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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(xué)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(xué)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(xué)圖書館主任兼近代語言學(xué)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(xué)，主要學(xué)習(xí)自然科學(xué)如化學(xué)、物理學(xué)、礦物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、植物學(xué)、解剖學(xué)和數(shù)學(xué)。哥廷根大學(xué)當(dāng)時的化學(xué)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(xué)獎金，并于1831年秋獲得博士學(xué)位。此后他在漢諾威市政府的資助下，到各地進行學(xué)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(xué)家李比希、無機化學(xué)家米切爾利希、苯胺的發(fā)現(xiàn)者朗格、地質(zhì)學(xué)家韋斯、礦物學(xué)家和分析化學(xué)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(xué)校聽講，結(jié)識了不少法國著名學(xué)者，還參觀了著名的陶瓷工廠。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(xué)回來的本生擔(dān)任了哥廷根大學(xué)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�發(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(xué)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(xué)接替退休的格梅林教授的職務(wù)。在這里他辛勤工作達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(xué)建造的化學(xué)實驗室落成，在那里本生除了自己進行科學(xué)實驗以外，還指導(dǎo)了一大批青年學(xué)生，他們在本生的嚴格訓(xùn)練下，在19世紀后期都成了有名的科學(xué)家。 新落成的實驗室里鋪設(shè)了煤氣管道，學(xué)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)常用這種分析方法來鑒別各種金屬。 本生在教學(xué)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(xué)具有廣泛的興趣，早期研究有機化學(xué)，后來又涉獵無機化學(xué)，他用化學(xué)方法研究地質(zhì)現(xiàn)象，對現(xiàn)代巖石學(xué)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(xué)家基爾霍夫（1824??1887）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(xué)結(jié)識的好朋友。本生到海德爾堡大學(xué)任教后，十分想念基爾霍夫，就勸基爾霍夫也來海德爾堡大學(xué)任教。果如他們所愿，后來他們經(jīng)常在海德爾堡大學(xué)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(xué)家的思辯和推理能力，他在光譜學(xué)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(xué)的學(xué)生、21歲的牛頓開始研究顏色的問題，這是他全部科學(xué)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(xué)會的《哲學(xué)會刊》上發(fā)表了它的第一篇論文《光和色的新理論》，提到：“1666年初，我正磨制一些非球形的光學(xué)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(dāng)?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。”牛頓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(fù)雜的混合光。”1675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)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(dǎo)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(xué)成就，揭開了一個嶄新的科學(xué)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(xué)作為一門新的學(xué)科誕生了。 1802年，法拉第的好友，英國化學(xué)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(xué)家弗朗和斐（1787?1826）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(dāng)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�；鶢柣舴蚵犃笋R上說：“如果我是你，我就用棱鏡來觀察這些火焰的光譜�！� 第二天，基爾霍夫就帶了棱鏡和其他一些光學(xué)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、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(xué)家和一位物理學(xué)家親密合作，共同發(fā)明了光譜分析法。 當(dāng)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(xué)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。 他的見解和新發(fā)現(xiàn)立即轟動了全歐洲的科學(xué)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(xué)元素組成！光譜分析法很快成了化學(xué)界、物理學(xué)界和天文學(xué)界開展科學(xué)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(xué)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(dāng)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。 考慮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年他們開始檢驗各處的海水和礦泉水。當(dāng)他們?nèi)�來瑞典丟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(xué)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）�！� 除了報告，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(xué)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)酰�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(xué)院報告：“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(fēng)行起來。1861年克魯克斯（1832?1919）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，這使弗朗和斐百思不得其解�；鶢柣舴蚝捅旧�正確地揭示了個中緣由??海風(fēng)吹來的氯化鈉象灰塵一樣落滿了當(dāng)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(xué)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(xué)家讓桑（1824?1907）寄來的，報告他8月18日在印度觀測日全食時，當(dāng)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(xué)院太陽物理天文臺臺長洛基爾（1836?1920），信中所述內(nèi)容與讓桑的報告幾乎完全相同。 法國科學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)家們都認為氦只存在于太陽上，無法再進一步研究，大家只是猜想，它可能是一種很輕的氣體。 光譜分析法只是本生眾多科學(xué)發(fā)現(xiàn)中較為輝煌的成就。他一生獲得了很多科學(xué)獎勵和榮譽，但他仍然非常謙遜。每當(dāng)他在講演中必須提到自己的發(fā)明時，他從不說“我已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了”；卻總是說“別人曾經(jīng)看見”。每當(dāng)他在講演中提到光譜分析時，他的學(xué)生們總是用長時間的掌聲來表達他們對老師偉大功績的尊敬和自豪。 本生終生未娶，他把畢生的精力都用在科學(xué)探索和培養(yǎng)學(xué)生上，直到78歲才辭去海德爾堡大學(xué)化學(xué)教授的職務(wù)。此后十年，他經(jīng)常單獨或邀請朋友一起旅游，晚年的生活是愉快的。1899年8月16日，這位擁有幾十項發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)家與世長辭，享年88歲。 習(xí) 題 1. 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。寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。 2. 一家公司懷疑某種新型鋼材中添加了很少量的稀土元素。怎樣能盡快地鑒別出這種稀土元素？ 參考答案 1. Rb2CO3 + 2C == 2Rb + 3CO 2. 取少量這種新型鋼材加熱至成為氣態(tài)，觀察其氣態(tài)原子的線狀光譜，與各種稀土元素的光譜比較，即可鑒別是否含有稀土元素。
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