太阳光谱发现史

文章转自中科院半导体所，作者：颜相宁、刘梦颖

首先，我们要鼓足勇气，正视爬山——

·爬山，是一种体育运动；

·爬山，既锻炼身体，又陶冶情操；

·爬山，让我们离太阳更近，能更强烈地感受来自太阳的温暖。

可是，在爬山过程中，心中又生出很多疑问——

为什么太阳照到身上，会感受到温暖呢？

为什么登上山顶，会更容易晒黑呢？

想知道更多的太阳光谱的故事，

那就先听物理老师从著名的光的色散实验讲起。

1

牛顿和色散的故事

1665年到1666年，因伦敦大瘟疫而被迫“居家隔离”的牛顿同学，并没有停止探究和思考。牛顿同学充分利用家里现有器材进行了各种原创性实验，一不小心，“光的色散事件”发生了。

(光的色散原理图|来源：rdzx.tuxi.com.cn)

光的色散实验让我们知道：太阳光并非单色光，而是由多种不同颜色的光混合而成的。

然而，牛顿所看到的太阳光谱，也只是组成可见光的“红橙黄绿青蓝紫”。而实际上的太阳光谱，也不是完美的连续谱。

所以，在那个时代，人类也只是揭开了太阳光神秘面纱的一个小角。

2

太阳光谱的真实面孔

完整的太阳光谱究竟是什么样子的呢？经过多年的发展，我们已经得到了更加完整的太阳光谱。虽然太阳光谱跨越了高频短波的伽马射线到几千微米波长的微波，但是，约99.9%的能量集中在紫外区、可见光区和红外区，也就是波长在0.15-4μm之间的部分。

（太阳光谱|来源：电子发烧友网）

在大气层上界的太阳光中，太阳电磁辐射的能量也是主要集中在可见光部分（0.4-0.76μm），约占太阳辐射总能量的47%；波长大于可见光的红外线（>0.76μm），约占太阳辐射总能量的46%；波长小于可见光的紫外线（<0.4μm）的部分较少，只占总量的7%左右。

但是，当太阳电磁辐经历了“重重险阻”，在被地球大气中的臭氧、水气和其他大气分子的强烈散射、吸收之后，在地面上所观测到的太阳辐射波段范围就变成了0.295～2.5μm左右。

在这个时候的太阳光谱中，可见光部分所占的能量稍有降低，而红外线部分所占的能量略有上升，紫外线部分所占的能量也随着太阳高度角的降低逐渐趋近于零。

3

赫歇尔和红外的故事

赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel，1739-1822）是英国的一位天文学家、物理学家。1781年3月，擅长磨制镜片制作的天文望远镜的赫歇尔，将镜头对准了双子星座，意外的发现了太阳系的第七颗行星：天王星。

（赫歇尔|来源：www.twword.com）

于是，声名鹊起的赫歇尔给天文爱好者制作了大量的天文望远镜，供其观察使用。可是，有些人在通过望远镜观测星体时，眼睛产生了异常强烈的灼痛感。
“不同颜色的光携带的能量是不是不同？哪种颜色的光产生的热效应最强？。。。”带着许多疑问，1800年，赫歇尔设计了一个实验，探究组成太阳光谱的不同颜色的光的热效应。
赫歇尔想到1666年牛顿用三棱镜将太阳光色散成不同颜色的光的实验，他也这样做了。他将太阳光用三棱镜色散之后，将温度计放置在不同颜色的色带处，试图测量经过不同颜色的光辐照后的温度。

（发现红外线的实验|来源：b2b.88360.com）

实验结果产生了出乎意外、难以解释的现象：在红光以外的部分，温度计测出了很高的温升。赫歇尔断定： 在红光之外，还存在着我们看不见的光。他将其命名为“红外”。
现在，我们知道了：红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760nm到1mm之间。根据波长，红外线被分为：近红外NIR，中红外MIR，远红外FIR。在不同领域，对其有不同的波长划分。

而且，红外线有着非常广泛的应用场景，不仅在医疗领域大放异彩，人们还根据其性质，制备出了夜视仪、光波炉、热成像仪等仪器设备，为我们的生产生活提供了巨大的便利。

4

里特和紫外线的故事

对称之美，不仅仅是一种视觉感受，也存在于科学家们对于科学理论的追求之中。红光之外存在看不见的红外线，在紫光之外是不是也存在看不见的紫外线呢？

这个问题引起了德国科学家里特（Johann Wilhelm Ritter，1776-1810）的兴趣。在19世纪之前，人们就已经发现，氯化银、溴化银经过加热或者光照之后，会析出黑色的银颗粒。

（里特|来源：百度百科）

直到1801年的一天，里特设计了一个实验：他用三棱镜将太阳光色散之后，获得了可见光光带。在可见光以外的成份，他将一张纸片蘸了少许的氯化银（一说是溴化银）溶液，然后把纸片放在经棱镜色散后的紫光的外侧。

过了一会儿，意料之中的事情发生了：蘸有氯化银部分的纸片变黑了。这个现象说明： 蘸有氯化银的纸片一定是受到了一种看不见的射线的照射。

(发现紫外线的实验）

为了强调这种光线是通过化学反应实验证明存在的，里特将这种光线命名为“去氧射线”，直到1802年才正式更名为“紫外线”。

现在，我们对紫外线有了更加全面的认识。紫外线是波长为10-400nm的光线，根据其波长可以分为4种：低频长波UVA，波长320-400nm；中频中波UVB，波长280-320nm；高频短波UVC，波长100-280nm；超高频EUV，波长10-100nm。
自然界中，最主要的紫外线光源就是太阳。但当太阳光透过大气层时，波长短于 290nm 的紫外线被大气层中的臭氧吸收掉了，所以在地面上能接受到的紫外线主要是低频长波和中频中波部分。

紫外线能够使照相底片感光，也具有杀菌、消毒的作用，在医学上也常被用作治疗皮肤病的手段。但人类皮肤对紫外线是比较敏感的，接触过量的紫外线会使皮肤受到伤害。所以在室外，日常防晒工作必不可少。

5

没那么连续的太阳光谱——暗线

早在1802年，刚刚放弃行医，改行科研的英国物理学家沃拉斯顿（William Hyde Wollaston，1766-1828）就发现了这些存在于光谱中的一根又一根暗线。但是，这些暗线并没有引起他过多的注意。

（沃拉斯顿|来源：story.kedo.gov.cn）

直到1814年，德国物理学家夫琅和费（Joseph von Fraunhofer，1787-1826）又在实验中发现了这种颠覆了“太阳光是连续光谱”认知的暗线。

（夫琅和费|来源：blog.sina.com.cn）

在经过色散的太阳光光谱中，他发现了许多暗线。由于具有多年从事光学仪器制造的经验，他很快意识到：这些暗线的产生，是由于某种元素对特定波长的光“选择性吸收”。

（夫琅和费线|来源：仪器信息网）

由于特定元素能够专门吸收特定波长的光，我们可以通过分析哪些光被吸收了，来了解光线在经过的路上都遇到了什么元素。由此，一个名叫“原子吸收光谱”的学科，即将悄悄诞生。

不幸的是，夫琅和费因为长期从事玻璃制造工作，导致了重金属中毒，39岁便与世长辞了。夫琅和费在他短暂却辉煌的一生中，一共发现了574条暗线，这些线也被命名为“夫琅和费线”。

6

什么是生命光线？

在太阳光谱图中，我们发现了一个有意思的光波段，它有一个非常拉风的名称——生命光线。

（太阳光谱|来源：腾讯新闻）

我们都知道，在特定的介质中，光速是相同的，与波长无关。假设光速用c表示，频率为f，波长为l，则三者的关系满足：l=c/f。即波长越长，频率就越低。

然而，每个光子的能量都是频率的正相关函数，即：E=h·f。其中，h是普朗克常量，h=6.63x10^-34j·s。所以，在组成可见光的七种颜色的光中，红光的能量比紫光低；在紫外、可见光、红外三种电磁波中，红外线的能量最低。

因为能量较低的红外线的能量正好处于分子振动的能级，根据能量守恒定理，原子、分子吸收了红外线的能量后便会震动加剧，内能增加，温度也就随即升高了。

根据物理学中两种相同频率的波能够形成共振，波长为8-15μm的远红外线通过皮肤及皮下组织，能够与人体组织细胞中的水分子产生共振吸收的现象，从而加速血液循环、提高免疫力，产生促进人体健康的效果。因此，波长约在8-15μm的红外线也被称为生命光线。

7

一起去爬山吗？能晒黑的那种

我们发现一个有趣的现象，处于海拔比较高的地方的人，普遍比处于同纬度低海拔地区的人要黑一些。

甚至，在艳阳高照时爬山溜一圈，也很容易被晒出一身黝黑。其实，这主要是紫外线中的低频长波UVA作祟的结果。

在海拔高的地方，尤其是大气层稀薄的地方，波长约为320-400nm的UVA的穿透能力很强，到达地表的也更多。当其接触人体真皮层后，就会直接激发黑色素细胞产生黑色素，皮肤也就随之变黑了。

所以，暑期将至，如果想在晴空万里、艳阳高照的日子里爬山，一定一定要做好防晒哦～～

（素材来源：搜狐网）

参考文献：

[1] 气象百科：太阳光谱。

[2] 太阳光谱的探索[DB/OL]. 2018-02-26. https://wenku.baidu.com/view/

e25d4510a36925c52cc58bd63186bceb18e8ed01.html.

[3] 曾理. 关于不同海拔的太阳辐射计算[D].中国科学技术大学,2015.

[4] 顾吉林. 典型天气大气辐射传输特性研究[D].大连海事大学,2012.

[5] 王亚吉. 太阳辐射光谱的测量与应用研究[D].南京信息工程大学,2011.

[4] 金婧. 山上和海边哪里比较容易晒黑?[J].新知客, 2006(9).69.

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