科学的科普（25）原子怎么发光

张武昌2025年10月18日星期天

 

如果要系统研究光的科学，会提出四段式的问题：

光是什么？

物质为什么发光（怎么发光）？

光是怎么传播的？

光是怎么最终消失的？

 

  

从古代的小孔成像到光的微粒说和波动说，都是在讨论光是什么和怎么传播的，从来没有人想过其他两个问题。

随着时间的流逝，元素和原子的提出为光的研究提出了思考的线索：物质是元素组成的，物质发出的光应该是原子发出的，原子怎么发光呢？

 

1887年，赫兹实验证明光电相互转化

 

1887年，赫兹发现电磁波的实验证明，既然电子（电流）的波动导致了电磁波的发生，电子就是产生电磁波的源头。电磁波也可以变为了电，因此电磁波和电是互相变化的。

 

赫兹的发现有两种用途，一是传输能量为目的的无线电流传输，二是对电磁波进行调制以传达信息。

                                             

在完成了交流电力系统之后，特斯拉把目光转向了无线电能传输。 既然交流电能在输电距离上战胜直流电，那么能不能进一步让电力输送摆脱导线，做到更自由，甚至更远距离的传输呢？ 1891年到1904年期间，特斯拉开展了一系列试验。 第五大道实验室中，特斯拉首先做到了远距离（同一间屋内）隔空点亮电灯。无线输电的高潮是是著名的沃登克里弗塔（Wardenclyffe Tower）的失败，至今无线电力传输仍没有得到大规模输电，只是在无线手机充电和家庭规模的无线电力传输，科学家仍然探索大规模无线电力传输，为太空发电传回地球最准备。

1895年，无线电报得到成功应用，此后无线通讯发展到今日广泛使用的收音机、电视和无线网络通信。

 

1888年，赫兹证明光和电磁波同一性。那么光（可见光波段的电磁波）可以和电相互转化吗？

 

1814年，吸收光谱

1802年，英国学者沃拉斯顿在一篇论文中描述了他在太阳光谱中发现了一些暗线，他认为这些暗线是代表不同颜色的分界线。

 

1814年，德国玻璃制造商、物理学家约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）（弗劳恩霍夫）数出阳光光谱中有570多条暗线，其中主要特征谱线以字母A~K命名，这一系列谱线也被称为夫琅和费谱线。

 

 

 

1859年，发射光谱

 

古代巫师做法时，常往火中撒一些粉末，让火焰变幻出各种色彩，就像最近上映的电影《魔法师的学徒》里，巫师布莱克抬手就放出的各色鬼火，你可不要以为是巫师法力强大，其实这只是障眼法，运用的就是化学里的“焰色反应”。 很多金属以及它们的化合物，在火焰中灼烧时，火苗会变幻出各种颜色，而且每种金属都有自己对应的颜色。

 

1852年，罗伯特.本生Robert Bunsen和他的朋友古斯塔夫.基尔霍夫Gustav Kirchhoff在海德堡大学稳定下来。当时的街道和室内照明都是靠燃烧煤气，本生发现煤气燃烧器并不稳定，就在1857年发明了本生灯Bunsen Burner，它目前仍在全世界的化学实验室使用。

 

 

物质是元素组成的，既然光是由物质发出的，他们发出的光有什么不同呢。

本生决定系统的研究不同物质（含不同元素）燃烧时产生的光的颜色，起初用滤光片但是效果不佳。1959年

 

本生用天然气火焰研究不同化合物产生的光，1959年基尔霍夫建议他使用三棱镜。两人制造了第一台光谱仪spectroscope。

 

 

 

 

当本生将物质燃烧（或加热）发出的光时，发现没有七彩的光，而是特定频率的尖锐条带，称为谱线，他们使用机械臂，比较精密的操作光线和三棱镜的角度，从而系统研究不同元素产生的光谱。

 

它们很快发现每种元素都有独特的光谱指纹，通过燃烧化合物，从产生的光谱谱线的特征可以确定化合物的成分，还发现了一些与已知物质不同的光谱谱线，据此发现了铷元素和铯元素。

 

 

 

发射光谱和吸收光谱的重合

有一次，基尔霍夫突发奇想，没有任何研究目的，就是想看看连续光谱和元素光谱的叠加，在连续光照射钠盐蒸汽时，本以为在连续光谱上会出现纳光谱的亮线，不成想却看到了钠光谱位置的暗线，这就是偶然发现了吸收光谱。