学院太阳物理天文台台长洛基尔（1836?1920），信中所述内容与让桑的报告几乎完全相同。 法国科学界争相传告这一发现。经过查对，这条黄线只能属于某种未知的新元素。有史以来第一次在地球上发现了太阳上的新元素。于是法国科学院将它命名为Helium（氦），意思是“太阳元素”，其字根Helios，指希腊宗教中的太阳神。1878年，为了纪念氦的发现十周年，巴黎科学院铸造了金质纪念牌，一面是太阳神驾着四套马车的浮雕，另一面是让桑和洛基尔的雕像。 1895年之前，即“太阳元素”发现后的27年中，科学家们都认为氦只存在于太阳上，无法再进一步研究，大家只是猜想，它可能是一种很轻的气体。 光谱分析法只是本生众多科学发现中较为辉煌的成就。他一生获得了很多科学奖励和荣誉，但他仍然非常谦逊。每当他在讲演中必须提到自己的发明时，他从不说“我已经发现了”；却总是说“别人曾经看见”。每当他在讲演中提到光谱分析时，他的学生们总是用长时间的掌声来表达他们对老师伟大功绩的尊敬和自豪。 本生终生未娶，他把毕生的精力都用在科学探索和培养学生上，直到78岁才辞去海德尔堡大学化学教授的职务。此后十年，他经常单独或邀请朋友一起旅游，晚年的生活是愉快的。1899年8月16日，这位拥有几十项发明创造的科学家与世长辞，享年88岁。 习 题 1. 1862年本生加热碳酸铷和焦炭的混合物，用热还原法制得了金属铷。写出该反应的化学方程式。 2. 一家公司怀疑某种新型钢材中添加了很少量的稀土元素。怎样能尽快地鉴别出这种稀土元素？ 参考答案 1. Rb2CO3 + 2C == 2Rb + 3CO 2. 取少量这种新型钢材加热至成为气态，观察其气态原子的线状光谱，与各种稀土元素的光谱比较，即可鉴别是否含有稀土元素。
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