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第6章 认识日食的主角——太阳(3)

这一奇景是什么?以前出没出现过?天文学家感到迷惑了。他们翻阅以前的观测记录,查阅编年史书。啊,明白了,这不是新的现象,以前的人在发生日全食时也曾见到过。科学家找到了关于珍珠色亮冠的记载,史学家提到过日食时出现的太阳火舌。它在我们中国的史书里早有记载,在公元前14世纪的殷代就有明确地记录了。

关于这粉红色景物,曾经提出三种解释:(1)大多数科学家认为它来源于太阳,是太阳“外壳”的一部分,平时隐没在阳光里,看不见,只有在日全食时,月亮将强烈的阳光遮住了,才能显露出来。(2)有些科学家不同意这种看法,他们肯定地说:“它们是月亮上的,太阳光把它照亮了,才看到它。”(3)也有人认为,它们不是实实存在的物体,是幻觉,是根本就不存在的虚无缥缈的东西。

粉红色景物到底是什么?照片作出了公正的回答。1860年7月18日在西班牙发生了一次日食,两位天文学家对它进行了观测。一位带着照相机在地中海畔观测,另一位在西班牙内地。两地相距400千米,他们都拍到了很好的照片。底片冲洗出来一看,月亮后面清清楚楚地露出一圈火舌,而且两地的照片上面的火舌是一模一样的。相距400千米的两地拍到同样的照片,说明这个粉红色的景物绝不是虚无缥缈的幻觉。

后来,天文学家进一步证明,它们是太阳色球上的,是从色球向外喷出的“火焰喷泉”,现代天文学上叫做日珥。

日珥是从色球层喷射出来的火红的物质,温度高达500~800℃。喷出物上升的高度一般在几万千米,个别大的可达到150万千米。迅速隆起的日珥物质在高空中停止上升以后,伸展开来,成为宽阔的浮云,形状千姿百态,有的美如拱桥,有的乱似草芥,有的像节日礼花,有的像天上云霞。由于太阳吸引力很大,大多数日珥物质升到一定高度后又往日面降落,但也有一些扬长而去,成为飘浮在日冕中的“流浪者”。

根据形状和运动特征,日珥可分为6种:宁静日珥、活动日珥、爆发日珥、环状日珥、黑子日珥和冕珥。宁静日珥存在的时间很长,寿命甚至达到1年以上,黑子多的时候,它出现得也多。活动日珥是宁静日珥变化而成的,活动程度较大。爆发日珥出现在黑子附近,光很强,活动性很大。大多数爆发日珥像地面火山喷发那样,以迅雷不及掩耳之势冲出日面几万甚至上百万千米。

知识点中子弹

中子弹是一种以高能中子辐射为主要杀伤力的低当量小型氢弹。只杀伤敌方人员,对建筑物和设施破坏很小,也不会带来长期放射性污染,尽管从来未曾在实战中使用过,但军事家仍将之称为战场上的“战神”——一种具有核武器威力而又可用的战术武器。一般氢弹(三相弹)由于加一层贫铀(铀-238)外壳,氢核聚变时产生的中子被这层外壳大量吸收,产生了许多放射性沾染物。而中子弹去掉了外壳,核聚变产生的大量中子就可能毫无阻碍地大量辐射出去,同时,却减少了光辐射、冲击波和放射性污染等因素。

彩虹与阳光

夏天雨后,美丽的彩虹横贯天空,红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,恰似彩练当空舞。好看极了!对我国人民来说,彩虹并不是陌生的自然现象,古人早就知道了。在3000年以前的甲骨文中,就有虹的记载。当时,人们认为虹是雨后出现的龙。

彩虹

到了北宋,沈括和孙恩恭曾对虹作过解释。他们认为,虹是太阳光通过悬在空中的水滴而形成的。但是,太阳光通过水滴为什么会变成美丽的彩虹?白色阳光为什么会有不同的颜色?当时还是个谜。

1609年伽利略把望远镜用于天文观测,开创了光学天文的新时代。但在伽利略时代,望远镜质量非常差,光线通过这种望远镜所成的像总是模糊不清的。这一现象曾经使天文学家伤透了脑筋。然而正是这种使天文学家伤脑筋的现象,给探索太阳光奥秘带来了曙光。

为了改进望远镜的性能,1665年英国著名科学家牛顿开始了一项新的创造性的光学研究。这项研究是在一间不透光的黑屋子里进行的。做实验的时候,牛顿把门窗关得严严实实的,除了事先凿好的小孔以外,不让任何光线射进室里。

事先开凿的小孔允许阳光射进屋里。牛顿在阳光前进的路上放置了一块棱镜片,他想看一看阳光通过棱镜片的情况。装置装好以后,他惊异地发现,白色阳光通过棱镜片后,在对面墙壁上现出了一个五彩缤纷的彩色光带,红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,像天空的美丽彩虹。

经过分析,牛顿得出结论:白色阳光不是单一的,而是复杂的,它由各种颜色的光线组成,棱镜片只是把它们区分开来了。

为了进一步探索太阳光的奥秘,牛顿又在棱镜片后面再放置一块同样的棱镜片,让前一块棱镜片后面的彩色光带再通过第二块棱镜片,两块棱镜片颠倒放置。这样一来,新的奇迹出现了,白色阳光通过第一块棱镜片后变成了色彩斑斓的彩色光带,而彩色光带通过第二块棱镜片后,颜色消失了,色彩斑斓的彩色光带又变成了白色阳光,和小孔里射进来的阳光完全相同。

至此,牛顿完全证明了白色阳光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的光线组成的。这红、橙、黄、绿、青、蓝、紫组成的彩色光带叫做连续光谱。

像彩虹那样,由红到紫分布的连续光谱是太阳光谱的独一无二的成分吗?这个问题在牛顿之后很长时间没有得到解答。

1802年,英国物理学家渥拉斯顿重新做起了牛顿的实验。不过,他的实验装置不完全和牛顿的相同。他在牛顿装置的棱镜片前面加上一条狭缝,使太阳光经过狭缝后再经过棱镜片。应用这个装置,渥拉斯顿发现,太阳光里除了牛顿发现的连续光谱外,还存在一些暗黑的线条。很可惜,渥拉斯顿的发现没有引起人们的注意,以致埋没了十多年。

1814年,德国物理学家夫琅和费制造出一台分光镜。这种仪器不仅有一块棱镜和一条狭缝,还在棱镜前面加进了一个使狭缝出来的光线成为平行光的装置,在棱镜后面还有一架精密测量光线偏转角度的小望远镜。

夫琅和费用这个装置观测了油灯光。当油灯的光线通过狭缝进入分光镜后,背景上出现了一条条像线一样的明亮线条。这种线条叫做明线光谱。在这些光谱线中,有一对靠得很近的黄色谱线非常突出。他又用酒精灯和蜡烛做实验,这时一对黄线依然存在,而且还在原来的位置上。

夫琅和费又用分光镜观测太阳,他惊异地发现,太阳光同油灯光、酒精灯光和蜡烛光的光谱截然不同,在太阳光的光谱上,不是出现一条条明线光谱,而是在红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的连续光谱上,出现了许多暗线。在1814~1817年期间,夫琅和费在太阳光里发现了500多条暗线。现在我们知道的暗线数目更多。这些暗线就叫做夫琅和费线。

这些暗线是不是偶尔在阳光里见到的呢?不是。在任何一次实验中,都可以看到。显然,它们代表了太阳上某些物质的特征。非常有趣的是,在油灯光、酒精灯光和蜡烛光中1对黄线的位置上,在太阳光谱里出现1对醒目的暗线。

为什么在油灯光、酒精灯光和蜡烛光谱里出现明线的位置上,在太阳光谱上出现暗线呢?当时无人能够回答。

火灾中衍生的太阳光谱

1850年,德国化学家本生发明了一种煤气灯,化学家们称它本生灯。由于本生灯几乎是无色的,很受化学家的欢迎。

本生像他们用本生灯炙烧试剂,可以方便地观察到,燃烧的物质不同,火焰的颜色也不相同,从而能分析试剂的成分。例如,用本生灯烧铜时,火焰呈蓝绿色;烧食盐、芒硝和金属钠时,火焰呈黄色;烧钾及其化合物时,火焰呈紫色。可是,用它烧几种物质的混合物时,火焰就分不清是什么颜色了。这个美中不足使本生感到苦恼。

1851年,本生结识了年轻的物理学家基尔霍夫,并且很快成了莫逆之交。基尔霍夫当时只有27岁。

一天,本生和基尔霍夫在一起散步,本生把自己的“苦恼”告诉了基尔霍夫。听了本生的话以后,基尔霍夫立刻想起了牛顿通过棱镜片把阳光分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续光谱的实验,想起了夫琅和费发现太阳光里有暗线光谱。

他对本生说:“从物理学的角度来看,我认为应当换一个方法试试。那就是不直接观察火焰的颜色,而应该去观察火焰的光谱,这就可以把各种颜色清清楚楚地区别开了。”

本生采纳了基尔霍夫的意见,并且两人合作来做实验。他们装置了一架简单,但比夫琅和费分光镜更完善、产生的光谱更清晰的分光镜。用这种仪器观察在本生灯上燃烧的氯化钠、钾盐、锂盐、锶盐等物质的火焰时,分别看到了氯化钠有2条明显的黄线,钾盐有1条紫线,锂盐有1条明亮的红线,锶盐有1条清楚的蓝线。真是五彩缤纷,煞是好看。

然后,他们又将这些盐混合在一起燃烧,这时,黄、紫、红和蓝等线条清清楚楚显示出来了。

令本生“苦恼”的问题解决了,科学事业向前迈进了一步,两位科学家高兴极了。本生和基尔霍夫运用的方法叫做光谱分析法。这种方法证明:每一种化学元素不仅有一种特有的线条,而且它们在光谱上的位置是固定不变的。利用光谱分析法,我们就能确定星球上含有什么成分。

在古老的大学城海德堡西面16千米的地方,有一座热闹的港口城市,它的名字叫曼海姆。1859年的一个夜晚,曼海姆失火了,火光冲天,周围的夜空被熊熊的大火照得通明。正是这场火把光谱分析法引向了太阳。当时两位科学家正在这座城里。

本生和基尔霍夫在实验室里向外眺望时,看到了这场大火。两位科学家好奇地用分光镜观察这片火海。这一看获得一项新发现:他们在曼海姆的烈火中看到钡和锶的光谱。

这一发现在本生头脑中久久萦绕。一次在郊外散步的时候,他突然想到,既然可以用分光镜来分析曼海姆的火光,为什么不能用它来探测太阳呢?

本生首先分析了在油灯光、酒精灯光和蜡烛光中都有的1对黄线。这对谱线在自然界中分布得很普遍,稍不留心就会受到“污染”。本生是个细心的实验专家,他把本生灯清洗得干干净净,才做实验。经过一系列实验,他弄清了夫琅和费发现的这对黄线是受热的钠原子。

接着,基尔霍夫研究太阳光中的这对黄线。他让一束太阳光穿过发出黄色钠光的本生灯火焰。他以为如果太阳光中一对黄线是钠原子形成的,那么这一亮一暗的谱线就会重叠抵消。然而观察到的现象使他很惊异:加入钠的火焰后,黄线更暗了。

第二天,他用氢氧焰点燃石灰棒代替太阳作光源,重做昨天实验时,并没有出现暗线。这是怎么回事?经过分析,他发现产生钠焰的本生灯温度太高了,于是他把本生灯换成酒精灯,用酒精灯制造钠焰再做实验时,实验果然成功了。

他成功地观测到了同太阳光谱上完全一致的暗的黄线。由此,基尔霍夫悟出了一个道理:太阳内部温度很高,发出的光谱是连续光谱,太阳外部温度较低,在这里有什么元素,就会把连续光谱中相应元素的谱线吸收掉而出现暗线,例如在太阳外部如果有钠元素,就会在太阳光谱中1对黄线位置上出现暗线。

于是,在1859年秋天,基尔霍夫提出2条著名的定律:

(1)每一种化学元素都有自己的光谱;

(2)每一种元素都可以吸收它能够发射的谱线。

从1860年起,基尔霍夫和本生开始精心测量元素的谱线波长,并把它们同太阳光谱进行对照。第二年,他们就在太阳光中找到了氢、钠、钙、镁、铬、镍、铜、锌、钡等元素。太阳上有的化学元素地球上都有,这表明它们有同样的起源。

看,火灾对人类认识太阳起到了多么重要的作用啊!光是什么?从牛顿开始,许多科学家探索过这个问题,牛顿认为光是一种微粒,一束光就是一串小粒子,像连珠炮似的从光源射出。而惠更斯则认为光是一种波,像水面上荡漾的波浪,一起一伏地传播。这两种针锋相对的观点,经过长期的争论,谁也说服不了谁。

19世纪,在光学研究上有所突破,这主要是发现了光的干涉(两束光互相作用,产生明暗相间的条纹)、衍射(光线不是沿直线而是绕圈子前进)和偏振(光波有一定的振动方向)。这些发现雄辩地证明光是波动的。相反,光的微粒说则无法解释这些实验事实。这个时候,波动说占了上风。

但是1887年赫兹又发现了新的现象:用紫外线照射在电压很高的极板上,就能使极板间发生火花放电。1888年,斯托列托夫重做赫兹实验时,进一步发现,在电压不高的情况下,用紫外线照在带负电的极板上,也能使极板失去电荷。这种受到射线照射而产生或失去电荷的现象,叫做光电效应。

赫兹光电效应证明微粒说是正确的,而波动说却无法解释它。1905年,物理学家爱因斯坦提出了光的量子理论,他认为物质的原子和分子发射和吸收的光并不是连续的波,而是由特殊的物质组成的一个个的微粒。这种物质微粒称作光子。

经过反复研究,大多数的人已经认识到,光同时具有波动和微粒两种性质。按照它传播的方式,它是一种波,是电磁波这个大家庭中的一个成员;按照它输送能量的方式,它是一颗颗光子。

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