物理与工程 以下文章来源于物理文化与施郁世界线 ，作者施郁
物理文化与施郁世界线.
评述科学的思想、方法、历史、人物，以及鲜为人知的有趣故事，传播科学精神，弘扬科学文化，特别是物理文化。由施郁教授主持，以本人文章为主。
作者丨施郁
光谱
回到1665年，牛顿用三棱镜色散实验获得了太阳光谱。这可以看成第一个光谱学实验。光谱是指混合光中，各种单色光的分布。
1748年，梅尔维尔（Thomas Melvill）将几种物质放在酒精灯中燃烧，观察到光谱中出现一个明亮的黄线，这就是钠元素的光谱线。
1800年，赫谢耳（William Herschel）发现太阳光包含不可见的红外光，而且发现，热在太阳光谱中的不同颜色的分布不均匀。他认为红色的最热（81年后，人们发现，并不是红色的最热）。
1802年，沃拉斯顿（William Hyde Wollaston）在太阳光谱中观察到几条暗线。
1814年，夫琅和费（Joseph Fraunhofer）在若干灯光中发现钠线，而且看到很靠近的双线，他又在太阳光谱中发现了大量暗线，被称为夫琅和费线。光谱线的原理要等到量子力学来解释，双线结构是弱的自旋轨道耦合导致。
▲ 夫琅和费。图源：维基百科。
下面两个图分别是夫琅和费和当代科学家得到的太阳光谱。
▲ 夫琅和费得到的太阳光谱。图片来自网络。
▲ 当代科学家测量的太阳光谱。图片来自网络。
1832年，布儒斯特描述了光线经过有色玻璃或气体所形成的暗线光谱。稍后，米勒（William Allen Miller）和傅科（Jean Léon Foucault）分别确定，钠的明线和太阳光谱的D暗线（参看上图）严格符合，因此他们想到，夫琅和费线可能是太阳大气的吸收造成，但没有得到确认。
1842年，多普勒（John Christian Doppler）提出光波与声波类似，频率随着光源的运动而改变，即多普勒效应。
1859年，基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本森(Robert Wilhelm Bunsen)指出，太阳光谱中的黑线由太阳大气中的物质导致，而同样的物质如果处于火焰中，就会在光谱中的相同位置（相同频率）产生明线。这就是我们今天所知的吸收谱线和发射谱线。他们提出在太阳光谱中找到了钠、镁、铜、锌、钡、镍的谱线，并用光谱确定金属的存在，以此方法在某种矿泉水中发现了铯和铷。
▲ 基尔霍夫。图源：维基百科。
1862年，塞曼（Pieter Zeeman）发现磁场使得光谱线发生劈裂。这就是我们现在熟知的塞曼效应。
1868年，哈金斯（William Huggins）发现太阳转动引起谱线移动。后来，基于多普勒效应导致的光谱移动，天文学家做出一系列发现，包括双星、土星环的非整体性以及恒星运动的不同速度。
1868年，埃格斯特朗（Anders Jonas Ångström）发表太阳光谱中的各个波长的表。Ångström（埃）后来成为长度单位，代表10-10米。
1881年，兰利（Samuel Pierpont Langley）发现太阳光中的蓝光和绿光被大气吸收得多，因此变白。他测定了太阳光谱的很多红外谱线。
1884年，巴尔末（Johann Jakob Balmer）根据4条氢光谱谱线，总结出一个波长公式，即波长正比于一个自然数的平方除以它减去2的平方。今天，这些谱线称为巴尔末线系。
▲ 巴尔末。图源：维基百科。
下图是今天我们了解的氢原子光谱，从中可以看到巴尔末线系（n=2）。n现在叫做主量子数，对应于电子沿着与原子核连线方向运动的量子态和能量。
▲ 氢原子光谱。图片来自网络。
1890年，里德堡（Johannes Robert Rydberg）独立提出一个波数公式，与巴尔末公式一致，但是适用于不同谱线系。
1894年．帕邢（Friedrich Paschen）将太阳光谱的红外区从兰利的5微米扩大到9.3微米，1897年又扩大到23微米。
1895年，伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）发现x射线。他用x射线给他的夫人照了照片。参见下图。伦琴认为它是以太的纵波，斯托克斯（George Gabriel Stokes）认为它是电磁波的脉冲，这是最早将x射线与电磁波联系。
▲ 左：伦琴，右：他的夫人的手的x射线照片。图源：维基。
1906年，莱曼（Theodore Lyman）发现波长1000埃的紫外线。
1908年，里兹（Walther Ritz）提出组合规则，即光谱线频率正比于两个自然数平方倒数的差，比例系数后来叫做里德堡常数，之前已经出现于里德堡的公式。帕邢同年做了些验证，他发现第一个自然数是3的谱线系，叫做帕邢线系。里兹公式中第一个自然数为2的线系是巴尔末研究的，叫做巴尔末线系。第一个自然数为1的线系是紫外线，是莱曼发现的，叫做莱曼系。参见上面的氢光谱图片。
1912年，劳厄（Max von Laue)等人发现x射线被晶体衍射。这说明x射线的波长与晶体重的原子间距接近。不久，布拉格父子（William Henry Bragg 和William Lawrence Bragg）发展了x射线晶体学。人们了解到，x射线是电磁波。
▲ 劳厄1912年发表的x射线衍射图。
本来人们所说的光是可见光，后来就不区分光和电磁波了。电磁波的频率决定了无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线的区别，也决定了可见光的颜色。真空中，所有的电磁波的速度都一样，也就是光速，光速乘以频率就是波长，是一个振动周期内光传播的距离。整个电磁波谱也称为光谱。1926年，密立根（Robert Andrews Millikan）说：“过去两年，用于不可见以太波的新实验技术已经完全消除了人工电磁波和热波之间的鸿沟。”这里也反映了密立根没有放弃以太的说法。
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原标题：《科普｜光谱》