光學的發展促進了天文的進一步的發現,從望遠鏡技術的提升到光譜明暗線的發現,故事既精彩又振奮人心,請你將你知道的光譜的知識用你的方法整理一下吧!其中包括重要的人物、事件、觀念與儀器。

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  1. 所有紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七色光都是本質相同的電磁波,唯一的差異只是波長不同,紅光波長最長,約7500埃(1埃=一億分之一公分),紫光波長最短,約 4000 埃左右。這是人類視覺感官所能看見的範圍,稱為可見光 (Visible Light,簡寫為 VIS)。至於在這可見光譜的兩端既是人類眼睛所不可見,也就沒有人想到要去探究它了!
    1800年,德裔英國天文學家威廉.赫歇爾爵士(Sir WilliamHerschel 1738-1822) 做了一個有趣的實驗,他將一個非常靈敏的溫度計放在經稜鏡色散開來的光譜中,測量各色光的溫度。結果發現愈向紅光方向溫度愈高,而且超出紅光後,在沒有色光的地方,溫度還繼續升高,他推斷在紅光之外一定還有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光,就這樣發現了波長比紅光更長的「紅外線」(Infrared,簡寫為 IR)。紅外線具有較強的熱效應,因此也叫「熱線」。
    紅外線發現的第二年,1801年,德國的物理學家里特爾 (J.W.Ritter 1776-1810) 研究氯化銀的光敏現象,發現氯化銀如一般所知的,在可見光照射時會分解,但當暴露在可見光譜的紫端外側時,分解得更快。他因而推斷在紫光之外一定也有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光,那就是波長比紫光更短的紫外線(Ultraviolet,簡寫為 UV)。紫外線具有較強的化學效應,所以也叫「化學線」。
    1864 年,蘇格蘭物理學大師馬克士威 (J.C.Maxwell 1831-1879) 綜合庫侖、安培及法拉第的電磁場概念,以一套完整的合於邏輯的數學方程式,發展出重要的電磁學理論,預言了電磁輻射的存在,指出電磁輻射是藉波動型式以光速傳播,並將光視為一種電磁波。1888 年,德國物理學家赫茲 (H.R.Hertz 1857-1894) 在實驗室中產生了無線電波,測其波長和速度,發現其振動性以及反射、折射等特性皆與光波、熱波等毫無二致,而證明了馬克士威的理論-光和熱都是電磁輻射的一種型式。即光、熱以及其他各種電磁輻射,包括後來發現的、波長比紫外線更短的X光、伽馬射線以及宇宙射線等,本質上都是相同的,都是電磁波,只是波長不同而已。

  2. 複色光中有著各種波長(或頻率)的光,這些光在介質中有著不同的折射率。因此,當複色光通過具有一定幾何外形的介質(如三稜鏡)之後,波長不同的光線會因出射角的不同而發生色散現象,投映出連續的或不連續的彩色光帶。

    日光被三稜鏡分色這個原理亦被應用於著名的太陽光的色散實驗。太陽光呈現白色,當它通過三稜鏡折射後,將形成由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫順次連續分佈的彩色光譜,覆蓋了大約在390到770奈米的可見光區。歷史上,這一實驗由英國科學家艾薩克·牛頓爵士於1665年完成,使得人們第一次接觸到了光的客觀的和定量的特徵。
    http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E5%85%89%E8%AD%9C&variant=zh-tw

  3. 十七世紀時,牛頓在一間暗室中藉著一個小孔引入一束陽光,並將這束陽光透過一個三稜鏡照射在牆上,驚訝的發現原來被視為白光的陽光被分成如彩虹般的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七色,他把這展開的七色光稱為光譜(Spectrum)。稍後,牛頓又把另一個三稜鏡放在第一個三稜鏡後
    面,那七色彩虹又還原成原來的陽光,這驗證彩紅七色是源自太陽光的特性,不是稜鏡的特質。
    陽光透過三稜鏡形成的七色虹彩,與我們在天上看到的彩虹顏色是完全一樣的。大氣中的水滴類似一個個微小的三稜鏡,陽光藉著水珠散成美麗的彩虹。
    太陽光無論是透過牛頓的三稜鏡或者是小水滴,形成彩虹光的原因都如同牛頓於1672 年在倫敦皇家學會上發表的第一篇論文「光和色的新理論」中所談到:日光原是各種色光混合而成的,由於各色光的折射率不同,所以通過三稜鏡時被色散開來。紅光折射率小,不易偏向;紫光折射率最大,最易偏向。
    今日我們已知所有紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七色光都是本質相同的電磁波,其唯一的差異只是波長不同,紅光波長最長,約 7000 埃 (1 埃= 一億分之一公分),紫光波長最短,約4000埃左右。這是我們人類視覺感官所能看見的範圍,稱為可見光。
    http://www.sec.ntnu.edu.tw/present/TDlab/999/%A5%FA%C3%D0%A4U%AA%BA%AA%E1%AA%E1%A5@%AC%C9.pdf

  4. 光譜的發現

    光譜研究的鼻祖是鼎鼎大名的科學家牛頓,1663 年,當他還是一個劍橋大學 21 歲的大學生時就開始研究色與光的問題。三年後,他做了有名的三稜鏡光散射實驗,將一束太陽光經一塊三角形玻璃稜鏡折射後,在牆上分布成紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色的彩色光帶。當再倒放一個三稜鏡於第一個三稜鏡後面時

    ,各顏色又重新組合成為一束白光。

      1672 年,在倫敦皇家學會上發表的第一篇論文「光和色的新理論」中,牛頓將這種彩虹色帶命名為光譜 (Spectrum),並正確的解釋了它的成因:日光原是各種色光混合而成的,由於各色光的折射率不同,所以通過三稜鏡時被色散開來。他的說法澄清了亞理斯多德以來對於色與光的種種臆測與妄斷。其實牛頓並不是第一位觀察到這種色散現象的人,早在西元一世紀時,羅馬最偉大的政治家兼哲學家西尼卡 (L.A.Senica 4 BC-65 AD),就曾在他歸類整理的七卷「自然界問題」中提到,當陽光照過一塊角形的玻璃時,會呈現彩虹

    的全部顏色,只是西尼卡認為那是玻璃將白光「著色」的結果。

    今日我們已知所有紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色光都是本質相同的電磁波,其唯一的差異只是波長不同,紅光波長最長,約 7500 埃 (1 埃= 一億分之一公分),紫光波長最短,約 4000 埃左右。這是我們人類視覺感官所能看見的範圍,稱為可見光 (Visible Light,簡寫為 VIS)。至於在這可見光譜的兩端還有什麼,既是人類眼睛所不可見,也就沒有人想到要去探究它了!

    事隔一個多世紀,到 1800 年,德裔英國天文學家威廉.赫瑟爾爵士 (Sir WilliamHerschel 1738-1822) 做了一個有趣的實驗,他將一個非常靈敏的溫度計放在經稜鏡色散開來的光譜中,測量各色光的溫度。結果發現愈向紅光方向溫度愈高,而且超出紅光後,在沒有色光的地方,溫度還繼續升高,他推斷在紅光之外一定還有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光,就這樣發現了波長比紅光更長的「紅外線」(Infrared,簡寫為 IR)。 紅外線具有較強的熱效應,因此也叫「熱線」。

    說起赫瑟爾這個人可真不簡單,他原是一名風琴師,中年後熱中於天文研究,以自製的高倍率望遠鏡觀測星空,在 1781 年發現了天王星而名噪一時。在四十多年孜孜不倦的「日有所思,夜有所見」的鑽研中,發展出「宇宙群島論」與「天體演化論」,並發現了天王星的兩個衛星﹑土星的兩個衛星﹑2500 個以上的星雲﹑星團,以及近 850 顆雙星。其妹卡洛琳 (Caroline.L.Herschel 1750-1848) 以及他也受封爵的獨子約翰.赫瑟爾 ( Sir John Herschel 1792-1871),都是獨當一面的大天文學家,對天文學的發展各有許多重大的貢獻,倍受尊敬與推崇。大英與大美百科全書皆各有列傳。

    紅外線發現的第二年,1801年,德國的物理學家里特爾 (J.W.Ritter 1776-1810) 研究氯化銀的光敏現象,發現氯化銀如一般所知的,在可見光照射時會分解,但當暴露在可見光譜的紫端外側時,分解得更快。他因而推斷在紫光之外一定也有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光,那就是波長比紫光更短的紫外線(Ultraviolet,簡寫為 UV)。紫外線具有較強的化學效應,因此也叫「化學線」。其實里特爾最大的專長是電化學,1800 年伏打電池剛發明,他就首先利用它來進行電鍍,1802 年又首先製造出乾電池,次年更發明一種蓄電池,可惜天不假年,因貧病交迫,以 33 歲的英年辭世。

    1864 年,蘇格蘭物理學大師馬克士威 (J.C.Maxwell 1831-1879) 綜合庫侖﹑安培及法拉第的電磁場概念,以一套完整的合於邏輯的數學方程式,發展出重要的電磁學理論,預言了電磁輻射的存在,指出電磁輻射是藉波動型式以光速傳播,並將光視為一種電磁波。1888 年,德國物理學家赫茲 (H.R.Hertz 1857-1894) 在實驗室中產生了無線電波,測其波長和速度,發現其振動性以及反射﹑折射等特性皆與光波﹑熱波等毫無二致,而證明了馬克士威的理論-光和熱都是電磁輻射的一種型式。即光﹑熱以及其他各種電磁輻射,包括後來發現的﹑波長比紫外線更短的X光﹑伽馬射線以及宇宙射線等,本質上都是相同的,都是電磁波,只是波長不同而已。

    現在我們有依波長大小或頻率高低排列的「全電磁輻射光譜」。若由波長大的開始,則第一個是無線電的長波,以下依次是中波﹑短波﹑微波﹑IR﹑VIS﹑UV﹑X射線﹑伽馬射線,最後是宇宙射線。但要注意,其實在各種輻射之間並沒有真正的分界線,其間的變化乃是重疊與漸轉的。

    馬克士威在物理學史上的地位相當崇高,他是承先啟後的關鍵人物,上承牛頓﹑下啟愛因斯坦,他所發展的電磁場理論成為以後所有場論的模式。他還導出氣體分子速度與能量的分布律,對氣體動力論與統計物理學有重大貢獻。赫茲是第一位播出並接收無線電波的科學家,他的發明與發現應用在今日的廣播﹑電視與無線電通訊各方面,對人類的現代化生活有無比重大的貢獻,我們將他的大名用做波動頻率的單位,每秒一次稱為一赫茲,簡稱一赫,寫成 Hz,如收聽電台廣播,就常聽到報台時說:這裏是某某電台,中波週率幾千赫,或調頻週率幾兆赫等等。

    http://tw.knowledge.yahoo.com/question/?qid=1405102401684

  5. 早期(約 1814 年)科學家由太陽光譜的觀察發現某些元素會吸收譜線,進而瞭解熱的物體(包括熱的固體、液體或高密度氣體)都會發出「連續光譜」、照射激發低密度氣體則會發出「放射光譜」、連續光經過低溫且低密度氣體會呈現「吸收光譜」的事實(圖 1)。而在星光觀測時(1823 年)也發現相同譜線,促使天文學家對於星球光源的組成成份和光傳遞到我們地球的過程,有了理論的依據和探究星球與星雲組成元素的方法。又從恆星和我們地球連線間的相對運動,所造成「都卜勒效應」在光譜上的「紅位移」(遠離我們而去)與「藍位移」(接近我們而來)現象,推斷出宇宙正在膨脹中。
    20世紀初,美國哈佛大學天文台對50萬顆恆星進行了光譜研究。他們根據恆星不同的譜線進行了分類,結果發現他們與顏色也有關係。
    http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%81%86%E6%98%9F%E5%85%89%E8%AD%9C
    http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/88/141/11.htm

    蓝色:“O”型
    蓝白色“B”型
    白色:“A”型
    黄白色:“F”型
    黄色:“G”型
    橙色:“K”型
    红色:“M”型

  6. 19 世紀初,德國光學物理學家夫朗和斐 (Joseph von Fraunhofer, 1787 – 1826) 於 1814 年在慕尼黑首倡光譜學的研究。夫朗和婓利用自製成的第一台分光鏡 (上左圖) 來研究太陽光譜,他發現太陽光譜中有十多條非常清晰的暗線,在這些主要暗線之間還存在著 574 條 (目前已知者有好幾千條) 較微弱的暗線,這些暗線後來被稱為「 夫朗和婓線 」。夫朗和婓發現了這些現象,但卻無法作出解釋。直到 1859 年德國化學家本生 (R. W. Bunsen, 1811 – 1899) 和物理學家克希何夫 (G. R. Kirchoff, 1824 – 1887) 發明了光譜分析術,克希何夫還提出兩條著名的「克希何夫定律」: (1)每一種化學元素都自己的光譜;(2)每一種元素都可以吸收它能夠發射的譜線。運用這些發現,克希何夫和本生將「夫朗和婓線」和一些元素的譜線進行對照,很快証明了太陽上有氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素,後來別的人又在太陽大氣中發現了許多其他的元素。如氦元素是應用光譜分析術首先在太陽上發現後來才在地球上找到的。夫朗和斐的光譜研究例證,右上圖是銅 (Cu) 原子光譜,右下圖是鈣 (Ca) 原子暗線光譜,可明顯地看出不同的原子發出不同的光譜。
    http://aeea.nmns.edu.tw/2002/0209/ap020911.html

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