透过棱镜的奇妙世界：分光镜背后的科学探险

1814 年的一个午后，德国物理学家约瑟夫・冯・夫琅禾费正对着实验室里的阳光发呆。他手中握着一块棱角分明的玻璃棱镜，这是当时光学实验中最常见的工具，却没人想到它即将揭开宇宙的神秘面纱。夫琅禾费此前一直在研究镜片制造，一次偶然的机会，他发现阳光透过棱镜后会变成彩色光带，而光带上还分布着许多细小的暗线。这些暗线像神秘的密码，吸引着他停下手中的工作，开始专注探索其中的奥秘。

他找来不同材质的棱镜，反复调整阳光入射的角度，甚至尝试用蜡烛、油灯等不同光源进行实验。每一次实验，那些暗线的位置和数量都保持着惊人的稳定，这让他意识到，这些并非偶然出现的痕迹，而是光线本身携带的 “身份标识”。为了更清晰地观察这些暗线，夫琅禾费动手制作了一个简易装置：他在暗箱的一端开了一条细缝，让光线精准射入，中间放置棱镜折射光线，另一端则用放大镜观察。这个由细缝、棱镜和放大镜组成的装置，便是人类历史上最早的分光镜雏形。

随着实验的深入，夫琅禾费将观察到的暗线一一标记，最终记录下 574 条暗线的位置。这些后来被称为 “夫琅禾费线” 的暗线，当时并没有人能解释其成因，却为半个世纪后分光镜的突破性发展埋下了伏笔。

时间来到 1859 年，德国化学家罗伯特・本生和物理学家古斯塔夫・基尔霍夫在实验室里进行着一场特殊的合作。本生发明了一种能产生高温且火焰颜色纯净的煤气灯 —— 本生灯，他发现不同金属盐类在本生灯火焰中会呈现出独特的颜色：钠盐会让火焰变成明亮的黄色，钾盐则使其呈现淡紫色，钙盐又会带来砖红色的火焰。这一发现让本生兴奋不已，他意识到或许可以通过火焰颜色来识别物质成分，但很快他就遇到了难题：当多种金属盐混合时，不同颜色的火焰会相互叠加，根本无法准确分辨其中的成分。

就在本生一筹莫展时，他想到了研究光学的好友基尔霍夫。基尔霍夫听说后，立刻提出了一个大胆的想法：“不如用棱镜将火焰的光分解开来，看看每种物质对应的光究竟是什么样子。” 两人随即开始动手搭建装置，他们将本生灯的火焰对准一条细缝，在细缝后放置棱镜，再用望远镜观察折射后的光线。当他们将钠盐放入火焰时，望远镜中出现了一条明亮的黄色谱线；放入钾盐时，两条紫色谱线清晰地出现在视野中；而当同时放入钠盐和钾盐时，黄色谱线和紫色谱线各自独立，互不干扰。这个结果让两人欣喜若狂，他们意识到，每种元素都拥有独一无二的 “光谱指纹”，而这个能分解光线、识别元素的装置，就是真正意义上的现代分光镜。

此后，本生和基尔霍夫用分光镜开启了元素发现的新篇章。1860 年，他们在分析萨克森地区的矿泉水样品时，观察到了两条从未见过的蓝色谱线，凭借这一发现，他们成功发现了新元素 “铯”（Cesium，源自拉丁语 “天空蓝”）；第二年，他们又在分析锂云母矿石时，通过两条红色谱线发现了元素 “铷”（Rubidium，源自拉丁语 “深红色”）。分光镜的出现，让人类寻找新元素的方式发生了革命性变化，不再局限于传统的化学分析，而是能通过 “观察光线” 来捕捉元素的踪迹。

分光镜的魔力不仅局限于地球实验室，还逐渐延伸到了遥远的宇宙。1868 年，法国天文学家皮埃尔・让森前往印度观测日全食，他携带了一台便携式分光镜，希望能在日食期间研究太阳大气层的成分。当月球完全遮挡住太阳光球层时，太阳色球层呈现出美丽的玫瑰色，让森迅速将分光镜对准这层大气，在望远镜中，他看到了一条明亮的黄色谱线。起初，他以为这是钠元素的谱线，但经过仔细测量，发现这条谱线的位置与钠元素的谱线并不重合，且在当时已知的所有元素中，都找不到与之对应的谱线。

同年 10 月，英国天文学家约瑟夫・诺曼・洛克耶在伦敦也独立观测到了这条黄色谱线，他大胆推测，这是一种只存在于太阳上的未知元素，并将其命名为 “氦”（Helium，源自希腊语 “太阳”）。这一发现震惊了科学界，因为它首次证明了地球之外的天体上存在着地球上尚未发现的元素。直到 1895 年，英国化学家威廉・拉姆齐才在地球上的铀矿中找到了氦元素，证实了这种元素在宇宙中的广泛存在。分光镜就像一把钥匙，打开了人类探索宇宙化学成分的大门，让我们得以 “看见” 遥远天体的组成。

在后来的岁月里，分光镜不断升级改进。从最初的棱镜分光镜，到后来精度更高的光栅分光镜 —— 利用光的衍射现象，将光线分解成更精细的光谱；从只能在实验室使用的大型装置，到可以安装在天文望远镜上的高灵敏度分光仪，甚至能搭载在卫星上，对宇宙深处的天体进行光谱分析。它的应用也从元素发现、天体研究，扩展到了更多领域：在工业生产中，分光镜可以用于检测金属材料的纯度，通过分析光谱中特定谱线的强度，判断材料中杂质的含量；在环境监测中，它能检测大气中的污染物成分，比如通过分析汽车尾气的光谱，识别其中的一氧化碳、氮氧化物等有害物质；在医学领域，分光镜被用于生化检测，通过分析血液、尿液等样本的光谱，辅助诊断疾病。

每一次透过分光镜观察光谱，都像是在阅读一段独特的故事 —— 可能是遥远恒星的诞生与演化，可能是地球上某种新物质的发现，也可能是人体健康状况的细微变化。它让不可见的光线变得可识别，让未知的世界变得可探索，而那些由谱线组成的 “密码”，仍在等待着人类不断去解读，去发现更多关于宇宙、关于物质、关于生命的奥秘。

常见问答

1. 分光镜分解光线的原理是什么？

分光镜主要利用光的折射或衍射原理来分解光线。以棱镜分光镜为例，不同波长（颜色）的光在通过棱镜时，折射角度不同，波长较短的光（如蓝光）折射角度大，波长较长的光（如红光）折射角度小，从而将混合的白光分解成按波长顺序排列的彩色光谱。

2. 分光镜只能分析太阳光吗？

不是的。分光镜可以分析各种光源发出的光，包括实验室中的火焰光、电灯发出的光，以及宇宙中恒星、行星、星云等天体发出的光。只要光源能产生可检测的光信号，通过分光镜分解后，就能根据光谱中的谱线来分析光源的成分、温度、运动速度等信息。

3. 为什么每种元素都有独特的光谱？

这与原子的结构有关。原子中的电子处于不同的能量级，当原子吸收或发射能量时，电子会在不同能量级之间跃迁。跃迁过程中吸收或发射的光，其波长（频率）由两个能量级的能量差决定，而每种元素的原子结构不同，电子的能量级分布也不同，因此吸收或发射的光的波长也不同，形成了独特的光谱 “指纹”。

4. 分光镜在天文研究中有哪些具体作用？

在天文研究中，分光镜的作用十分广泛。它可以帮助天文学家确定恒星的化学成分，通过分析恒星光谱中的谱线，判断恒星中含有哪些元素及其含量；还能测量恒星的温度，不同温度的恒星，其光谱中谱线的强度和分布不同；此外，通过观察光谱线的多普勒位移（谱线向波长较长或较短的方向移动），可以计算出恒星、星系等天体相对于地球的运动速度，为研究宇宙膨胀、星系结构等提供重要数据。

5. 日常生产生活中，我们能接触到分光镜的应用吗？

能。比如在珠宝鉴定中，专业人员会使用分光镜观察宝石的吸收光谱，不同种类的宝石（如红宝石、蓝宝石）因所含杂质元素不同，吸收光谱也不同，从而帮助鉴别宝石的真伪和种类；在食品检测中，分光镜可用于分析食品中的营养成分（如糖分、维生素含量）或检测是否含有有害添加剂，通过光谱分析快速判断食品质量；另外，我们日常使用的一些水质检测仪器，也集成了分光镜的原理，用于检测水中的污染物含量。