01 红外线和紫外线的发现

光的色散是一个古老的话题，自然界中的彩虹就是太阳光沿着一定角度射入水珠经过折射和反射所产生的色散现象。公元13世纪有一个德国人试图解释彩虹形成的原理，他认为彩色的光是介于白光与暗黑之间的光线，当光线不太强时，白光会依次变成红、黄、绿、蓝等各种颜色的光。对彩虹的这种解读显然是不对的。

玻璃业的发展使欧洲生产出了一种玻璃三棱镜。早期的三棱镜形状的玻璃条可能是作家或画家用来镇纸的，防止风将稿纸或者画页吹散。在16世纪的欧洲，三棱镜的应用已经十分普遍，光通过三棱镜后的色散现象在当时应该有不少人知道，但是遗憾的是这些人并没有注意到这种现象，也没有将他们的观察详细记录下来。根据科学记载，光的色散现象是牛顿首先发现的。在牛顿之前，1637年，笛卡尔就已经使用三棱镜对白光进行了分解，但是他的记录过于简单，只记录下红光和蓝光，没有记录下其他颜色光线的存在。不过笛卡尔已经正确地认识到了传播速度慢的光线会产生较大折射的事实。1648年，匈牙利的一个学者使用玻璃三棱镜获得了十分完整的白光光谱，不过他对光谱的解释不对。他同样认为红光最亮，接近于白光，蓝光最暗，接近于暗黑，这种解释没有被科学界所认可。现在我们只好将发现光色散现象的功劳全部记在大科学家牛顿的身上。

牛顿是一位伟大的科学天才。他生于1642年，家境相对贫寒，出生以前父亲就已经死去，2岁时母亲改嫁，14岁时继父也去世了。少年牛顿只好跟随外婆，弃学经商。不过他十分喜欢看书，在他舅舅的劝说下，牛顿的母亲才允许牛顿重新入学学习。重新入学以后，他各科成绩都很好，仅仅18岁就进入剑桥大学学习数学。

1665年，英国遭遇了一场规模空前的瘟疫大流行，剑桥大学不得已停课放假18个月。学校关门，没有事可干的牛顿只好回到了乡下。在乡下生活期间，他开始对光学有了兴趣。他搞来几个玻璃三棱镜，做起了三棱镜的分光实验。他将房间的门窗全部封闭起来，只留下一个通光的小孔，让太阳光透过圆孔后，再通过玻璃三棱镜，一下子太阳的白光变成了红橙黄绿青蓝紫的各种单色光。如果令两个玻璃三棱镜的斜面相互平行，且两个棱镜体的方向正好相反，则分开的各种单色光又会重新会聚在一起，形成一条白光的光带。他利用三棱镜反复做这个实验，并详细地记录了产生的现象。因此科学界一致认为是牛顿首先发现了光的色散。遗憾的是他没有再进一步，用温度计来发现红外线辐射。

几乎同时，1667年意大利的赛蒙特已经发现在红光外侧的热辐射，他指出这种热辐射经过凹反射面的反射，可以在焦点上聚焦引起温度升高。1755年，还有一个法国人通过实验发现炭火所产生的热能可以进入真空容器内，使其中的温度计升温。这些实验距离红外线的发现均只有一步之遥。

红外线是1800年由当时62岁的赫歇尔最先发现的。赫歇尔原籍德国，他继承父业，是一位教堂的音乐师。1756年，英法战争爆发，殃及德国，次年他移居英国。1773年，35岁的他开始改行，制造天文望远镜并进行天文研究。1781年，他利用自己制造的光学望远镜发现了太阳系的新行星——天王星。这个重要发现惊动了英国国王，他从此变成国王的御用天文学家。赫歇尔50岁时才结婚，娶的是一位肯资助他研制大口径光学望远镜的富有的寡妇，四年之后生下儿子。后来这个小赫歇尔也成为了一位成功的天文学家。

图1 赫歇尔证明红外线存在的实验装置

发现红外线是赫歇尔老年所取得的一项重要成就。在长期的天文观测中他一直有一个疑问：平常所观测的太阳光中不同颜色的光所包含的热量是不是相同的？为此他用三棱镜将太阳光进行了分解，同时将三个涂黑的温度计分别放置在不同颜色的光所照亮的区域。他发现从紫光到红光，温度计的温度会逐渐升高。不可思议的是红光区外侧的温度反而比其他光区温度还要高。这个实验证实，在红光区域以外存在着一种新辐射，赫歇尔当时将这种辐射叫作“热射线”。到19世纪，该辐射最终被定名为红外线。1835年，安培指出红外线的波长比红光更长。

现代温度测量技术证实在太阳的辐射中，能量最高的是波长580纳米的黄光，这是太阳光谱能量的最高点。在赫歇尔所进行的实验中，三棱镜折射使长波长的光能量相对比较集中，而使短波长的光能量相对比较分散，因此他获得的结论不完全正确。

红外线被发现以后，德国物理学家里特认为任何事物均具有对称性，既然在可见光红端之外有红外线，那么在可见光紫端之外也一定会有相似的辐射。1801年的一天，里特正好有一瓶氯化银溶液，氯化银在加热或受到光照后会分解而析出银，所析出的银呈黑色。里特就想通过氯化银来确定可见光光谱以外的未知辐射，他用一张纸浇上氯化银溶液，将纸片放在经三棱镜色散后太阳光谱的紫光外侧。很快他便发现纸片上的氯化银变成黑色，这说明在紫光的外侧确实存在一种看不见的未知辐射。里特将紫光外侧的辐射定名为“去氧射线”，以强调它可以产生化学反应。很快这个名称被简化为“化学光”，并于1802年最终定名为紫外线，沿用至今。

图2 发现紫外线的物理学家里特

1878年，紫外线对细菌的特殊的杀菌作用被发现。1903年，科学家发现用紫外线消毒时最有效的波长为250纳米。1893年，德国物理学家舒曼发现波长小于200纳米的短紫外辐射。由于空气分子会大量吸收这种短紫外辐射，所以它被定名为真空紫外线。

红外线所覆盖的频谱十分宽广，它的波长从0.75微米一直延伸到350微米。其中最接近可见光的部分被称为近红外线，其次为中红外线，最外面的是远红外线。紫外线所覆盖的波长从10（或91）纳米一直延伸到390（或400）纳米。紫外线同样包括近紫外线、中紫外线和远紫外线几个部分。

近紫外线可以穿透衣物和人体皮肤，它对皮肤作用比较缓慢，但可以长期积累，导致皮肤老化和损害。中紫外线对人体皮肤有强烈损伤作用，会使血管扩张，出现红肿、水泡等，长久照射会出现红斑、炎症，甚至导致皮肤癌。远紫外线、X射线和伽马射线均会对人体造成严重损害。幸运的是，地球大气层对这些短波段的电磁辐射几乎是不透明的，从而起到了保护人类的重要作用。

和可见光最接近的一部分近红外线和近紫外线可以透过地球大气层，但是它们中的大部分将被大气所吸收。因此近红外和近紫外天文望远镜必须被安装在高高的山顶上，而其他的红外和紫外望远镜则必须被安装在飞机、气球上或者被安置在空间轨道中。