不像太阳系中的行星和卫星，恒星（比如太阳）的高温使得航天器无法到达。在无法使用探测卫星、探测车和宇航员进行研究的情况下，我们是如何认识太阳的呢？答案就是依靠它发出的光线。我们知道，恒星的色彩与温度有关（Ribeiro，2015），那我们怎样知道恒星由什么物质组成的呢？答案同样是恒星的光，更准确地说，是恒星的光谱。

2015年6月，在伦敦举办的科学表演节（Science on Stage Festival）上，我们在一次讨论中诞生了研究恒星化学组成成分的活动设计想法。这个结合动手做和教学的活动设计可以让15～18岁的学生探索不同的光谱，让他们明白如何用光谱鉴定灯光中的化学元素，更重要的是，它可以让我们更加深刻地认识离我们最近的恒星——太阳。

光谱

1666年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）做了一个著名的实验。他用棱镜将光分为多种颜色，而这些颜色混合在一起就可以产生白光。这个实验揭示了光并非像前人所想的一样起源于水晶，而是源于太阳光中的不同成分（或者说波长）。他创造了一个词“光谱”，用来描述彩虹中的色彩。由此，他开创了光谱学的研究。

图片提供：Wing-Chi Poon；来源：维基共享

对于牛顿来说，太阳的光谱是连续的，色彩之间并没有间隔。但到了1814年，约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）发现，当光线充分通过狭缝扩散时，光谱中就会出现一些暗线，现在我们把它称之为夫琅和费线（图1）。45年后，古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）和罗伯特·本生（Robert Bunsen）的研究得出，这些暗线对于确定太阳的成分组成至关重要。

图1：夫琅和费为连续光谱中每一条暗线分配字母，我们现在称之为夫琅和费线。可见光谱中波长以纳米（nm）表示

公有领域图片；图片来源：维基共享

1860年，基尔霍夫和本生研究了一种不同的光谱。他们不再观察在明亮背景中的暗线，而是加热本生灯中气体的元素，观察它在黑暗背景中发射出的亮线。图2是钠的发射谱线，它可以由灼烧氯化钠（NaCl）或通过低压钠灯（比如路灯）照射得到。

本生和基尔霍夫得到一个结论，通过发射谱线可以鉴定化学元素。用这个方法，他们在2年内发现了铯和铷这两种元素。

基尔霍夫继续这项研究，他发现发射谱线与几个夫琅和费线相重合。比如说，钠光谱中的亮黄色线刚好和太阳光谱中黄色区域的暗线位置相同，夫琅和费把它命名为“D”。

图2：低压钠灯的光谱

公有领域；图片来源：维基共享

这些早期的实验揭示了3种光谱的主要类型：连续光谱、吸收光谱和发射光谱。第1种显示全部波长；第2种只包含某些波长的光；第3种显示空隙或者明亮背景下的暗线。基尔霍夫总结了光谱形成的3条定律。

（1）灼热的固体、液体或气体在高压下会发出连续光谱。

（2）当连续光谱经过低温低密度的气体时，会出现吸收光谱。

（3）低压中的高温气体会产生发射光谱。

基尔霍夫光谱三定律图示：A：连续光谱；B：发射光谱；C：吸收光谱；D：高温气体；E：低温气体；F：热源

公有领域图片；图片来源：维基共享

基尔霍夫不仅发现了化学元素在发射和吸收光谱中具有相同位置谱线的特征，还发现了太阳中含有钠元素。所以，想知道太阳及其他恒星的元素组成，我们只需要比较已知元素光谱和恒星光谱的特征就可以得到。

材料

• 不同种类的光源（比如白炽灯、荧光灯、路灯和霓虹灯）

• 光谱仪（用麦片盒制作，见课程活动“盒子”部分），或者在网上购买并组装微型折叠光谱仪套件

• 不同元素的发射光谱：可以在书中或网上找到
  

做一个光谱仪

材料

• 麦片盒

• 厚纸板

• 光盘

• 剪刀

• 黑胶布

步骤

1. 在盒子的侧面窄边上，与底边平行切开1条狭缝。为了切出一条漂亮的缝隙，你可以用2小块厚纸板中间留出1条小缝隙，并用胶带固定。狭缝的理想宽度为0.2 mm。

2. 用剪刀把光盘剪成两半。在刚刚开好的狭缝对侧再切1条水平缝隙。延这条水平缝隙在与其相邻的2个面以与底面成60°的角度继续剪开，将半片光盘从缝隙中插入。

3. 在盒子顶部剪开1个可以观察到光盘的洞。

4. 用黑胶布把光盘的边缘粘起来，以遮蔽盒子中的杂光。

麦片盒光谱仪的构造

图片提供：Mark Tiele Westra 

安全注意事项

即使使用了光谱仪，你也不可以直视阳光。你可以把光谱仪对着天空，观察阳光散射的光谱。

比较光谱

让学生通过光谱仪观察来自不同光源的光线。他们会发现不同的光源有着不一样的光谱。

问题

1. 每个光源产生的光谱是什么类型？

2. 不同的光谱说明它属于哪种光源？

3. 哪种光源最常用？为什么？

说明

学生会从不同的光源中观测到不同的光谱：

• 白炽灯发出所有可见颜色的连续光谱。

• 气体放电灯包含有氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）或氙（Xe）等气体（图3）。每种气体都有它们独特的发射光谱。

• 路灯通常包含有钠，所以它呈现出钠的发射光谱。

• LED灯的发射光谱取决于LED灯的半导体材料。蓝色LED灯产生的连续光谱

• 太阳产生连续光谱。精度更高的光谱仪能够显示光在通过太阳大气时产生的暗色吸收谱线。

除了太阳和白炽灯，不同的光谱表明它们来自不同的光源和不同的形成机制。我们最常使用的光源就是白炽灯，因为它具有和太阳一样的连续光谱。

使用不同的气体放电灯进行实验，学生通过比较不同灯的光谱和打印出来的元素光谱图像，来判断这些灯中具有什么元素。这是光谱化学分析法的基础。

安全注意事项：

使用气体发生灯需要用到高压电，需要由教师进行掌控。

图3：氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）的气体放电管

图片提供：Heinrich Pniok；来源：维基共享

使用折叠迷你光谱仪获得氦的发射光谱

图片提供：Ole Ahlgren

问题：

1. 是否所有的谱线都具有相同的亮度？

2. 谱线和灯的颜色有什么样的关系？

3. 如何利用光谱法来鉴定不同的化学元素？

说明：

某些波长的光强会比其它波长要高，这导致一些发射谱线看上去比其它波长的光更明亮一些。这个现象也反映在灯的颜色中，例如，钠灯主要呈现出淡黄色，是因为它主要发射黄色光，尽管它也发射红光和绿光，但没有黄光强烈。每一种元素都有其特殊的波长，你可以利用光谱仪来鉴别化学元素。

为了获得更加精确的结果，后续的拓展活动可以用光谱仪检测太阳光的吸收谱线，并用专业的数据记录软件进行记录。图4和图5是用海洋光学公司的红潮（Red Tide）光谱仪和记录软件LoggerPro所得出的图。

不同于简易光谱仪，专业的光谱仪能够获取更多的信息，包括每个光谱线的波长和相对光强。太阳光谱显示某些波长的光并非完全消失，而是它们的强度却远小于其它波长的光。

图4：钠光谱中不同波长（nm）及对应的相对强度

图片提供：Ole Ahlgren

图5：太阳光谱中不同波长（nm）及其对应的相对强度

图片由Ole Ahlgren提供

海洋光学红潮（Red Tide）光谱仪及LoggerPro程序

图片由Ole Ahlgren提供

材料

• 精度比之前更高的光谱仪

• 数据记录软件

步骤

学生们通过更高精度的光谱仪记录太阳的光谱，并在数据记录程序中选择吸收谱线的波长。吸收谱线的选择必须是最显著的，要确定某种元素存在，有两个选择：

1. 在哥伦布光学公司的SETI观测站页面下载波长列表，学生对照波长列表，进行每个波长的比较。

2. 学生记录几个元素的发射光谱，并与太阳的波长进行比较。元素的光谱可由气体发生灯发出，也可以灼烧金属而获得，但灼烧金属容易混入其它元素造成干扰。如图6所示，燃烧镁时，由于氮的存在，最显著的线显示的却是氮的特征。