通识物理：色散与颜色

现在我们已经知道：光在本质上就是一种电磁波。但是，光为什么会呈现出不同的颜色呢？为了回答这个问题，牛顿在1665 年做了一个著名的“三棱镜色散”实验。如图11.5 所示，牛顿让一束太阳光射进暗室，通过一个三棱镜后再投射到屏幕上，结果屏幕上出现了一条包含“红橙黄绿蓝靛紫”的彩色条纹；反过来，牛顿用另一个三棱镜把这些彩色光再聚集起来，又看到它们所合成的白光，这个实验清楚地说明“白光是由很多色光组合而成的”，而三棱镜对白光的分光过程则被称为光的“色散”。其实，光通过“色散”所形成的彩色条纹并非只有用三棱镜才能观察到。在日常生活中，如果某个时刻阳光明媚，而空气又较为湿润，比如雨后，我们在空中就很容易看到阳光色散的彩色条纹——也就是彩虹。而根据光的色散原理，我们还可以在充分的阳光条件下，通过喷水的方式在空中引入大量小水滴，这些飘散在空中的小水滴（上尖下粗）将起到类似三棱镜的作用，并通过色散原理来创造出美丽的彩虹。

图11.5　牛顿在做“三棱镜色散”实验

根据三棱镜色散实验的结果，人们通常认为太阳光是由“七种色光”混合而成的。然而，这并不是事实！假如我们把彩虹拉近放大，会发现实际上每一种颜色都包含无数种不同的渐变单色，正是这无数独立的单色组合在一起，才构成了我们所看到的“七色”彩虹。事实上，由于光的本质是电磁波，所以在三棱镜色散实验中，我们所看到光的不同颜色实际上取决于电磁波的波长，任意波长的光波都对应一个独立的单色。因此，色光的种类其实远不止我们所看到的七种，而是非常丰富的。一般来说，人类眼睛可以看到的光叫作可见光，其波长分布在400～700 nm 的范围内，从蓝光到红光，波长依次变长。当然，除了人们在日常生活中通过肉眼就可以直接看到的可见光外，光其实还包括更大范围的不可见光，比如波长大于700 nm的红外光或者是波长小于400 nm 的紫外光、X 射线以及γ 射线等。如果我们的眼睛能看到这些不可见光，可以想象，很多种奇特的“色彩”叠加在一起，那将是多么有趣、抑或恐怖的场景。其实，无论是可见光还是不可见光，它们在本质上都是电磁波，只有波长的差别；光波本来也是没有“颜色”的，光波之所以能呈现不同颜色还在于人眼对不同波长的光波能产生感光效果。现实生活中，有一些人的眼睛会有“色盲”的眼疾，其实这就是因为这些人的眼睛无法对一些波段的光波形成正常的感光效果；另一方面，由于人眼和动物眼睛的感光效果有差异，所以小猫小狗等动物眼里的世界或许和人类眼里的世界是不太一样的。(www.xing528.com)

色光具有不同的波长，这不仅导致色光能呈现出不同的颜色，还导致色光体现出“微粒性和波动性”差异，从而引发一些生活中常见的光学现象或应用。比如：红光由于波长较长，所以波动性较强，这使得红光在空气中具有较好的穿透性。在我们的现实生活中，消防车、警车等特种车辆或者一些危险标示常常会采用红色，这就是因为波动性很强的红光可以在散布微小尘埃的空气中传播更远的距离（衍射），更容易被人眼所看到，从而能起到危险警示作用。与红光的情况刚好相反，蓝光由于具有更短的波长，微粒性更为明显，所以蓝光很容易发生散射等几何光学现象。比如，我们都知道晴朗的天空是蓝色的，其实这个现象就源自空气分子对太阳蓝光的散射。原来，当光波遇到比自己尺寸小得多的颗粒比如空气分子时，会发生一种叫作“瑞利散射（分子散射）”的光散射现象，瑞利散射与光的波长有关，波长越短越容易发生散射。所以，空气分子会强烈地散射短波长的蓝光，并同时因为光的散射而变成了一个个微型的蓝色“光源”，就好像空中挂满了无数“蓝色的星星”。正是这种向四面八方散射开来的蓝光，将天空渲染出深邃、迷人的蓝色。那么，高空的颜色是否也是蓝色的呢？这可不一定，越到高空，空气越稀薄，空气分子越少，瑞利散射出的光也很少，所以天空的亮度会越向上越暗，并呈现出暗青色或者暗紫色（我们在乘坐飞机时就可以看到这样的景象）。低空的情况也不太一样，低空大气中含有较多颗粒尺寸较大的尘埃或者小液滴，这时“瑞利散射（分子散射）”不再起主要作用，而是以“米氏散射”为主。米氏散射与波长没有关系，所有波长的光都能被同样程度地散射，所以我们常常在污染严重的天气（富含悬浮颗粒）会看到天空是白色的；同时又由于米氏散射的强度小于瑞利散射，我们能看到的白光也较少，从而使天空呈现出灰白色甚至暗白色这种很“脏”的颜色。除了污染的空气，大雾天气下的空中也会密布悬浮的小液滴，有经验的驾驶员在大雾天一定不会打开能发出强白光的远光灯，因为那样通过米氏散射回来的光会使得驾驶员眼前一片白茫茫，什么也看不见。不过，雾灯以波长较长的黄光为主，由于黄光的波动性较强，在发生米氏散射的同时也能呈现出一定的穿透性，所以在大雾天驾驶员可以使用黄色的雾灯来辅助照路行驶。此外，由于红外线的波长比红黄光还长，所以波动性极好的红外线也常常被应用于遥感技术。

在日常生活中，我们常常还会注意到：朝阳和夕阳都是红色的，而晌午的太阳则是亮白色的。这是因为早晨和傍晚时的太阳光是斜射到地面的，要穿过很厚的大气层，所以光的瑞利散射效应非常显著。其结果是太阳光中的短波部分几乎都被散射了，仅剩下波长较长的红光部分能够到达地面，所以太阳看起来就是温暖的“红彤彤”的颜色。而在中午，太阳从正上方直射地面，阳光需要穿过的大气层最薄，瑞利散射效应较弱，更多的短波蓝光会穿过大气层进入人眼，所以中午的太阳光会因为含有较多的蓝光成分而呈现出刺眼的亮白色。