物質(zhì)能夠發(fā)射光，也能吸收光。在天文學(xué)領(lǐng)域中，光的吸收現(xiàn)象相當(dāng)普遍，例如由恒星發(fā)射的一束白光（連續(xù)波長的光）穿過氣體或塵埃時(shí)就會發(fā)生吸收。對于一束白光來說其吸收特征與其光源幾乎無關(guān)，只和光穿透的物質(zhì)有關(guān)，這一性質(zhì)奠定了吸收光譜法的基礎(chǔ)。

在對一束穿過被測物的白光進(jìn)行光譜分析時(shí)，科學(xué)家觀察從短波長波不同波長的光，即“連續(xù)光譜”，連續(xù)光譜中缺失的顏色，也就是連續(xù)光譜上的“暗線”，這些暗線的位置（波長）就蘊(yùn)含著被測物的信息。

光譜分析的歷史可以追溯到1802年，當(dāng)時(shí)一名英國的化學(xué)家威廉·海德·沃拉斯頓第一次記載了太陽光中存在的吸收光譜。當(dāng)時(shí)沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽的連續(xù)光譜中有幾條暗線，將光譜分割成了幾段，然而這一奇怪的現(xiàn)象并未引起他的重視。

1814年，德國的眼鏡師約瑟夫·馮·夫郎和費(fèi)利用他發(fā)明的分光儀觀察到了同樣的暗線，并立即著手測量這些暗線的波長，記錄下了574條太陽光中的暗帶。這些暗線后來被稱為“夫郎和費(fèi)線”

到了1859年，德國物理學(xué)家古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫提出的理論認(rèn)為，夫郎和費(fèi)線源于太陽大氣中的元素，即太陽中發(fā)出白光的元素同時(shí)也特征性地產(chǎn)生了夫郎和費(fèi)暗線，每一條線都特定對應(yīng)著太陽大氣中的某種元素。

基爾霍夫?qū)⑦@種不連續(xù)光譜命名為“吸收光譜”，但當(dāng)時(shí)他并沒能研究出物質(zhì)吸收特定波長光的原因。

1860年，意大利天文學(xué)家喬瓦尼·巴蒂斯塔·多納蒂突發(fā)奇想將觀察光譜的分光鏡裝到天文望遠(yuǎn)鏡上，并用這臺改裝儀器觀測了接近當(dāng)時(shí)已知的十五分之一的恒星，于三年后將這一龐大的觀測數(shù)據(jù)公之于眾。在實(shí)行計(jì)劃的三年間他得到了各有專攻的數(shù)個(gè)天文愛好者的支持，包括英國的威廉·赫金斯，美國的劉易斯·莫里斯·盧瑟福還有意大利的安杰洛·薩奇。

然而就是這樣一伙“二流隊(duì)伍”，給光譜分析理論帶來了革命性的進(jìn)展，他們首次將光的“發(fā)射”和“吸收”劃分為兩種現(xiàn)象。也就是說，發(fā)射光和吸收光分別包含著不同的信息。這一進(jìn)展很快得到了許多科學(xué)家的認(rèn)可，最終使得吸收光譜學(xué)從主流天文學(xué)中分離出來，變成了新的學(xué)科。盡管如此，吸收光的微觀機(jī)理仍然是個(gè)謎。

這個(gè)謎團(tuán)一直困擾人們直到1913年。丹麥物理學(xué)家尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾的研究進(jìn)展從原子層面揭示了吸收光譜的秘密。玻爾建立的原子理論模型包含帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核，這些電子占據(jù)著原子核周圍的特定軌道。隨著時(shí)間推移，電子會逐漸遠(yuǎn)離原子核，其攜帶的能量也越來越高。為了達(dá)到更高的軌道，電子必須獲得與軌道相對應(yīng)的能量。玻爾認(rèn)為這些能量來源于某種形式的“光量子”，正如普朗克、愛因斯坦理論中的“量子”，也就是說這些“光子”帶來了電子提升軌道所需的特定能量。這一過程就是光的吸收，由于不同元素、不同電子、不同軌道具有的能量千差萬別，電子吸收的光子也千差萬別，因此產(chǎn)生了特征吸收光譜。

這一發(fā)現(xiàn)很好地解釋了恒星（如太陽）發(fā)射的白光（連續(xù)光）穿透低溫的氣體云時(shí)發(fā)生的吸收現(xiàn)象，也就是天文學(xué)家們觀察到的“暗帶”。正因?yàn)槊糠N元素的電子具有特征性的軌道能量，所對應(yīng)的光量子能量不同，而能量與波長相關(guān)，才出現(xiàn)了元素的特征波長吸收現(xiàn)象。

正因吸收光譜的特征性，通過吸收光譜法，我們可以在遙遠(yuǎn)的距離，僅僅通過測量吸收光譜，得知千萬光年外一顆星球大氣的元素組成，這就是現(xiàn)代天文學(xué)家的千里眼、“透視掛”。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. 120mm M256-astro-canada

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