辨别元素“指纹”之“眼”

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  世界上几十亿人口中找不到两个指纹完全相同的人。如果说人类所发现的109种化学元素也有“指纹”的话,那么,其“指纹”会有些什么不同呢?
  
  焰色反应的问世
  
  焰色反应是指各种金属及其同类在高温下都能发出自己特有的彩色光的一种发光现象。例如钠是黄色,铜是蓝色,锶是红色,钾透过蓝色的钴玻璃看是浅紫色等等。这种奇异的发光现象最早是谁发现的呢?
  德国有位名叫罗伯特·威廉·本生的青年化学家,在1854年发明了一种煤气灯,可以很方便地调节火焰大小,并能在化学实验室中用来吹制玻璃品,人们管它叫“本生灯”。这种灯点燃时不冒烟,其灯焰可以变得极热,清洁且没有颜色。一次,他用白色镊子夹了一颗食盐放进火焰里灼烧,发现平时总是微弱的浅蓝色的火焰变然变得很黄。改用白金丝蘸一点盐的水溶液亦得到同样结果。善于思索的本生对此产生了浓厚的兴趣。经反复试验,他观察了其它一些化学药品在火焰中的表现,最后得出了结论,断定某些含金属的化合物经无色的火焰灼烧能呈现出各种不同的颜色。相应地,只要通过对这些颜色的分析,不消几秒钟就能检查出任何一种物质的组成。
  
  光谱分析的诞生
  
  对单一的化合物进行试验后,本生又试验了混合物的焰色反应。结果麻烦来了。譬如,凡是混有其它金属盐的钠盐溶液都显出黄色火焰。为此,本生想方设法分辨每种颜色。一次,他用一块蓝色钴玻璃来观察火焰,发现黄色不见了,却看见了一种淡淡的紫色,后来才知道这是钾盐所致。但是,当把锶、锂和钙的盐混在一起时却很难一一分辨其红色火焰。
  1859年初秋,做了一年焰色反应试验的本生向他的朋友、德国光学专家基尔霍夫求助了。于是,两位科学家通力合作,他们从牛顿研究太阳光的方法中得到启示,用棱镜和放大镜做成了一架分光镜。他们利用这种分光把火焰一条条分解后,逐行进行研究。经过大量的实验,他们发现每一种元素都有其特定的光谱线。例如,钠有两条黄线,钾有一条紫线和一条红线,锂有一条明亮的红线和一条较暗的橙线,锶有一条明亮的蓝线和另几条红线、橙线及黄线。这些光谱线都有固定的位置。他们最后的结论是,两种元素的焰色可能是一个模样,但是它们的光谱线的颜色、数量和位置却不会完全相同。这样,光谱线就成了分辨化学元素的彩色“指纹”。倘若把每种元素的指纹都画在纸上,便可很方便地进行对照查找。于是,一种对物质进行化学分析的新方法——光谱分析法便诞生了。本生和基尔霍夫发明的光谱分析法,被称为“化学家的神奇眼睛”。
  
  科学家的得力助手
  
  光谱分析的诞生造福了人类。利用这种方法,人们对多种元素的混合物毋须分离、纯化,只要从其火焰的光谱图上就可以对着“指纹”迅速确定它的成份。这种方法灵敏、简捷、方便,就是含量为三十万分之一克的元素也逃脱不了光谱分析的慧眼。据说美国有一家制造飞机的工厂,其飞机合金成份是严格保密的。一次,苏联一位专家到该厂参观,用鞋底带出了一点金属碎屑,通过光谱分析,终于弄清了该合金的组成,不久也制造出了先进的大型军事运输机。
  后来,光谱分析又成为了发现新元素的先进手段。1860年的一天,本生和基尔霍夫在给杜尔汉矿泉水做光谱分析时,发现在光谱图中除了大量的钾、钠、钙和锶等元素的光谱线外,还有两条从未见过的相互靠近的天蓝色谱线。他们由此推断,新的谱线一定意味着新元素的存在。
  他们将新元素命名为“铯”,即为天蓝色的意思。不久,他们终于从矿泉水中提取了11克铯的化合物。不到一年,他们用同样的方法又从锂云母中发现并命名了“铷”,亦为暗红色的意思。本生和基尔霍夫这一系列的发现很快引起了化学家们的重视,他们纷纷借助光谱分析这一法宝,把一些在自然界中含量很少或者很分散的元素不断寻找出来。1868年,法国天文学家詹森和英国天文学家洛克耶利用一次全日食的机会,用分光镜观察日珥的光谱,发现了一种从未见过的光谱线,他们断定这是一种新的元素,将它命名为氦,即“太阳元素”之意。27年后,英国化学家拉姆赛终于从沥青铀矿中发现了氦。这样一来,人们根据元素的指纹,发现了距地球一亿五千万公里之遥的太阳大气中含有60多种元素,从而打破了对太阳的神秘感,推翻了所谓“恒星的化学组成是人类绝对不能得到”的论断。
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