光的奇妙源自星辰

仰望夜空，繁星点点。星星都是由什么组成的呢？每颗星的颜色不同，是因为其组成元素不同。那么科学家们怎么知道组成星星的是什么元素呢？嘿，是光！通过观测每颗星的光谱，科学家们可以判断这颗星的元素组成；通过分析光谱，他们可以研究星体的化学成分、温度、密度、磁场等性质。一个著名的例子就是“太阳元素”氦的发现。今天我们就一起来了解一下这里面有什么故事吧。

牛顿研究光谱

1666年，著名的英国科学家艾萨克·牛顿研究了光的色散效应。当时，牛顿在一个小房间里把遮光的百叶窗关上，在窗叶上开了一个小孔（像墨子做的小孔成像实验一样），阳光透过小孔投射到房间里。他在光线下放置了玻璃棱镜，由于不同波长的光线折射角度不同，混合了各种波长的阳光被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫如彩虹般的颜色——这就是太阳光谱。光谱中的颜色是连续渐变的，当时数字7被认为具有神奇的功能，于是牛顿就用了七色来表达光谱。但是在接下来的100年间，人们并不知道光谱究竟有什么用处。

光谱仪是谁发明的

直到1802年，剑桥大学的威廉·海德·沃拉斯顿（WilliamHydeWollaston，1766—1828）教授发现光谱中有暗线。沃拉斯顿在家中的17个兄弟姐妹中排行第二。他的父亲是一位牧师，也是一位业余天文爱好者，还编过一本星图。父亲培养了他的科学爱好，因此尽管获得了剑桥大学医学博士学位，沃拉斯顿后来还是决定专攻科学。作为当时英国最有名的科学家之一，他担任过英国皇家协会的秘书和代理主席，有许多发现与发明，比如发现了元素钯（bǎ）和铑（lǎo）。他精通炼金术，特别是炼出了俗称白金的铂（bó），并因此致富。沃拉斯顿仔细观察太阳光谱，发现光谱中有些暗线并记录了其中比较明显的7条。这又是一个神秘的数字“7”！

几乎同时，德国科学家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（JosephvonFraunhofer，1787—1825）也观测到了光谱中的暗线。弗劳恩霍夫是一位镜片磨制高手，他出生于贫穷的玻璃匠家庭，姓名里的这个“冯（von）”字在德语中是贵族头衔，是他成名后才加上去的。弗劳恩霍夫11岁时父母双亡，只好去一家玻璃店当学徒。1801年，玻璃店失火。当地的公爵带人去救火，把他从废墟里救了出来，还出资送他去技校上学，彻底改变了他的人生。毕业后，他进入慕尼黑一家科学仪器公司工作，开发了许多先进的工艺和设备。他为俄国科学院制造的天文望远镜为后来发现海王星奠定了基础。当时高倍望远镜会出现“色差”，原因是镜片边缘的折射会产生彩色光晕。于是在1812至1814年间，弗劳恩霍夫致力于研究色差，这期间，他注意到太阳光谱暗线的存在，一下子精确测量出了324条，并用拉丁字母标记了较突出的谱线——后人称其为“弗劳恩霍夫线”。今天，人们已经发现了光谱中的3000多条暗线。

但这些暗线是怎么来的呢？这要从德国化学家罗伯特·威廉·本生（RobertWilhelmBunsen，1811—1899）讲起。1857年，本生发明出能产生高温火焰的本生灯，并发现不同物质在燃烧时会发出不同颜色的光。他注意到光谱中的D线和火焰光谱中的一条暗线重合，后来证明是钠元素的吸收光谱。后来，他与好友科学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（GustavRobertKirchhoff，1824—1887）共同制成了世界上第一个分光光谱仪。这个光谱仪用本生灯（D）加热待测量的物质，火焰经过望远镜（B）传到黑箱（A）中。黑箱内放置一个三棱镜（F），三棱镜可以通过调节棒（H）调节位置。黑箱的另一侧是观察望远镜（C）。

发现新元素

后来，德国的基尔霍夫和本生利用光谱仪发现了铯（Cesium）和铷（Rubidium）两种新元素。其中发现铯的故事有点儿像居里夫人发现镭。本生发现有种矿泉水与纯水的光谱不同，带一条暗线——这意味着水里存在另一种元素。于是本生处理了40多吨矿泉水，提取出了约7克铯盐。铯在28.5℃以上时是一种金色液态金属。后来，科学家们利用光谱仪陆续发现了多种元素。

基尔霍夫还突破性地发现太阳光谱中的暗线是由于太阳大气中较冷的气体吸收了特定波长的光而产生的。因此，这些暗线有了新名字——吸收光谱。与之对应的是谱线亮丽的发射光谱——这是相应元素的原子发射出的各种颜色、波长频率不同的谱线。

氦素现身

1868年8月18日，法国天文学家皮埃尔·让森（PierreJanssen）到印度去观察日全食，利用分光镜观察日珥，结果在光谱中发现一条黄色谱线，接近钠黄光的D1（589.6纳米）和D2（589.0纳米）线。在日食后，他又在太阳光谱中同样观察到了这条黄线，于是把它称为D3线，谱线位置位于587.49纳米。

两个月后的1868年10月20日，英国天文学家诺曼·洛克耶（NormanLockyer）经过进一步研究，发现这条谱线是一条不属于任何已知元素的新线。洛克耶和英国化学家弗兰克兰（E.F.Frankland）认为这种物质在地球上还没有被发现，于是把这个新元素命名为Helium（氦），源自希腊语helios（太阳，ήλιος），元素符号定为He，意思就是“太阳的元素”。但是，1869年，俄国著名科学家门捷列夫发表元素周期表时，氦并没有上榜，可能是因为当时信息交流并不便利。

地球缺氦

氦是宇宙中第二轻且含量第二多的元素，大约占宇宙元素质量的24%。但是在地球上，氦元素非常稀有！氦在地球大气中的体积占比仅有百万分之五左右。不巧的是，氦气对于现代社会恰恰又非常重要。它被广泛应用于航空、航天、半导体等尖端科研领域，是国防军工和高科技发展所必需的战略性物资。

氦气是一种重要的战略资源，但是全球供应又非常集中。世界氦气总资源量截至2022年年底约为484亿立方米，其中美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯拥有的资源量分别为171、101、82、68亿立方米。氦气的世界总探明储量约为120.85亿立方米，其中美国的储量占世界总储量的71%（美国地质勘探局2022年数据）。

中国的氦资源更是非常紧缺，每年的氦气需求高达4000吨，95%以上都需要进口。在2019年的中美贸易战中，氦气的关税从5.5%提高到10.5%，中国只能加大卡塔尔的氦气采购量，但卡塔尔没有自主技术，严重依赖美国。不过，中国科学家们经过地质勘探，已经在国内发现了丰富的氦资源，目前正在从煤层气等资源中开采和提炼氦气。

宇宙形成之初，氦可能被封印在地球内部。虽然后来地球上铀和钍衰变产生的氦-4（4He）同位素稀释了原始地球的氦-3（3He），但地球上绝大部分氦-3依然来源于太阳星云。有研究表明，地球之初表面还是一片炽热的岩浆海，溶解了高压大气中的氦。一部分氦可能就此储存在了地幔，还有一小部分能够进入地核，但是，45亿年前的忒伊亚大撞击释放了地幔中的氦-3，撞击抛出了一部分形成了月球的雏形。当时由于地壳的广泛熔化，撞击使地幔中的大部分氦气逃逸到了太空。

向太空进发

人们憧憬星际旅行，未来进入太空就少不了氦气的保驾护航。月球是距离地球最近的天体，是人类走向宇宙深远空间的前哨站和试验场。幸运的是，离人类最近的天体——月球上富含氦元素。月球作为太阳风的粒子收集器，长期接受太阳的照射，月球风化层中注入了大量的挥发性元素和同位素，如有用气体元素氢、氦-3、碳和氮。由于月球本身没有磁场，所以氦-3能在月球稳定存在，而地球因磁场作用使氦-3沿着地球磁力线慢慢扩散，最终在大气中消失。月球上丰富的氦-3资源存于月壤矿物和玻璃中，例如钛铁矿是一种紧密排列的六边形晶体结构，其孔洞尺寸与氦-3原子尺寸基本相同，所以氦-3资源集中存于富钛铁矿的月壤中。

随着人类对月球探索的不断深入，开发利用月球矿产资源并将其用于月球基地建设和后续太空探索已成为我们新的研究课题。建成月球基地，然后，我们一起向太空进发！