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光與晶體
1802年，英國物理學家威廉·沃拉斯頓拿起稜鏡，眯起眼睛觀察它產生的陽光光譜，他的同胞艾薩克·牛頓在一個標誌性實驗中，早在一個多世紀前就觀察到了這種光譜。沃拉斯頓看到了熟悉的彩虹顏色之間夾雜著黑線，並對它們的起源感到好奇。幾年後，約瑟夫·夫琅和費也觀察到了同樣的線條，但他更進一步，發明了一種儀器——分光鏡，它收集光線，然後折射光線，產生清晰的色帶，並用明暗相間的線條分隔開。沃拉斯頓和夫琅和費發明了光譜學這門學科，這門科學將在未來一百年內對物理學和化學的發展產生不可估量的影響。
但光譜學最重要的發展出現在大約四十年後，當時德國人古斯塔夫·基爾霍夫和羅伯特·本生做出了驚人的觀察，即沃拉斯頓和夫琅和費在太陽光譜中觀察到的線條可以對映到某些元素加熱時產生的光中出現的類似線條。其含義是明確的；太陽中一定存在元素，而這些元素可以透過觀察它們的光譜來識別。本生認識到該技術對於化學中元素鑑定的意義，而基爾霍夫則具有將其應用於天文學的關鍵洞察力。光譜學實驗除其他外，還導致了氦的發現，氦是第一個在地球之外被識別的元素。從那時起，光譜學已成為發現星際空間分子的主要工具。在科學發現的所有奇妙事實中，人們可以透過簡單地觀察天體的光線透過廉價稜鏡時的性質，來推斷出距離地球 9300 萬英里的天體的成分，這絕對是名列前茅的。很少有可比的發現能傳達科學方法的強大力量和影響範圍。
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基爾霍夫和本生奠定了基礎。每種元素在加熱或激發時都會產生特徵顏色的光，高中生正是利用這一事實，透過加熱它們（順便說一句，在煤氣燈上）並觀察火焰的顏色來識別特定元素；鈣發出磚紅色光，銅發出寧靜的綠色光。從技術上講，光譜可能來自吸收（原子吸收某些頻率），或者在火焰測試的情況下，來自發射。正是發射光譜在 20 世紀上半葉給物理學蒙上了一層神秘的面紗。從氫光譜線的混亂中，尼爾斯·玻爾提出了關於原子軌道和躍遷的開創性思想，以及物質量子理論的誕生。玻爾還解釋了發射光譜的性質，發射光譜是當電子被激發到特定能級的原子恢復到更穩定的“基態”時發射明確定義的頻率時產生的。
在玻爾發展量子理論的同時，也出現了與科學未來息息相關的伴隨發展。在曼徹斯特和利茲，威廉·亨利·布拉格將一束 X 射線射向氯化鈉晶體。當分析由此產生的散射輻射時，再次顯示出線條的存在，但這次的線條表明了晶體內部不同原子的間距。布拉格發明了晶體學，他和他的兒子勞倫斯（他仍然保持著 25 歲最年輕諾貝爾獎獲得者的記錄）在確立其在確定未知材料結構中的用途方面發揮了關鍵作用。從那時起，晶體學引發了一場科學革命，使我們獲得了 DNA 和蛋白質的結構。
我為什麼要回顧光譜學和晶體學的故事？因為布拉格父子、本生和基爾霍夫本質上都是化學家。在過去一個世紀左右的時間裡，光譜學和晶體學——光和晶體——一直都在解讀從半導體到蛇毒的各種平凡和奇異物質的成分方面發揮著最重要的作用。世界各地化學系的 graduate students 都在日常使用這些工具。8 月 5 日，一位 2000 磅重、核動力的化學家利用這些技術，以精確的速度從災難性的速度降至悠閒的每秒 1 米，降落在 1.54 億英里之外的世界表面。這位化學家的名字是好奇號，它至關重要地依賴光和晶體來探索它被要求勘測的新世界。
好奇號：工程奇蹟，肩負化學使命
好奇號的發射、操控和降落被理所當然地譽為工程奇蹟。漫遊車準確地完成了所有操作階段，最終在火星表面實現了壯觀、精確計時的降落傘引導的著陸，這令人歎為觀止。同樣重要的是要了解重力，它會拉扯和踢動好奇號，因為它努力擺脫地球引力並優雅地進入火星引力。至於火星本身，幾十年來，這顆行星一直是天文學家著迷的物件。毫無疑問；好奇號是工程學和天文學的勝利。但同樣肯定的是，好奇號的任務是化學。工程學和天文學將好奇號送到了目的地，但既然它已經到達火星，好奇號就是一名化學家。它是一位化學家，延續了本生、布拉格和其他人在使用光譜學和晶體學來繪製火星景觀的面貌和內部結構方面的遺產。
好奇號現在的主要目的是告訴我們它的火星周圍環境是由什麼構成的，本質上是所謂的“結構測定”。結構測定是化學領域內的目標，化學家們自化學科學誕生以來就一直在實驗室中孜孜不倦地追求這一目標。任何分子，無論是天然的還是合成的，在結構已知之前都無法進一步分析或合成。一旦瞥見一種物質，化學家和好奇號都會像馬可·奧勒留一樣提出關鍵問題：“它是什麼，就其本身而言？”。就像它們對化學家一樣，晶體學和光譜學將成為好奇號解決這個問題的首選武器。在地球上，化學家將繼續使用這些方法來確定新藥、塑膠和催化劑的結構。在火星上，好奇號將使用這些方法來詢問有關這顆行星現在和過去宜居性的問題。
為了實現其目標，好奇號依賴於三種儀器，這些儀器確實是其電子和儀器儀表多方面桂冠上的寶石。讓我們詳細瞭解一下這些
1. ChemCam（化學與相機）： ChemCam 模組位於漫遊車頂部，其功能可以概括為“爆破與分析”。ChemCam 的核心是一個光譜儀，它進行雷射誘導擊穿光譜法 (LIBS)。LIBS 使用雷射將一塊物質加熱到極高的溫度，使其短暫地變成熱的電離等離子體。ChemCam 使用紅外雷射完成此操作，紅外雷射像手術刀一樣照射在僅 0.6 毫米寬的區域上。雷射激發等離子體中元素的原子，當原子恢復到基態時，它們會發出各種特徵頻率，就像戲劇性的管風琴序曲中的音符一樣。這種光譜光進入光譜儀，光譜儀是夫琅和費原始裝置的精密稜鏡後代。光譜儀剖析發射的頻率，並按元素對其進行分類。只需一槍，您就可以瞭解複雜火星岩石的元素組成。該儀器甚至可以量化誤差範圍內的元素。
LIBS 技術非常通用，它可以做的最有價值的事情之一是檢測水合礦物，即分子中結合有水的礦物。它還可以檢測凍結的水。在遙遠的行星上測試生命時，“追隨水”這句格言雖然不完美，但卻是一個非常有用的起點。水溶解許多特定的離子，當水蒸發時，這些離子會保留下來，它們的精確百分比被時間鎖定，供後人檢查；此外，元素的分佈也可以表明環境是否曾經適合生命存在。這就是 ChemCam 正在做的事情，評估火星的元素構成，以尋找可能存在水及其可能適合生命存在的線索。作為額外的益處，它還可以根據化學成分找出特定景觀是否可能對生命有害。ChemCam 還執行其他重要功能，例如成像和顯微鏡檢查。ChemCam 上的成像儀非常精確；它可以檢測到兩米外的人發。漫遊車悠閒的最高速度為每秒 1.5 英寸，這為成像儀提供了充足的時間來完成其工作。雷射光譜儀和成像儀的結合使 ChemCam 成為快速剖析和分析環境精細特徵的精密儀器。
2. ChemMin（化學與礦物學）： 好奇號上的 ChemMin 裝置做的事情在某些方面甚至比 ChemCam 更復雜：它分析礦物的結構和豐度，關鍵是包括元素同位素，它可以對多達 74 個樣品進行分析。ChemMin 效仿威廉·布拉格，向粉末狀和加熱的岩石或土壤樣品發射極細的 X 射線束，以快速建立衍射圖樣。樣品另一側是一個電荷耦合器件 (CCD) 檢測器，它可以極其靈敏地記錄散射的 X 射線，從而最大限度地減少 X 射線光子的損失。每種礦物都有特定的 X 射線圖樣，可以用作指紋來確定其身份，這正是 ChemMin 所做的。某些元素在受到 X 射線照射時也會發出熒光，ChemMin 旨在處理這些熒光訊號。由此產生的衍射 (XRD) 或熒光 (XRF) 圖樣可以繪製為強度與散射角的圖。使用勞倫斯·布拉格首先推匯出的關係，這些圖可以提供有關原子間距和特定礦物身份的資料。某些礦物可能非常暗示其形成的條件；例如，化合物黃鉀鐵礬通常從酸性水中沉澱出來。ChemMin 的靈敏度足以檢測丰度低至 3% 的單個礦物。對於更高的百分比，ChemMin 還可以量化含量。
然而，ChemMin 可以做的最關鍵的事情也許是識別同位素丰度。在過去的五十年裡，同位素丰度為行星事件以及地球上生命的興衰提供了寶貴的見解。對地質和生物鉅變的驚人線索來自於對同位素百分比的檢查。僅舉幾個例子；冰芯中的氧同位素比率為了解冰河時代提供了關鍵資訊，硫同位素為了解重要的大氧化事件提供了線索，該事件見證了氧氣水平的急劇上升以及隨之而來的生物多樣性爆發，當然，碳和氮同位素可以揭示生活在特定環境中的生物的年齡和身份。ChemMin 配備了分析所有主要元素的同位素比率的能力，毫無疑問，這些分析對於探測這顆紅色星球的表面和內部是否存在當前和過去的生命跡象至關重要。漫遊車將儲存所有收集到的 X 射線資料作為 CCD 影像，這些影像將忠實地傳輸回地球以供進一步分析。
3. SAM（火星樣品分析）： 從生物學角度來看，好奇號有效載荷的另一個主要組成部分是 SAM，這可能是現代化學系研究生最容易識別的元件。它包含三個主要儀器：氣相色譜儀、質譜儀和雷射光譜儀。其中前兩個可以在任何學術或工業化學實驗室中找到（通常作為組合的“GC-MS”包）。質譜儀本質上是一種原子級精度的天平，可以稱重和量化原子、同位素和分子碎片。氣相色譜儀用於將複雜混合物分離成單獨的化學成分。必需元素的同位素丰度由雷射光譜儀分析。
MS 和 GC 結合使用將能夠分解和分析有機和無機分子，儘管重點將是生命的基石。它們將尋找甲烷等化合物，甲烷部分是由細菌分解和發酵產生的。藿烷等一些簡單化合物已被認為是地球上生命的化石分子特徵，好奇號可以使用其 GC-MS 探針尋找這些化合物。SAM 還可以嘗試尋找這些化合物的碎片，這可以幫助我們瞭解它們是如何構建起來的；通常，複雜生物分子形成過程中的中間化學物質與最終產物一樣能表明其生物起源。我們可以肯定，檢測到任何生命眾所周知的基石，如氨基酸、碳水化合物、脂質或 ATP，都將導致名副其實的頭版新聞，並重新認識太陽系中的生命。在好奇號上的所有裝置中，SAM 最有可能提供生命化學起源的直接證據。
這就是好奇號計劃在火星上進行的化學實驗的簡要介紹。它涉及已知化學方法和儀器的新穎應用，化學家們應該感到欣喜，因為他們長期以來在地球上實踐的科學最終翱翔於天空。好奇號還包含其他型別的化學。例如，α 粒子光譜儀再次檢查元素丰度，包括微量元素的丰度。然後是對漫遊車“核動力”的描述；這指的是核熱電池，而不是核裂變，核熱電池透過由 α 粒子介導的鈽 238氧化物衰變產生的熱量發電。與 67 年前幾乎在長崎原子彈中使用的臭名昭著的同類物 Pu-239 不同，Pu-238 已用於救命的心臟起搏器。它一直是太空探索中使用電池的主力軍數十年。一種形式的鈽帶來死亡，另一種形式的鈽使我們能夠尋找生命；這就是科學這把雙刃劍的本質。
我們可以肯定，只要電子在其電路中執行，“好奇號”這位化學家將繼續利用其化學知識探索火星世界。由於光譜學和晶體學是根植於深層物理原理的技術，因此即使超越我們的太陽系並滑向星光璀璨的廣闊虛空，好奇號以外的探險家也將繼續使用這些工具來繪製宇宙的物質性質。如果威廉·沃拉斯頓了解好奇號和 LIBS，他會真正地感到驚歎。
參考文獻
1. JPL 的 MSL 科學角網站提供了關於好奇號的技術資訊。
2. Marcus Chown 的“魔法熔爐”中對光譜學的發展及其在天文學中的應用有很好的描述