鄧楷模

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

生活在色彩斑斕的世界,我們從小時候就學(xué)會了分辨顏色．為什么不同的物體呈現(xiàn)出不同的顏色?為什么天空是藍(lán)色的、云朵是白色的?為什么肥皂膜在陽光下具有如此豐富的色彩?合理解釋日常生活中隨處可見的顏色現(xiàn)象需要我們對一些基本的光學(xué)知識有所了解．這些生活中的顏色的形成與光的波長(描述光的波動性的物理參數(shù))有密切關(guān)系,并受材料的光學(xué)性質(zhì)影響．

1 光的顏色與視覺

牛頓是最早系統(tǒng)研究太陽光的科學(xué)家之一．[1]他發(fā)現(xiàn)如果讓太陽光照射到棱鏡上,從棱鏡出射的光不再是白光,而是彩色的,紫色光和紅色光分居兩側(cè),中間分別是藍(lán)光、綠光、黃光和橙光．如果讓這些不同顏色的光重新通過另一個棱鏡,又能形成白光．這表明,白光是由不同顏色的光混合而成的，彩虹的顏色是非常直接的說明．光的顏色取決于光的波長．表1中列出了不同波長的可見光對應(yīng)的顏色．紫光的波長比紅光的小,太陽光譜中其他顏色的波長在紫光和紅光之間．

表1 光的波長與顏色對照表

盡管可見光波長非常短,但不同顏色的光仍能被我們的視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確分辨．眼睛和大腦構(gòu)成了人類的視覺系統(tǒng)．光通過角膜和晶狀體匯聚到視網(wǎng)膜,上面充滿了光敏細(xì)胞-錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞．桿狀細(xì)胞產(chǎn)生夜晚的視覺,但它們不提供任何與顏色相關(guān)的信息．在光照充足的條件下,錐狀細(xì)胞決定了我們認(rèn)清細(xì)節(jié)和分辨顏色的能力．錐狀細(xì)胞有三種,S錐、M錐和L錐,分別對可見光中較短、中間、較長的波長最敏感．[2]

我們是怎么分辨不同顏色的呢?假如640nm波長的光進(jìn)入眼睛,根據(jù)錐狀細(xì)胞的敏感度曲線,L錐細(xì)胞受到的刺激遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過M錐和S錐．由從小形成的辨色經(jīng)驗,我們把這種混合響應(yīng)辨認(rèn)成紅色．460nm波長的光對S錐的刺激最強(qiáng),我們將這種光的顏色認(rèn)成藍(lán)色．而580nm波長的光對M錐和L錐的刺激都很強(qiáng)烈,我們將這種光認(rèn)成黃光．事實上,綠光和紅光組成的混合光能夠?qū)﹀F狀細(xì)胞產(chǎn)生類似的刺激,我們也會認(rèn)為這種混合光是黃色．這其實是光的加法混色基礎(chǔ)．不同比例的三原色光(紅、綠、藍(lán))混在一起,能夠在我們的大腦中形成對應(yīng)于所有顏色的光響應(yīng)．藍(lán)光和紅光混合成洋紅色光,藍(lán)光和綠光產(chǎn)生青色光,紅光和綠光形成黃光．如果三原色光以一定的比例混合,錐狀細(xì)胞所受到刺激的比例,與太陽光產(chǎn)生的響應(yīng)的比例相同,能夠產(chǎn)生我們以為是白光的響應(yīng)．[2]當(dāng)光非常弱時,光敏細(xì)胞受到的刺激非常弱,我們看到的是黑色．

2 不同物體具有不同顏色

絕大多數(shù)物體都不是顏色的產(chǎn)生者,它們只是反射或者散射光源發(fā)出的光．物體的顏色由光源中包含的波長和物體的光反射或散射性質(zhì)決定．

我們以繪畫用的顏料來說明這個問題．不同顏色的顏料能夠選擇性吸收光,對某些波長的吸收比其他波長更強(qiáng)．彩色印刷中用到3種顏色的顏料:黃色、青色和洋紅色．黃色顏料強(qiáng)烈吸收可見光中的藍(lán)光成分,穿透并反射綠光和紅光．青色顏料吸收紅光,讓藍(lán)光和綠光穿過和反射．洋紅色顏料吸收可見光的中間波段,穿透并反射藍(lán)光和紅光．當(dāng)光從某一種顏料表面反射時,我們能看到這種顏料的顏色．如果將這些顏料混在一起,我們能得到所有的顏色．例如,將青色顏料和黃色顏料混合,紅光和藍(lán)光都被吸收,綠光被反射出來,在我們的眼睛中形成綠色．這就是減法混色原理．[2]

生活中其他常見物體的顏色,例如花朵、樹葉、寶石、化學(xué)溶液的顏色都與其中的光吸收與光反射有關(guān)．需要指出的是,物體在太陽光下的顏色與在人工光源照射下的顏色有可能存在偏差,這是由于有些光源(比如白熾燈)產(chǎn)生的光缺少可見光中的某些波段．

3 天藍(lán)云白夕陽紅

地球的大氣層主要由氮氣、氧氣和二氧化碳等氣體組成．氣體分子的大小約為零點幾個納米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光波長．來自太陽的光進(jìn)入大氣層后,被氣體分子吸收,并很快以同樣的波長被發(fā)射出來．這一過程稱為瑞麗散射．[3]與入射光傳播的方向不同,散射后的光朝各個方向傳播．另外瑞利散射的強(qiáng)度與波長相關(guān),較短波長的光散射效率比較長波長的高．

當(dāng)我們觀看天空,而不是盯著太陽看時,進(jìn)入眼睛的光經(jīng)過了大氣分子的多次散射．可見光中的藍(lán)光和紫光,它們的波長比紅光以及其他中間波段的光要短,散射效率要高,因此藍(lán)光和紫光更多地進(jìn)入我們的眼睛．由于眼睛對藍(lán)光的響應(yīng)比紫光強(qiáng)烈,所以我們辨認(rèn)的顏色為藍(lán)色．這就是天空呈現(xiàn)藍(lán)色的原因．如果沒有大氣,天空將是黑色的,就像月球一樣．太陽光可以被水分子散射,同樣的道理可以解釋海水的顏色為藍(lán)色．在早晨和傍晚的時候,太陽光線穿透大氣層所經(jīng)過的距離,比正午時分長得多,更多的藍(lán)光和中間波段的光被散射掉．我們看日出或夕陽時,進(jìn)入眼睛的光主要是紅光，并且太陽越接近地平線,越顯得紅．[3]知道了這一點,你也許會對紅月亮這一天文現(xiàn)象并不感到特別驚訝．

天空里漂浮的云朵由大量的水滴組成．太陽光同樣能被水滴散射,只是由于水滴的尺寸一般為幾個微米,大于可見光的波長．這時的光散射強(qiáng)度與波長的關(guān)系不大,各種波長的光被散射的強(qiáng)度差不多．因此從云朵散射的光呈現(xiàn)出的顏色與太陽光相同,只是強(qiáng)度有所減弱,為白色或灰色．牛奶呈現(xiàn)白色的原因也是因為大尺寸的蛋白質(zhì)和脂肪分子對光的散射．有霾的天氣,空氣中可能存在能夠吸收光的顆粒,顏色會比霧顯得更加暗淡．

4 結(jié)構(gòu)色

我們經(jīng)常會對蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛所呈現(xiàn)出的美麗色彩而贊嘆不已．這些顏色是怎樣形成的呢?在顯微鏡下觀測蝴蝶翅膀的微觀結(jié)構(gòu),上面有大量周期排列的規(guī)則小孔．[4]這些陣列結(jié)構(gòu)的周期大小和可見光波長相比擬,能夠?qū)膺M(jìn)行衍射．入射光在周期性結(jié)構(gòu)的作用下,在不同的傳播方向衍射光的波長不同．因此從不同的角度看,蝴蝶的翅膀會有不同的顏色．這是非常典型的結(jié)構(gòu)色．CD或DVD光盤、防偽標(biāo)簽、蛋白石等等,在光照下會有五顏六色的光彩,同樣是由于衍射效應(yīng)造成的．最近的研究表明,變色龍皮膚顏色的改變與其皮膚中規(guī)則排列并具有交替折射率的結(jié)構(gòu)單元有關(guān)．[5]變色龍在情緒發(fā)生變化時,皮膚中的規(guī)則結(jié)構(gòu)單元周期發(fā)生改變,從而導(dǎo)致不同的顏色被反射出來．

肥皂膜、油膜在陽光下是彩色的,從不同的角度能看到不同的顏色．如何解釋這一光學(xué)現(xiàn)象呢?這是由于薄膜的厚度與可見光波長接近,薄膜的上下表面反射的光線能夠發(fā)生干涉．從不同的角度觀察,對應(yīng)的波長和顏色不同．利用類似的干涉原理,眼鏡、相機(jī)鏡頭通常需要鍍膜來反射紫外線或增加可見光的透射．薄膜的干涉也能運用在太陽能電池上面,以達(dá)到降低光反射、提高光利用率的目的．

上述提及的內(nèi)容只覆蓋了生活中關(guān)于顏色的一部分,大自然中其他與顏色相關(guān)的現(xiàn)象仍然需要不斷探索．盡管如此,了解一些基本的光學(xué)知識和顏色的形成機(jī)理有助于我們更好地了解世界,更加熱愛帶給我們絢爛色彩的大自然．