用光发现新元素.doc
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1、用光发现新元素在有关原子分子概念的争论中,一直注意着理论的发展却从不介入争论的本生,在以化学分析为中心的多个领域内深入研究、富有创新,极大地推动了近代化学的发展。他和基尔霍夫共同发现的光谱分析法,为元素的定性鉴定和新元素的发现开辟了一条新路。 1811年3月31日,罗伯特威廉本生出生于德国的哥廷根。他的父亲是哥廷根大学图书馆主任兼近代语言学教授,他的母亲庄重而机敏,罗伯特是他们四个儿子中最小的一个。 罗伯特于1828年进入哥廷根大学,主要学习自然科学如化学、物理学、矿物学、地质学、植物学、解剖学和数学。哥廷根大学当时的化学教授是于1817年发现镉的斯特罗迈耶。1830年本生写了一篇介绍湿度计发
2、明以来约40种湿度计的综述而荣获科学奖金,并于1831年秋获得博士学位。此后他在汉诺威市政府的资助下,到各地进行学术旅行,广泛交游增长知识。德国的卡赛尔、吉森、柏林、波恩等地,都留下了他的足迹;有机化学家李比希、无机化学家米切尔利希、苯胺的发现者朗格、地质学家韦斯、矿物学家和分析化学家罗斯兄弟等,都成了他的良师益友。 经过3个星期的山地地质考察,1832年9月,本生到达巴黎。在巴黎期间他曾在盖?吕萨克的实验室工作,并在综合技术学校听讲,结识了不少法国著名学者,还参观了著名的陶瓷工厂。1833年5月到7月,他又到维也纳参观工矿企业。 1833年底,游学回来的本生担任了哥廷根大学的讲师。在此期间他
3、完成了他的第一项研究成果。他在研究某些化合物的溶解度时发现,金属的砷酸盐不溶于水。他试验用新沉淀出的氢氧化铁与亚砷酸反应,结果得到了既不溶于水又不溶于人体体液的砷酸亚铁。直到现在,人们仍然使用本生发明的这一方法,用氢氧化铁来解救砷中毒(即砒霜中毒)。1835年底,本生代授刚刚去世的斯特罗迈耶教授的课程。1836年1月维勒教授应聘接替斯特罗迈耶的职务后,本生转勤卡赛尔技术工业学校接替维勒教授的职务。几经转折,本生于1852年到海得尔堡大学接替退休的格梅林教授的职务。在这里他辛勤工作达37年之久,直到78岁高龄才退休。 1855年,巴登政府为本生在海德尔堡大学建造的化学实验室落成,在那里本生除了自
4、己进行科学实验以外,还指导了一大批青年学生,他们在本生的严格训练下,在19世纪后期都成了有名的科学家。 新落成的实验室里铺设了煤气管道,学生们都用煤气灯作加热器具。煤气灯的火焰很明亮,不断地冒着黑烟。由于煤气燃烧不充分,火焰的温度不高。本生改造了煤气灯,就是在喷嘴下面开一个小孔,让煤气在燃烧之前就与空气混合,这样得到的火焰不发亮光,火焰几近无色,很稳定,温度也很高。后人将这种灯叫做本生灯。在本生灯无色火焰的灼烧下,金属及其盐类能产生各种特征颜色,即发生焰色反应。本生经常用这种分析方法来鉴别各种金属。 本生在教学和科研中都特别强调实验的重要性,他非常喜欢自己设计仪器,常常熟练地吹制自己需要的玻璃
5、仪器。经年累月的实验使他的手指结了厚厚的一层茧,这样,他的手指不仅不怕酸、碱的腐蚀,甚至不怕150的酒精灯内焰的灼烧。 本生对科学具有广泛的兴趣,早期研究有机化学,后来又涉猎无机化学,他用化学方法研究地质现象,对现代岩石学有不小的启发。而他最大量的研究工作和最重要的贡献是发明了许多鉴定、分离无机物的分析方法。其中的光谱分析法使他和物理学家基尔霍夫(18241887)名扬四海。 古斯塔夫罗伯特基尔霍夫是本生在布雷斯劳大学结识的好朋友。本生到海德尔堡大学任教后,十分想念基尔霍夫,就劝基尔霍夫也来海德尔堡大学任教。果如他们所愿,后来他们经常在海德尔堡大学校园内共同散步。本生高大健硕,个头在一米八以上
6、;而基尔霍夫瘦小精干,轻松快活,口中喋喋不休地说着各种有趣的事情和他的实验;本生则默默地听着,偶尔插上一两句。本生注重实验,而基尔霍夫更具有物理学家的思辩和推理能力,他在光谱学上造诣很深。 谈到光谱分析法,得从大约在他们200年前研究光谱的牛顿说起。 牛顿与弗朗和斐 1663年,剑桥大学的学生、21岁的牛顿开始研究颜色的问题,这是他全部科学创造生涯的开始。1666年他进而开始研究光谱。1672年2月牛顿在伦敦皇家学会的哲学会刊上发表了它的第一篇论文光和色的新理论,提到:“1666年初,我正磨制一些非球形的光学玻璃镜,其中有一块三角形玻璃棱镜,用来试一下大家熟悉的颜色现象。我遮暗了房间,把窗帘拉
7、开一个小缝,让适当的阳光透进来。在窗的入口处放了这块棱镜,使光折射到对面的墙上。于是看到这束光变成了光艳夺目的绚丽彩带,引起了我极大的兴趣。”牛顿把这种色带命名为光谱。牛顿和他的老师巴罗将单色光再经过三棱镜折射后发现,单色光的颜色并不改变。后来牛顿又将各色光经过棱镜折射混合在一起,结果得到了白光!1671年,他做出判断:白色的太阳光“是一种由折射率不同的光线组合成的复杂的混合光。”1675年,他进一步指明了光的不同折射率与颜色的关系,正确地解释了日光通过三棱镜后所以会展现成光谱的原因,并且指出:“颜色是一种原始的、天生的性能,并不是光线经过折射或反射而导出的,折射和反射也不能改变它的颜色。”牛
8、顿对太阳光谱的研究成果是一项划时代的科学成就,揭开了一个崭新的科学天地。从此以后,观察和研究光谱的人越来越多,观测技术也日益高明,光谱学作为一门新的学科诞生了。 1802年,法拉第的好友,英国化学家武拉斯顿仔细观察了太阳光谱,发现光谱中各颜色间并不是完全连续的,其中夹杂着不少暗线。遗憾的是他并没有深入地去探讨这个重要的发现,却误把这些暗线的出现归咎于棱镜的缺陷。1814年,德国物理学家弗朗和斐(17871826)则紧紧抓住了这一现象。他曾把油灯、酒精灯、烛光作光源,观察这些火焰的光谱,发现所有这些光谱都是线状的,不连续的,再某一确定的位置上都出现两条明亮的黄线。于是他又进一步研究太阳光,本想在
9、其光谱中找到那两条黄色的亮线,但没有找到,只发现在太阳光谱中有许多暗线,仔细数了数,竟有576条。他用字母A、B、C、D、E、F、G把其中最主要的线标上了代号。后人把这些暗线叫做弗朗和斐线。 弗朗和斐后来又兴致勃勃地观察了行星的光谱,发现其中也有一些暗线,并和太阳光谱中的暗线位置相同。他也观察了电弧火焰的光谱,发现它的光谱与太阳光谱截然不同,是由一系列明亮的谱线组成的。当他把太阳光谱与火焰光谱进行对比时,发现火焰光谱中的两条明亮黄线恰恰落在太阳光谱中被他标上了D的两条暗线的位置上(即我们现在所称的钠-D双线)。那末,太阳光谱中的暗线是怎样形成的?几乎各种火焰中都存在的明亮黄线恰恰落在D暗线的位
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