本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
光与晶体
1802年，英国物理学家威廉·沃拉斯顿拿起棱镜，眯起眼睛观察它产生的阳光光谱，他的同胞艾萨克·牛顿在一个标志性实验中，早在一个多世纪前就观察到了这种光谱。沃拉斯顿看到了熟悉的彩虹颜色之间夹杂着黑线，并对它们的起源感到好奇。几年后，约瑟夫·夫琅和费也观察到了同样的线条，但他更进一步，发明了一种仪器——分光镜，它收集光线，然后折射光线，产生清晰的色带，并用明暗相间的线条分隔开。沃拉斯顿和夫琅和费发明了光谱学这门学科，这门科学将在未来一百年内对物理学和化学的发展产生不可估量的影响。
但光谱学最重要的发展出现在大约四十年后，当时德国人古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生做出了惊人的观察，即沃拉斯顿和夫琅和费在太阳光谱中观察到的线条可以映射到某些元素加热时产生的光中出现的类似线条。其含义是明确的；太阳中一定存在元素，而这些元素可以通过观察它们的光谱来识别。本生认识到该技术对于化学中元素鉴定的意义，而基尔霍夫则具有将其应用于天文学的关键洞察力。光谱学实验除其他外，还导致了氦的发现，氦是第一个在地球之外被识别的元素。从那时起，光谱学已成为发现星际空间分子的主要工具。在科学发现的所有奇妙事实中，人们可以通过简单地观察天体的光线通过廉价棱镜时的性质，来推断出距离地球 9300 万英里的天体的成分，这绝对是名列前茅的。很少有可比的发现能传达科学方法的强大力量和影响范围。
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基尔霍夫和本生奠定了基础。每种元素在加热或激发时都会产生特征颜色的光，高中生正是利用这一事实，通过加热它们（顺便说一句，在煤气灯上）并观察火焰的颜色来识别特定元素；钙发出砖红色光，铜发出宁静的绿色光。从技术上讲，光谱可能来自吸收（原子吸收某些频率），或者在火焰测试的情况下，来自发射。正是发射光谱在 20 世纪上半叶给物理学蒙上了一层神秘的面纱。从氢光谱线的混乱中，尼尔斯·玻尔提出了关于原子轨道和跃迁的开创性思想，以及物质量子理论的诞生。玻尔还解释了发射光谱的性质，发射光谱是当电子被激发到特定能级的原子恢复到更稳定的“基态”时发射明确定义的频率时产生的。
在玻尔发展量子理论的同时，也出现了与科学未来息息相关的伴随发展。在曼彻斯特和利兹，威廉·亨利·布拉格将一束 X 射线射向氯化钠晶体。当分析由此产生的散射辐射时，再次显示出线条的存在，但这次的线条表明了晶体内部不同原子的间距。布拉格发明了晶体学，他和他的儿子劳伦斯（他仍然保持着 25 岁最年轻诺贝尔奖获得者的记录）在确立其在确定未知材料结构中的用途方面发挥了关键作用。从那时起，晶体学引发了一场科学革命，使我们获得了 DNA 和蛋白质的结构。
我为什么要回顾光谱学和晶体学的故事？因为布拉格父子、本生和基尔霍夫本质上都是化学家。在过去一个世纪左右的时间里，光谱学和晶体学——光和晶体——一直都在解读从半导体到蛇毒的各种平凡和奇异物质的成分方面发挥着最重要的作用。世界各地化学系的 graduate students 都在日常使用这些工具。8 月 5 日，一位 2000 磅重、核动力的化学家利用这些技术，以精确的速度从灾难性的速度降至悠闲的每秒 1 米，降落在 1.54 亿英里之外的世界表面。这位化学家的名字是好奇号，它至关重要地依赖光和晶体来探索它被要求勘测的新世界。
好奇号：工程奇迹，肩负化学使命
好奇号的发射、操控和降落被理所当然地誉为工程奇迹。漫游车准确地完成了所有操作阶段，最终在火星表面实现了壮观、精确计时的降落伞引导的着陆，这令人叹为观止。同样重要的是要了解重力，它会拉扯和踢动好奇号，因为它努力摆脱地球引力并优雅地进入火星引力。至于火星本身，几十年来，这颗行星一直是天文学家着迷的对象。毫无疑问；好奇号是工程学和天文学的胜利。但同样肯定的是，好奇号的任务是化学。工程学和天文学将好奇号送到了目的地，但既然它已经到达火星，好奇号就是一名化学家。它是一位化学家，延续了本生、布拉格和其他人在使用光谱学和晶体学来绘制火星景观的面貌和内部结构方面的遗产。
好奇号现在的主要目的是告诉我们它的火星周围环境是由什么构成的，本质上是所谓的“结构测定”。结构测定是化学领域内的目标，化学家们自化学科学诞生以来就一直在实验室中孜孜不倦地追求这一目标。任何分子，无论是天然的还是合成的，在结构已知之前都无法进一步分析或合成。一旦瞥见一种物质，化学家和好奇号都会像马可·奥勒留一样提出关键问题：“它是什么，就其本身而言？”。就像它们对化学家一样，晶体学和光谱学将成为好奇号解决这个问题的首选武器。在地球上，化学家将继续使用这些方法来确定新药、塑料和催化剂的结构。在火星上，好奇号将使用这些方法来询问有关这颗行星现在和过去宜居性的问题。
为了实现其目标，好奇号依赖于三种仪器，这些仪器确实是其电子和仪器仪表多方面桂冠上的宝石。让我们详细了解一下这些
1. ChemCam（化学与相机）： ChemCam 模块位于漫游车顶部，其功能可以概括为“爆破与分析”。ChemCam 的核心是一个光谱仪，它进行激光诱导击穿光谱法 (LIBS)。LIBS 使用激光将一块物质加热到极高的温度，使其短暂地变成热的电离等离子体。ChemCam 使用红外激光完成此操作，红外激光像手术刀一样照射在仅 0.6 毫米宽的区域上。激光激发等离子体中元素的原子，当原子恢复到基态时，它们会发出各种特征频率，就像戏剧性的管风琴序曲中的音符一样。这种光谱光进入光谱仪，光谱仪是夫琅和费原始装置的精密棱镜后代。光谱仪剖析发射的频率，并按元素对其进行分类。只需一枪，您就可以了解复杂火星岩石的元素组成。该仪器甚至可以量化误差范围内的元素。
LIBS 技术非常通用，它可以做的最有价值的事情之一是检测水合矿物，即分子中结合有水的矿物。它还可以检测冻结的水。在遥远的行星上测试生命时，“追随水”这句格言虽然不完美，但却是一个非常有用的起点。水溶解许多特定的离子，当水蒸发时，这些离子会保留下来，它们的精确百分比被时间锁定，供后人检查；此外，元素的分布也可以表明环境是否曾经适合生命存在。这就是 ChemCam 正在做的事情，评估火星的元素构成，以寻找可能存在水及其可能适合生命存在的线索。作为额外的益处，它还可以根据化学成分找出特定景观是否可能对生命有害。ChemCam 还执行其他重要功能，例如成像和显微镜检查。ChemCam 上的成像仪非常精确；它可以检测到两米外的人发。漫游车悠闲的最高速度为每秒 1.5 英寸，这为成像仪提供了充足的时间来完成其工作。激光光谱仪和成像仪的结合使 ChemCam 成为快速剖析和分析环境精细特征的精密仪器。
2. ChemMin（化学与矿物学）： 好奇号上的 ChemMin 装置做的事情在某些方面甚至比 ChemCam 更复杂：它分析矿物的结构和丰度，关键是包括元素同位素，它可以对多达 74 个样品进行分析。ChemMin 效仿威廉·布拉格，向粉末状和加热的岩石或土壤样品发射极细的 X 射线束，以快速创建衍射图样。样品另一侧是一个电荷耦合器件 (CCD) 检测器，它可以极其灵敏地记录散射的 X 射线，从而最大限度地减少 X 射线光子的损失。每种矿物都有特定的 X 射线图样，可以用作指纹来确定其身份，这正是 ChemMin 所做的。某些元素在受到 X 射线照射时也会发出荧光，ChemMin 旨在处理这些荧光信号。由此产生的衍射 (XRD) 或荧光 (XRF) 图样可以绘制为强度与散射角的图。使用劳伦斯·布拉格首先推导出的关系，这些图可以提供有关原子间距和特定矿物身份的数据。某些矿物可能非常暗示其形成的条件；例如，化合物黄钾铁矾通常从酸性水中沉淀出来。ChemMin 的灵敏度足以检测丰度低至 3% 的单个矿物。对于更高的百分比，ChemMin 还可以量化含量。
然而，ChemMin 可以做的最关键的事情也许是识别同位素丰度。在过去的五十年里，同位素丰度为行星事件以及地球上生命的兴衰提供了宝贵的见解。对地质和生物巨变的惊人线索来自于对同位素百分比的检查。仅举几个例子；冰芯中的氧同位素比率为了解冰河时代提供了关键信息，硫同位素为了解重要的大氧化事件提供了线索，该事件见证了氧气水平的急剧上升以及随之而来的生物多样性爆发，当然，碳和氮同位素可以揭示生活在特定环境中的生物的年龄和身份。ChemMin 配备了分析所有主要元素的同位素比率的能力，毫无疑问，这些分析对于探测这颗红色星球的表面和内部是否存在当前和过去的生命迹象至关重要。漫游车将存储所有收集到的 X 射线数据作为 CCD 图像，这些图像将忠实地传输回地球以供进一步分析。
3. SAM（火星样品分析）： 从生物学角度来看，好奇号有效载荷的另一个主要组成部分是 SAM，这可能是现代化学系研究生最容易识别的组件。它包含三个主要仪器：气相色谱仪、质谱仪和激光光谱仪。其中前两个可以在任何学术或工业化学实验室中找到（通常作为组合的“GC-MS”包）。质谱仪本质上是一种原子级精度的天平，可以称重和量化原子、同位素和分子碎片。气相色谱仪用于将复杂混合物分离成单独的化学成分。必需元素的同位素丰度由激光光谱仪分析。
MS 和 GC 结合使用将能够分解和分析有机和无机分子，尽管重点将是生命的基石。它们将寻找甲烷等化合物，甲烷部分是由细菌分解和发酵产生的。藿烷等一些简单化合物已被认为是地球上生命的化石分子特征，好奇号可以使用其 GC-MS 探针寻找这些化合物。SAM 还可以尝试寻找这些化合物的碎片，这可以帮助我们了解它们是如何构建起来的；通常，复杂生物分子形成过程中的中间化学物质与最终产物一样能表明其生物起源。我们可以肯定，检测到任何生命众所周知的基石，如氨基酸、碳水化合物、脂质或 ATP，都将导致名副其实的头版新闻，并重新认识太阳系中的生命。在好奇号上的所有设备中，SAM 最有可能提供生命化学起源的直接证据。
这就是好奇号计划在火星上进行的化学实验的简要介绍。它涉及已知化学方法和仪器的新颖应用，化学家们应该感到欣喜，因为他们长期以来在地球上实践的科学最终翱翔于天空。好奇号还包含其他类型的化学。例如，α 粒子光谱仪再次检查元素丰度，包括微量元素的丰度。然后是对漫游车“核动力”的描述；这指的是核热电池，而不是核裂变，核热电池通过由 α 粒子介导的钚 238氧化物衰变产生的热量发电。与 67 年前几乎在长崎原子弹中使用的臭名昭著的同类物 Pu-239 不同，Pu-238 已用于救命的心脏起搏器。它一直是太空探索中使用电池的主力军数十年。一种形式的钚带来死亡，另一种形式的钚使我们能够寻找生命；这就是科学这把双刃剑的本质。
我们可以肯定，只要电子在其电路中运行，“好奇号”这位化学家将继续利用其化学知识探索火星世界。由于光谱学和晶体学是根植于深层物理原理的技术，因此即使超越我们的太阳系并滑向星光璀璨的广阔虚空，好奇号以外的探险家也将继续使用这些工具来绘制宇宙的物质性质。如果威廉·沃拉斯顿了解好奇号和 LIBS，他会真正地感到惊叹。
参考文献
1. JPL 的 MSL 科学角网站提供了关于好奇号的技术信息。
2. Marcus Chown 的“魔法熔炉”中对光谱学的发展及其在天文学中的应用有很好的描述