用光發(fā)現(xiàn)新元素吉林市教育信息網(wǎng)

1、科目 化學年級 文件 str560.doc標題 用光發(fā)現(xiàn)新元素關(guān)鍵詞 光譜/化學史內(nèi)容用光發(fā)現(xiàn)新元素本生和基爾霍夫在有關(guān)原子分子概念的爭論中，一直注意著理論的發(fā)展卻從不介入爭論的本生，在以化學分析為中心的多個領(lǐng)域內(nèi)深入研究、富有創(chuàng)新，極大地推動了近代化學的發(fā)展。他和基爾霍夫共同發(fā)現(xiàn)的光譜分析法，為元素的定性鑒定和新元素的發(fā)現(xiàn)開辟了一條新路。1811年3月31日，羅伯特·威廉·本生出生于德國的哥廷根。他的父親是哥廷根大學圖書館主任兼近代語言學教授，他的母親莊重而機敏，羅伯特是他們四個兒子中最小的一個。羅伯特于1828年進入哥廷根大學，主要學習自然科學如化學、物理學、礦物學、地

2、質(zhì)學、植物學、解剖學和數(shù)學。哥廷根大學當時的化學教授是于1817年發(fā)現(xiàn)鎘的斯特羅邁耶。1830年本生寫了一篇介紹濕度計發(fā)明以來約40種濕度計的綜述而榮獲科學獎金，并于1831年秋獲得博士學位。此后他在漢諾威市政府的資助下，到各地進行學術(shù)旅行，廣泛交游增長知識。德國的卡賽爾、吉森、柏林、波恩等地，都留下了他的足跡；有機化學家李比希、無機化學家米切爾利希、苯胺的發(fā)現(xiàn)者朗格、地質(zhì)學家韋斯、礦物學家和分析化學家羅斯兄弟等，都成了他的良師益友。經(jīng)過3個星期的山地地質(zhì)考察，1832年9月，本生到達巴黎。在巴黎期間他曾在蓋?呂薩克的實驗室工作，并在綜合技術(shù)學校聽講，結(jié)識了不少法國著名學者，還參觀了著名的陶瓷

3、工廠。1833年5月到7月，他又到維也納參觀工礦企業(yè)。1833年底，游學回來的本生擔任了哥廷根大學的講師。在此期間他完成了他的第一項研究成果。他在研究某些化合物的溶解度時發(fā)現(xiàn)，金屬的砷酸鹽不溶于水。他試驗用新沉淀出的氫氧化鐵與亞砷酸反應(yīng)，結(jié)果得到了既不溶于水又不溶于人體體液的砷酸亞鐵。直到現(xiàn)在，人們?nèi)匀皇褂帽旧l(fā)明的這一方法，用氫氧化鐵來解救砷中毒（即砒霜中毒）。1835年底，本生代授剛剛?cè)ナ赖乃固亓_邁耶教授的課程。1836年1月維勒教授應(yīng)聘接替斯特羅邁耶的職務(wù)后，本生轉(zhuǎn)勤卡賽爾技術(shù)工業(yè)學校接替維勒教授的職務(wù)。幾經(jīng)轉(zhuǎn)折，本生于1852年到海得爾堡大學接替退休的格梅林教授的職務(wù)。在這里他辛勤工作

4、達37年之久，直到78歲高齡才退休。1855年，巴登政府為本生在海德爾堡大學建造的化學實驗室落成，在那里本生除了自己進行科學實驗以外，還指導了一大批青年學生，他們在本生的嚴格訓練下，在19世紀后期都成了有名的科學家。新落成的實驗室里鋪設(shè)了煤氣管道，學生們都用煤氣燈作加熱器具。煤氣燈的火焰很明亮，不斷地冒著黑煙。由于煤氣燃燒不充分，火焰的溫度不高。本生改造了煤氣燈，就是在噴嘴下面開一個小孔，讓煤氣在燃燒之前就與空氣混合，這樣得到的火焰不發(fā)亮光，火焰幾近無色，很穩(wěn)定，溫度也很高。后人將這種燈叫做本生燈。在本生燈無色火焰的灼燒下，金屬及其鹽類能產(chǎn)生各種特征顏色，即發(fā)生焰色反應(yīng)。本生經(jīng)常用這種分析方法

5、來鑒別各種金屬。本生在教學和科研中都特別強調(diào)實驗的重要性，他非常喜歡自己設(shè)計儀器，常常熟練地吹制自己需要的玻璃儀器。經(jīng)年累月的實驗使他的手指結(jié)了厚厚的一層繭，這樣，他的手指不僅不怕酸、堿的腐蝕，甚至不怕150的酒精燈內(nèi)焰的灼燒。本生對科學具有廣泛的興趣，早期研究有機化學，后來又涉獵無機化學，他用化學方法研究地質(zhì)現(xiàn)象，對現(xiàn)代巖石學有不小的啟發(fā)。而他最大量的研究工作和最重要的貢獻是發(fā)明了許多鑒定、分離無機物的分析方法。其中的光譜分析法使他和物理學家基爾霍夫（18241887）名揚四海。古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫是本生在布雷斯勞大學結(jié)識的好朋友。本生到海德爾堡大學任教后，十分想念

6、基爾霍夫，就勸基爾霍夫也來海德爾堡大學任教。果如他們所愿，后來他們經(jīng)常在海德爾堡大學校園內(nèi)共同散步。本生高大健碩，個頭在一米八以上；而基爾霍夫瘦小精干，輕松快活，口中喋喋不休地說著各種有趣的事情和他的實驗；本生則默默地聽著，偶爾插上一兩句。本生注重實驗，而基爾霍夫更具有物理學家的思辯和推理能力，他在光譜學上造詣很深。談到光譜分析法，得從大約在他們200年前研究光譜的牛頓說起。牛頓與弗朗和斐1663年，劍橋大學的學生、21歲的牛頓開始研究顏色的問題，這是他全部科學創(chuàng)造生涯的開始。1666年他進而開始研究光譜。1672年2月牛頓在倫敦皇家學會的哲學會刊上發(fā)表了它的第一篇論文光和色的新理論，提到：“

7、1666年初，我正磨制一些非球形的光學玻璃鏡，其中有一塊三角形玻璃棱鏡，用來試一下大家熟悉的顏色現(xiàn)象。我遮暗了房間，把窗簾拉開一個小縫，讓適當?shù)年柟馔高M來。在窗的入口處放了這塊棱鏡，使光折射到對面的墻上。于是看到這束光變成了光艷奪目的絢麗彩帶，引起了我極大的興趣?！迸ｎD把這種色帶命名為光譜。牛頓和他的老師巴羅將單色光再經(jīng)過三棱鏡折射后發(fā)現(xiàn)，單色光的顏色并不改變。后來牛頓又將各色光經(jīng)過棱鏡折射混合在一起，結(jié)果得到了白光！1671年，他做出判斷：白色的太陽光“是一種由折射率不同的光線組合成的復雜的混合光?！?675年，他進一步指明了光的不同折射率與顏色的關(guān)系，正確地解釋了日光通過三棱鏡后所以會展現(xiàn)

8、成光譜的原因，并且指出：“顏色是一種原始的、天生的性能，并不是光線經(jīng)過折射或反射而導出的，折射和反射也不能改變它的顏色?！迸ｎD對太陽光譜的研究成果是一項劃時代的科學成就，揭開了一個嶄新的科學天地。從此以后，觀察和研究光譜的人越來越多，觀測技術(shù)也日益高明，光譜學作為一門新的學科誕生了。1802年，法拉第的好友，英國化學家武拉斯頓仔細觀察了太陽光譜，發(fā)現(xiàn)光譜中各顏色間并不是完全連續(xù)的，其中夾雜著不少暗線。遺憾的是他并沒有深入地去探討這個重要的發(fā)現(xiàn)，卻誤把這些暗線的出現(xiàn)歸咎于棱鏡的缺陷。1814年，德國物理學家弗朗和斐（17871826）則緊緊抓住了這一現(xiàn)象。他曾把油燈、酒精燈、燭光作光源，觀察這些

9、火焰的光譜，發(fā)現(xiàn)所有這些光譜都是線狀的，不連續(xù)的，再某一確定的位置上都出現(xiàn)兩條明亮的黃線。于是他又進一步研究太陽光，本想在其光譜中找到那兩條黃色的亮線，但沒有找到，只發(fā)現(xiàn)在太陽光譜中有許多暗線，仔細數(shù)了數(shù)，竟有576條。他用字母A、B、C、D、E、F、G把其中最主要的線標上了代號。后人把這些暗線叫做弗朗和斐線。弗朗和斐后來又興致勃勃地觀察了行星的光譜，發(fā)現(xiàn)其中也有一些暗線，并和太陽光譜中的暗線位置相同。他也觀察了電弧火焰的光譜，發(fā)現(xiàn)它的光譜與太陽光譜截然不同，是由一系列明亮的譜線組成的。當他把太陽光譜與火焰光譜進行對比時，發(fā)現(xiàn)火焰光譜中的兩條明亮黃線恰恰落在太陽光譜中被他標上了D的兩條暗線的位

10、置上（即我們現(xiàn)在所稱的鈉-D雙線）。那末，太陽光譜中的暗線是怎樣形成的？幾乎各種火焰中都存在的明亮黃線恰恰落在D暗線的位置上又意味著什么哪？弗朗和斐百思不得其解。繽紛的光譜光譜分析法本生在散步時向基爾霍夫談到他用火焰顏色來鑒別各種金屬，但有些金屬灼燒時火焰的顏色很相近，他就透過有色玻璃片來進一步鑒別。基爾霍夫聽了馬上說：“如果我是你，我就用棱鏡來觀察這些火焰的光譜?！钡诙?，基爾霍夫就帶了棱鏡和其他一些光學儀器來到本生的實驗室。他們制作了分光鏡，通過分光鏡，金屬灼燒時發(fā)出的各種光變成了明亮的譜線，每種金屬對應(yīng)一種它自己特有的譜線。灼燒時都是紅色火焰的鋰和鍶，在分光鏡中就呈現(xiàn)出不同的譜線鋰是蘭線

11、、紅線、橙線和黃線，而鍶是一條明亮的紅線和一條較暗的橙線，它們毫不含糊地區(qū)分開了！這是1859年初秋的一天，一位化學家和一位物理學家親密合作，共同發(fā)明了光譜分析法。當他們將少量氯化鈉放在本生燈的火焰上時，分光鏡中出現(xiàn)了兩條黃色的譜線?；鶢柣舴蛳肫鹆烁ダ屎挽尘€，他仔細觀察，發(fā)現(xiàn)兩條黃線的位置恰好落在太陽光譜中的鈉-D雙暗線上。同一位置，一明一暗，是不是太陽上缺少鈉呢？他們又讓太陽光進入分光鏡，看到了鈉-D雙暗線，然后在分光鏡前灼燒氯化鈉，希望鈉明亮的黃線能“抹平”太陽光譜中的D暗線。意外的是，D暗線更黑了！如果把太陽光遮擋住，則鈉明亮的黃線又出現(xiàn)了，而且準確地落在鈉-D雙線的位置上。對這一實驗事

12、實的解釋，基爾霍夫認為，只能承認熾熱的鈉蒸氣即能發(fā)射鈉-D雙線，又能吸收鈉-D雙線。于是，他們用氫氧焰煅燒生石灰，使它發(fā)出的連續(xù)光譜進入分光鏡，在分光鏡前放上本生燈灼燒氯化鈉，果然看到了在石灰的連續(xù)光譜中出現(xiàn)了兩條暗線，其位置恰好落在鈉-D雙線的位置上。這時，如果將其他的鹽類放入本生燈的火焰內(nèi)，也會出現(xiàn)一些暗線，這些暗線的位置恰好與所灼燒金屬鹽的特征光譜相重合。他們明白了：太陽中不是沒有鈉，而是有鈉。弗朗和斐暗線和本生燈灼燒金屬鹽時發(fā)出的亮線一樣，也能反映出太陽上存在的元素。1859年10月20日，基爾霍夫向柏林科學院提交報告說：經(jīng)過光譜分析，證明太陽上有氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素。他的見解和新

13、發(fā)現(xiàn)立即轟動了全歐洲的科學界，在地球上居然檢測出了一億五千萬公里之遙的太陽上的化學元素組成！光譜分析法很快成了化學界、物理學界和天文學界開展科學研究的重要手段。從那時起便知道，熾熱的原子蒸氣能發(fā)射或吸收線光譜，而固體和液體發(fā)出的是連續(xù)光譜，例如燈泡里白熾的燈絲和石灰煅燒時，發(fā)出的都是連續(xù)光譜。天藍色和深紅色新元素銫和銣本生和基爾霍夫認為，光譜分析法能夠測定天體和地球上物質(zhì)的化學組成，還能夠用來發(fā)現(xiàn)地殼中含量非常少的新元素。他們首先分析了當時已知元素的光譜，給各種元素做了光譜檔案。這就象人的指紋，各不相同?？紤]到堿金屬的譜線格外明亮、靈敏，他們決定從尋找新的堿金屬元素開始。1860年他們開始檢驗

14、各處的海水和礦泉水。當他們?nèi)砣鸬鋪G克海姆一地的礦泉水，將它濃縮，再除去其中的鈣、鍶、鎂、鋰的鹽，制成母液進行光譜分析時，奇跡出現(xiàn)了他們將一滴母液滴在本生燈的火焰上時，分光鏡中除了有鈉、鉀、鋰的譜線以外，還能看到兩條明顯的藍線！5月10日他們向柏林科學院提交報告說：“截至目前為止，已知的元素都不會在這個光譜區(qū)顯現(xiàn)出兩條藍線。因此可以做出結(jié)論，其中必然有一種新元素存在。大概屬于堿金屬。我們將它命名為Cesium（中譯名為銫，含義為天藍色）?！背藞蟾?，本生和基爾霍夫還沒有得到一點純凈的銫或者是銫的化合物。但科學家們還是很快就承認了這個新元素的發(fā)現(xiàn)。這在元素發(fā)現(xiàn)史上還是從未有過的先例。后來本生處理

15、了幾噸礦泉水，付出了巨大的勞動，終于在1860年11 月制得了鉑氯酸銫。他們還知道在一種鱗狀云母礦中含有豐富的鋰。他們將薩克森產(chǎn)的這種礦石制成溶液，加入少量氯化鉑，產(chǎn)生了大量沉淀。用分光鏡鑒定這種沉淀時，只看到鉀的光譜線。他們又用沸水洗滌這種沉淀，每洗滌一次，都要用分光鏡檢驗一遍。他們發(fā)現(xiàn)，隨著洗滌次數(shù)的增加，從分光鏡中觀察到的鉀的光譜線逐漸變?nèi)?，最后終于消失；同時又出現(xiàn)了另外兩條深紫色的光譜線，它們的顏色逐漸加深，最后變得格外鮮明，激動人心地出現(xiàn)了幾條深紅色、黃色、綠色的譜線，他們不屬于任何已知的元素！本生和基爾霍夫確信這又是一種新發(fā)現(xiàn)的堿金屬元素，1861年2月23日他們向柏林科學院報告：

16、“我們又找到了一個堿金屬，由于它的深紅譜線，我們建議給它取名Rubidium（中譯名銣，深紅色的意思）。”1862年本生加熱碳酸銣和焦炭的混合物，用熱還原法制得了金屬銣。光譜分析法更加風行起來。1861年克魯克斯（18321919）發(fā)現(xiàn)了鉈（Thallium,原意是綠色的樹枝），克魯克斯本人后來成了光譜分析專家；1863年里希特發(fā)現(xiàn)了銦（Indium，靛藍的意思）；1875年布瓦博得朗發(fā)現(xiàn)了鎵；1879年尼爾森發(fā)現(xiàn)了鈧；1886年文克勒發(fā)現(xiàn)了鍺，他們用的都是光譜分析法。新的黃線發(fā)現(xiàn)“太陽元素”在弗朗和斐的實驗中，幾乎各種火焰的光譜中都有兩條明亮的黃線，恰好落在太陽光譜鈉-D雙線的位置上，這使弗

17、朗和斐百思不得其解。基爾霍夫和本生正確地揭示了個中緣由海風吹來的氯化鈉象灰塵一樣落滿了當時較為簡陋的實驗室的各個角落，而鈉的黃線十分明顯，只要有三百萬分之一毫克的鈉，就足以顯出那兩條黃色的譜線。1868年10月26日，巴黎科學院收到了兩封信，一封是法國米頓天體物理觀象臺臺長、天文學家讓桑（18241907）寄來的，報告他8月18日在印度觀測日全食時，當把分光鏡的物鏡對準日珥部分時，看到了幾條亮線，其中有一條格外明亮的黃線，但不是鈉-D雙線。另一封來自英國皇家科學院太陽物理天文臺臺長洛基爾（18361920）， 信中所述內(nèi)容與讓桑的報告幾乎完全相同。法國科學界爭相傳告這一發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過查對，這條黃線只能屬于某種未知的新元素。有史以來第一次在地球上發(fā)現(xiàn)了太陽上的新元素。于是法國科學院將它命名為Helium（氦），意思是“太陽元素”，其字根Helios，指希臘宗教中的太陽神。1878年，為了紀念氦的發(fā)現(xiàn)十周年，巴黎科學院鑄造了金質(zhì)紀念牌，一面是太陽神駕著四套馬車的浮雕，另一面是讓桑和洛基爾的雕像。1895年之前，即“太陽元素”發(fā)現(xiàn)后的27年中，科學家們都認為氦只存在于太陽上，無法再進一步研究