ماهیت خطوط فراونهوفر چه بود و چرا این خطوط تیره در طیف نور خورشید و ستارگان ظاهر می‌شدند؟
دانشمندان از حدود یک سده قبل از فراونهوفر علاقمند به مطالعه در مورد شعله[1] و علت ایجاد رنگ‌های مختلف در آن شدند. در سال ۱۷۵۳ اندره ئاس مارگارف شیمی‌دان آلمانی با قرار دادن منشور درجلوی شعله نمک (حاوی سدیم) متوجه خطوط درخشانی در محلی ثابت از طیف آن شد که به رنگ زرد بود.
شعله نمک سدیم به رنگ زرد و شعله پتاس به رنگ بنفش بود.
تحلیل طیف شعله: ابتدا جان هرشل اخترشناس بریتانیایی (فرزند ویلیام هرشل، کاشف سیاره اورانوس) بود که به‌درستی در سال ۱۸۲۳نوشت: رنگ شعله‌ها بیانگر عناصر شیمیایی تشکیل‌دهنده مواد در حال سوختن است و هر عنصر طیف رنگی ویژه خود را ایجاد می‌کند.
سوختن باریوم [2] ایجاد شعله‌ای به رنگ سبز می‌کند. مکانیسم : الکترون‌های اتم‌های عنصر باریوم در اثر حرارت، برانگیخته شده و به سطح انرژی بالاتر می‌روند؛ که در بازگشت به سطح پایین‌تر قبلی، آن انرژی را به‌صورت نور تابش (نشر[3]) می‌کنند.
یکی بودن منشأ طیف نشری و طیف جذبی
دانشمندان در طی مطالعات طیف‌نگاری خود در نیمه اول قرن نوزدهم پی به ارتباط بین خطوط درخشان طیفِ نشری در شعله‌ها با خطوط تیره طیف جذبی ستارگان برده بودند.
خود فراونهوفر درسال ۱۸۴۹ متوجه شده بود که خطوط تیره رنگ D در طیف خورشید با خطوط درخشان زردرنگ در طیف شعله تطابق دارند. ده سال بعد دو دانشمند آلمانی بانسن و کرشهوف به تمرکز روی این مسئله پرداختند.
یکی از اولین دانشمندانی که تطابق خطوط طیفی نشری و جذبی را نشان داد، لئون فوکو فیزیکدان فرانسوی بود. هم او که قبلا با آویختن آونگی از سقف معبد پانتئون، حرکت وضعی زمین را اثبات کرده بود (آونگ فوکو).
در سال ۱۸۴۹ او نور خورشید را از یک لامپ قوسی[4] گذراند تا آن را با نور لامپ هم‌پوشانی کند و مشاهده کرد که خطوط طیفی فراونهوفر خیلی برجسته‌تر می‌شوند (نسبت به زمانی که طیف نور خورشید، به تنهایی، ثبت می‌شد. این یافته کلیدی نشان داد که طیف‌های جذبی و نشری یک ماهیت واحد دارند.
بانسن، کرشهوف و توسعه دانش طیف سنجی
در مرحله بعد بانسن و کرشهوف دانشمندان آلمانی، طیف‌سنجی مخصوص را برای مطالعه دقیق‌تر طیف عناصر در شعله[5]اختراع کردند. آنها آزمایش فوکو را با این طیف‌سنج تکرار و آن را بسط دادند. یعنی نور خورشید و شعله مواد مختلف را با هم از طیف‌سنج رد می‌کردند. ابتدا نمک سدیم و بعد نمک‌های دیگر مانند
کلسیم و استرونسیم را از آن عبور دادند. آنها مشاهده کردند که خطوط درخشان طیف نشری شعله‌ها دقیقا با خطوط تیره طیف جذبی عناصر از منشاء نور خورشید تطابق دارند.
کرشهوف نتیجه گرفت که طول موج‌هایی از نور خورشید که توسط گازهای موجود در آتمسفر آن جذب می‌شوند، با طول موج‌هایی که یک گاز به دنبال حرارت دیدن از خود نشر می‌دهد (شعله آن گاز) با هم یکی هستند. عنصری که قویا طول موج خاصی را نشر می‌دهد (می‌تاباند)، همان عنصر/گاز ی است که در آتمسفر خورشید، آن طول موج را از نور خورشید جذب می‌کند .
به‌زودی بر بانسن و کرشهوف مکشوف شد که هر ماده‌ای (عنصر یا ماده مرکب) وقتی آن قدر حرارت ببیند که به مرحله تابش یا ایجاد شعله برسد طیف نشری مخصوص به خودش را ایجاد می‌کند که در واقع بارکد [6] آن عنصر است. بنابراین از طریق طیف‌سنجی[7] می‌توان ترکیب هر ماده شیمیایی را مشخص کرد.
طیف‌نگاری[8] و تشخیص ترکیب کواکب و مواد کیهان
طیف نشری / یا جذبی هر عنصر در واقع به مثابه اثر انگشت آن عنصر است. بخار سدیم ایجاد دو خط موازی زرد رنگ می‌کرد که با خطوط تیره D فراونهوفر در طیف خورشیدی تطابق داشت. این نشان می‌داد نور خورشید در مسیر خود به سمت زمین از بخار سدیم رد شده است. کرشهوف و بانسن نتیجه گرفتند که آتمسفر خورشید حاوی سدیم است و بخار سدیم در آتمسفر خورشید نور را در طول موج خاصی جذب کرده است.
سپس این دو دانشمند خطوط فراونهوفر طیف جذبی خورشید را با خطوط طیفی نشری شعله عناصر مختلف مقایسه کردند و نشان دادند که در آتمسفر خورشید منیزیوم، آهن، مس، روی، باریم و نیکل هم وجود دارند.
بدین ترتیب بانسن و کرشهوف روش انقلابی برای شناخت عناصر تشکیل دهنده مواد ارائه کردندو اختر فبزیک‌دانان توانستند ابزار جدید طیف‌سنج را برای مطالعه و غور در کیهان، مورد استفاده قرار دهند. اگر این دو دانشمند تا قرن بیستم زنده می‌ماندند، قطعا جایزه نوبل می‌گرفتند.
از طیف‌سنجی برای تشخیص عناصر و مواد کیهان تا تبیین ساختار اتم توسط نیلز بور
بانسن و کرشهوف با ارائه روش طیف‌نگاری گام بزرگی در تشخیص و یافتن عناصر و مواد تشکیل‌دهنده اجرام سماوی و ساختارهای کیهانی برداشتند. آنها نشان دادند که طیف نشری یا جذبی هر عنصر، در واقع اثر انگشت[9] اختصاصی آن عنصراست.
با این حال هنوز مشخص نبود که چرا خطوط نشری، در طول موج‌های خاصی ایجاد می‌شدند. بانسن و کرشهوف حدس زدند که این وضعیت باید به خاطر ساختار ویژه اتم‌های عناصر گوناگون باشد.
در آن زمان اتم‌ها را ساختارهای صلب و جامدی تصور می‌کردند و درک این که چگونه اتم‌ها می‌توانند نور تولید کنند یا خطوط نشری با طول موج‌های خاص ایجاد کنند، مشکل بود.
گام بعدی را بالمر ریاضیدان سوئیسی در سال ۱۸۸۸۵ برداشت. او متوجه الگوی خاصی در خطوط، طیف نشری عنصر هیدروژن شد و نشان داد که این خطوط به هیچ وجه تصادفی[10] نیستند: بلکه با یک فرمول ریاضی شامل دو عدد صحیح، قابل پیش‌بینی هستند.
خطوط نشری مرتبط با یکی یا هردو این عددهای صحیح فقط در دماهای بالاتر محیط تولید می‌شدند. این فرمول را سری بالمر [11] می‌نامند. به‌زودی مشخص شد که خطوط جذبی پرانرژی مربوط به عنصر هیدرژن در نورخورشید، در همان طول موج‌هایی که فرمول بالمر پیش‌بینی می‌کند، در طیف خورشید ظاهر می‌شوند و سری بالمر ارزش خود را نشان داد. در سال ۱۸۸۸ ریدبرگ فیزیکدان سوئدی فرمول بالمر را تعمیم داد، به‌نحوی که قادر بود طول موج‌های ناشی از هر عنصری را مشخص کند.
