元素追緝令: 光譜線就是元素的指紋！

量子英雄傳說 第一季 第六集：安德斯·約納斯·埃格斯特朗（Anders Jonas Ångström，1814年8月13日－1874年6月21日）

前幾回，我們詳細述說了科學家如何破解黑體輻射的秘密，也知道藏在裡頭的神奇關係式：E=hν，在那裡出現了一個新的物理常數，普朗克常數。這一回，我們回到一開始介紹的太陽光譜，看看這個令人不解的神秘現象，與量子這個概念，會有什麼不可思議的奇特關聯。這一次我們要介紹的是在夫朗和斐發現太陽光譜吸收譜線的那一年，1814年，出生於瑞典的光譜學家埃格斯特朗。

埃格斯特朗生於瑞典北部的蒂姆羅市，之後和家人遷往烏普薩拉。北歐最古老的大學之一烏普薩拉大學成立於1477年，烏普薩拉也因此聞名。埃格斯特朗青年時期就讀於這所大學。1839年時成為烏普薩拉大學講師（Docent）。1842年埃格斯特朗前往斯德哥爾摩天文台任職，以增進天文觀測實務經驗；翌年至烏普薩拉天文台進行研究。這個天文台是由安德斯·攝爾修斯（Anders Celsius，1701年11月27日－1744年4月25日）於1741創立的。我們現在用的攝氏溫標就是攝爾修斯發明的，只是他最早的溫標是以水的沸點為0度，而冰點則為100度。後來，這個溫標於1745年由卡爾·林耐把它倒過來，並一直沿用至今。

埃格斯特朗的興趣頗為廣泛，他不只是位傑出的語言學家，甚至聽說還會翻譯亞述帝國的楔形文字呢。他對地磁場也頗感興趣，所以觀測了瑞典各地的地磁強度和磁偏角，這些觀測都受到瑞典皇家科學院的資助。1840年代德國哥廷根的高斯與韋伯致力於描繪地磁的地圖，埃格斯特朗應該也是受到這股風潮的影響吧。他的地磁觀測數據是來自瑞典軍艦「Eugénie」於1851到1853年間環繞世界時量測的。但是整理這些數據的任務卻是直到他去世前不久才完成的。

但是真正讓埃格斯特朗留名青史的，還是他的光譜研究。1852 年，埃格斯特朗發表了一篇論文，列出一系列物質的光譜，並指出每一種特徵光譜都是某一種元素的特定標誌。換句話說，光譜正像人類的指紋一樣，各種金屬元素所發射的光譜線的數目﹑強度和位置都不一樣，因此可以由光譜的分析來檢驗金屬元素的種類，而且可以由各元素譜線的相對強度來判斷混合物中各種元素的相對含量。

他於1853年於瑞典皇家科學院演講的《Optiska Undersökningar》則是他的主要光學研究成果。埃格斯特朗指出電火花會產生兩個重疊的光譜，其中一個光譜來自金屬電極，另一個光譜則來自電火花通過的氣體。根據大數學家萊昂哈德·歐拉的共振理論，一個具有特定頻率的振子，受到相近頻率的外力時，振子會振盪的特別厲害，也就是振子會從外界吸收能量，所以埃格斯特朗根據這個理論，大膽提出一個主張，那就是白熾氣體發出的光線與它吸收的光線應該具有相同的波長，但是在當時沒有受到應得的重視。那是因為他把一些最重要的發現，像是太陽光譜對金屬光譜線的重要性，僅僅放在腳註中表述。所以僅管他這次演講的內容包含了基本的光譜分析原理，但是卻要等上許久才得到學界的認可。

將近二十年後，埃格斯特朗在1872年獲得拉姆福德獎章時，時任皇家學會會長艾德華·賽賓（Edward Sabine）在頒獎典禮時特別又強調了一次，雖然他的這些工作被忽略了數年時間，埃格斯特朗仍被認為是光譜學的一位重要的奠基者。

埃格斯特朗在1858年接替阿道夫·費迪南德·斯萬貝里（Adolf Ferdinand Svanberg），成為烏普薩拉大學物理系主任。1861年時埃格斯特朗將注意力集中在太陽光譜。他把光譜儀和攝影結合在一起研究太陽系天體，並且隔年他宣稱太陽表面存在著氫元素，因為埃格斯特朗從氣體放電的光譜中確定了氫的H_α譜線，也就是下圖中那條鮮紅的譜線，而且證明它就是夫朗和斐在太陽光譜中發現的C線。之前，克希荷夫與本生也發現太陽光譜中的暗線與鈉的放射光譜線波長相同，也確認太陽中有鈉存在。但是氫是第一個被確認存在於太陽中的氣體元素。

埃格斯特朗於1867年首次觀測北極光的光譜，並且偵測和量測了極光光譜中黃綠色區域的明亮譜線，後來常以埃格斯特朗的名字來稱呼，雖然他誤以為這條譜線在黃道光也可見到。所謂黃道光（Zodiacal light）是指在夜空中靠近太陽的地方，沿著黃道或黃道帶泛出略呈三角形的白色微光。黃道光是被散佈在太陽系內的塵埃粒子反射的太陽光，因此其光譜與太陽光是相近的。

1868年埃格斯特朗在他的著作《太陽光譜研究Recherches sur le spectre solaire》中發表了標準太陽光譜圖表，詳細記錄了太陽光譜中超過千條譜線的波長，以10^-10米為單位，這些數據成為當時的國際標準。今日我們的長度單位「埃」（十億分之一公分），就是以他的姓氏命名的。該單位於 1905 年在牛津被國際採用。特別要提醒各位的是它的縮寫 Å 上頭有個圓圈，千萬不能省，因為這不是英文，而是瑞典文的字母呀!

除了著名的氫的H_α譜線之外，埃格斯特朗還找到了氫原子光譜另外三根在可見光波段內的譜線，即H_β、H_γ、H_δ譜線，並精確測量了它們的波長。

這四條光譜線的波長精確值將是下一回的主題，請務必牢記在心！

不過埃格斯特朗的量測有著1/7000到1/8000的誤差，因為他用的瑞典公尺比標準的法國公尺短了一點點！在這項工作中發現瑞典標準米與法國標準米相比太短了 0.190 毫米。這樣做的一個直接後果是所有埃的波長值都有 0.013% 的誤差。

科學家從太陽光譜找到了氫，以及鈉存在的證據，但是更有趣的是在1868 年十月的某一天，同時有兩人分別向巴黎科學院提出報告，聲稱在太陽光譜中又發現了新的光譜線。其中一位是法國天文學家讓森 (P.Janssen 1824-1907 左)，另一位是英國皇家物理天文台台長洛克伊爾(J.N.Lockyer 1836-1920 右)，他倆都是研究太陽黑子與日珥的專家，在那一年八月的一次日全蝕時，他們觀察到日珥光譜中有一條與「鈉 D-雙線」不同的黃色光譜。讓森原稱之為「D-3 線」，波長588nm，以別於鈉的 D-1 與 D-2 雙線，但洛克伊爾堅持那應該是一種未知元素的譜線。並依「太陽」的希臘語「helios」而將它命名為「Helium」，中譯為氦。雖然光譜已經被克希荷夫與本生拿來發現新元素，但是那是從手邊的樣品產生新的光譜線，但是這一次卻是單單從太陽發出的光譜來宣稱新元素，算是第一遭，拿光譜線來追新元素，追到地球以外，這也是頗值得大書特書的一件事。不過門得列夫的元素周期表在1870年問世時，完全沒有氦的容身之處，這讓大部分科學家對氦是否存在愈發懷疑了。

埃格斯特朗於1874年在烏普薩拉因腦膜炎過世，除非地下有知，否則自然無緣得知後續的發展。他過世後七年，義大利物理學家路易吉·帕爾米耶里（Luigi Palmieri）在分析維蘇威火山的岩漿時赫然發現了氦的D3線，這是氦在地球上的首次發現的記錄，但是科學界要再等十三年，才終於讓氦元素現出原形。 1894 年，英國劍橋大學的物理學家瑞利男爵 (J.W.S.Rayleigh 1842-1919) 與倫敦大學的化學家W. Ramsay (1852-1916) 從空氣中發現了氣體「氬」，它的性質跟所有已知元素完全兩樣，無法歸屬於週期表上，表示週期表可能還有一整族元素都還沒被發現。到了1895年時，他倆分析從非晶鈾礦所釋放的氣體的光譜時，竟看見了 27 年前在太陽光譜中的所發現的那條 D-3 線！原來那種洛克伊爾所極力主張的﹑稱為「氦」的元素的確存在，而且就在地球上!在拉姆齊分離氦之前，美國地質化學家威廉·弗朗西斯·希爾布蘭德（William Francis Hillebrand）同樣注意到一份瀝青鈾礦樣品中的一條不尋常的譜線，並從中分離出氦；但他認為這些譜線來自氮氣。他致拉姆齊的賀信是科學史上的一個與重大發現擦身而過的有趣例子。

無獨有偶的是，1895年瑞典的兩位化學家皮·特奧多爾·克利夫（Per Teodor Cleve）和尼爾斯·朗勒特（Abraham Langlet）也從瀝青鈾礦中分離出氦。他們收集的氦足以測定這一元素的原子量。在1903年，在美國發現大存量的天然氦氣井，直到現在依舊為氦氣的最大供應商。

雖然光譜分析讓科學家能夠發現太陽的組成，但是，這些元素為什麼會發出這些特殊波長的光譜線? 這個謎題從夫朗和斐開始，就一直困擾著當時的才智之士，而第一個著手破解這個謎題的人，居然不是物理學家，而是女子中學的一位數學老師！下一回，量子英雄傳說要為各位好好介紹這一位，非常另類的量子英雄，敬請期待！

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