互动科普

1860年5月，德国柏林科学院，一位化学家和一位物理学家，联合报告说他们发现了一种新元素。在当时，人们只是觉得这个组合挺拉风的，却完全没有意识到，一场科学大戏已经在大家眼前拉开了帷幕。

本生

这位化学家，名叫罗伯特·本生。

在做实验时，本生总嫌酒精灯的温度（400～500℃）不够高。为此，他开始改良灯具。当时，海德堡市的路灯正升级为煤气灯，而且煤气可以直通大学实验室。这就启发了本生，用煤气取代酒精也许能获得更高的温度。但试验后发现，在燃烧前，煤气与空气的混合不好，燃烧不充分，温度也就上不去。因此，必须改造灯具，让煤气和空气预先充分混合。在本生和他的同事的共同努力下，火焰温度可调、温度超过1500℃（完全燃烧时可达2300℃）的煤气灯问世了，这就是著名的“本生灯”（Bunsen burner）。说它“著名”并不过分，因为158年后的今天，世界很多实验室里还用着本生灯呢！

有了这么威猛的新武器，本生迫不及待地拿手边的东西做起了实验。他用铂制的镊子夹上一粒食盐放在火焰中烧，火焰立刻变成了亮黄色，同时还闻到了呛人的氯气味儿。毫无疑问，高温将氯化钠分解成了氯和钠，但是让火焰变成亮黄色的，究竟是钠还是氯呢？

这个问题倒是难不住本生。他找来了金属钠以及几种钠盐，逐个放进了火焰。结果，火焰始终是亮黄色。显然，样品里没有氯，亮黄色只能是钠的功劳。

钠是亮黄色，那别的元素呢？很快答案就出来了：钾是紫色，钙是砖红色，钡是绿色，锶是亮红色，铜则是蓝绿色……

这种把金属或金属化合物放在无色火焰中灼烧时产生的火焰特征，叫做焰色反应。焰色反应并不是本生首先发现的，在他之前，不少人就发现了钾盐、钠盐乃至锂盐、铜盐的不同焰色反应。但在这条路上，本生可比前人走得远多了。

本生是个很细致的人，烧什么物质得到什么颜色，他都逐一做了实验记录。那么能不能倒过来，靠火焰的颜色，来反查出烧的是什么物质呢？

单一元素还好说，碰上混合物就麻烦了。

钠盐溶液，蘸上一滴，烧起来是黄色；混有钾盐的钠盐溶液，烧起来也是黄色；混有锂盐的钠盐溶液，还是黄色—钾盐烧起来应该是紫色，锂盐烧起来应该是红色，但现在都淹没在钠盐的亮黄色光芒里了！

本生想，把黄光过滤掉行不行呢？于是找来了蓝色玻璃。隔着玻璃这么一看，嘿！钠的黄光没有了，钾盐的紫光和锂盐的红光，也都能看到了！

但这一招不是什么时候都灵。这不，眼前烧着某种混合物，火焰深红，说明可能是锶盐，也可能是锂盐。那它到底是什么呢？

各种彩色玻璃都试遍了，还是看不出来。

化学家苦恼了。

物理学家来帮忙了。

基尔霍夫

在提出名震后世的基尔霍夫电流定律时，基尔霍夫不过21岁，也就是今天大三、大四学生的年纪。到了30岁时，本生慧眼识珠，将他推荐来海德堡大学任教授，两人经常一起散步。

1859年秋季的某天，本生在散步时念叨说，现在就有个翻不过去的坎儿，换了多少彩色玻璃，瞅了多少回火焰的颜色，还是不知道里头烧了个啥。

化学家几句牢骚，物理学家灵光一闪。

火焰的颜色！

说到颜色，那可是物理学家的看家本事。牛顿拿块三棱镜，就能将太阳光拆成七种颜色；基尔霍夫的前辈夫琅和费（Fraunhofer，德国著名的光学家），小小一块三棱镜更是玩得出神入化，乃至于太阳光谱上的黑色吸收线，都以“夫琅和费线”的大名著称于世。

所以，要说分析火光中的颜色，彩色玻璃又怎么可能是三棱镜的对手？！

说干就干。

基尔霍夫带着一堆宝贝，来到了本生的实验室。不大会儿工夫，一个奇怪的玩意儿就组装完了，如下图。

图中，A是个雪茄烟盒，用来提供局部的黑暗环境；B是单筒望远镜的物镜端，朝向火焰的一端蒙着一个圆片，上面开着狭缝；C是单筒望远镜的目镜端（这个基尔霍夫，活活锯了一个好端端的望远镜啊！）；D是本生灯；E是支架，上面固定着白金丝，白金丝末端绕个圈，蘸了样品就可以烧灼了；F是三棱镜；G和H是附属和调节部件。

值得补充的是，核心的那块三棱镜，是夫琅和费亲手磨制的，它一直保存在基尔霍夫的实验室里。

基尔霍夫组装的分光镜

深蓝色的胜利

拉上窗帘，实验开始了。

本生操作，基尔霍夫观察—目镜只有一个，没办法。

先上食盐。本生看到的还是黄色火焰，而基尔霍夫沉吟了一下，“我看到两条黄线靠在了一起。背景是黑的，只有两条黄线”。之后，各种钠盐又挨个被烧了一遍，什么苏打（碳酸钠）、芒硝（硫酸钠）、硝酸钠……火焰全是黄色，而光谱也是一样的：黑底上，两条明亮的黄线，位置始终不变。

钾盐：紫色火焰，分光镜下是一条紫线和一条红线，当中的光谱连成一片，没有明亮的线条。

锂盐：红色火焰，分光镜下是一条亮红线和一条暗橙线。

锶盐：亮红色火焰，分光镜下是一条亮蓝线和几条红线、橙线和黄线。

……

实验结果反复证明：同一种元素的谱线相同、位置恒定；不同的元素，谱线不同、位置也不同。因此，有了这分光镜，就不怕认不出元素的真身！

真是这样吗？

本生默默地把新样品送进了火焰。

长久的沉默后，基尔霍夫说道，“你的样品里掺有钠盐、钾盐、锂盐和锶盐”。

本生震惊了—全对！

光谱分析法（Spectrum analysis），就这样被两位科学家联手发明了出来。它的最大特点，就是非常灵敏。如果把1克钠分成30亿份，再取其中1份放在火上烧，分光镜里立刻能看到两条黄线！摸一下本生的铂制镊子，再把镊子放在火上烧—还是两条黄线，因为你的手上有汗，而汗里有氯化钠！

接下来的事情就不用说了，只要是他们二位能拿到手的东西，基本都放在火上烤了一遍：树枝、石头、肉、木头、化学试剂、瓶瓶罐罐……就是液体，也要蘸在白金丝上烧它一烧！

还真没白干。在海德堡大学附近有个地方叫杜尔干，这地方的矿泉水，能烧出两条前所未见的深蓝色谱线来。显然，某种新元素就藏在水里，但怎么才能抓到它呢?

本生把水蒸馏掉，剩下的再提纯。费了喊大劲，终于得到了17克新元素。而为了这点儿宝贝疙瘩，他整整蒸馏掉了40吨矿泉水！

根据拉丁文“蓝色”一词caesius，两人决定将新元素命名为Caesium，中文译为“铯”。这之后，就上演了本文开头“化学家和物理学家携手报告发现新元素”的一幕。

第二年，他俩又发现了一种有两条深红谱线的新元素，根据拉丁文“深红”一词ruidus，命名为Rubidium，中文译作“铷”。

在公布了他们的发现（铯，1860年；铷，1861年）以后，光谱分析法迅即席卷了整个科学界，成了搜寻新元素的利器。

此后，科学家们在各地搜索各种矿石样本、采集各地水源乃至气源来进行光谱分析。1861年，发现了铊（亮黄谱线带点新绿，按拉丁文“嫩芽”一词thallqs，命名为Thallium）；1863年，发现了铟（靛蓝谱线，按英文“靛蓝”一词“indigo blue”，命名为Indium）、1868年，发现了氦；1875年，发现了镓；1878年，发现了镱；1879年，发现了铥；1879年，发现了钐；1885年，发现了钕；1885年，发现了镨；1894年，发现了氩；1898年，发现了氖、氪、氙……就这样，科学家们用光谱分析法发现了许多新元素。

（本文发表于《科学世界》2013年第6期）