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1、第六章：光的色散，牛顿发现但完成的不够究竟！在介绍光的色散的时候，我们先来了解一下光谱。它的全称是光学频谱，简称光谱，是复色光通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光后，依照光的波长（或频率）的大小顺次排列形成的图案。光谱中的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的唯一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。在这里给大家讲一个我看过的故事：在一所著名高等学府的课堂上，一位学生举手发言：教授，我可以请教您一个问题吗?教授回答：当然可以。那位学生站起来说道：教授，寒冷存在吗？教授回答：这是什么问题？它当然存在。难道你从不觉得冷吗？其他学
2、生纷纷窃笑那位年轻人的问题。年轻人回答说：教授，事实上寒冷并不存在。依据物理定律，我们之所以会感觉冷，是因为缺少热能的缘故。每个人或物体对能量的获得或传送的情况，都可以测得出来，而热能就是这个使人体或物体获得或传递能量的东西。绝对零度（摄氏零下273度）时完全没有热能的存在。在这个温度时，所有物体分子都呈现静止状态，不会发生任何反应。所以实际上寒冷并不存在，我们创造这个词汇是为了描述没有热能的感觉。而回答这个问题的正是我们所知道的伟大物理学家爱因斯坦。讲这个故事，是要告诉大家，思想这个东西很奇特，有一些在我们脑中根深蒂固的词，不是客观的词。对于我现在要给大家科普的光的概念，其实也有必要来知道这
3、一点。就好像人类可以看见光，但蚂蚁，蛇，蝙蝠也能看到我们所看到的光世界吗？看过动物世界的人，都知道不同生物眼中世界是不一样的。所以光，颜色在我们要探知光本质的时候，一定要区分什么是你需要的，什么不是你需要的。 故事中提到的热其实就是光，可是你能看到热吗？显然回答是，有的热可以看见，有的热看不见。就像要说的光谱一样。我们人眼可以看见的光谱，就是可以看见的热；看不见的光谱，自然是看不见的热。但我们可以通过其他手段和技术检测出来。光谱的范围，其实就是电磁波的范围，给大家看一个图，大家就明白了。大家应该看到了，整个电磁波的波普范围很大，可见光的范围是很小的。波长范围是390到770纳米的可见光区。其他
4、都是人眼所不能看见的光谱。为什么在讲光的色散的时候，要讲这个电磁波的波普，想必现在大家就清楚了。因为色散所反映的波长范围，是电磁波波普范围的一小部分。所以了解电磁波是什么对于我们后面的内容，至关重要。电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。当其能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射，此阶段波体为光子。太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态，电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速。电磁辐射由低频率到高频率，主要分为：无线电波、微波、红外线、可
5、见光、紫外线、X射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波，称为可见光（波长380780nm）。电磁辐射量与温度有关【上面就已经提到了，细心的同学会注意到这点。】，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，但大多不能被肉眼观察到。频率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及射线。最重要的一点，大家要知道电磁波是一种能量，是一种物质！ 所以这也是我在上面总结光的全反射的时候说，绝对意义上的全反射是不存在的。电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=EH,其中S
6、为坡印廷矢量，E为电场强度，H为磁场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能，单位是W/m2。他们之间的关系：也就是说能量在运动和转移的过程中，必然转化和转移，虽然总量保持不变，但这意味着，射入的光，和反射出的光之间不是等号。所以全反射不存在。我们还需要对光谱的产生方式和产生本质进行了解：光谱按产生方式，可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱。有的物体能自行发光，由它直接产生的光形成的光谱叫做发射光谱。发射光谱可分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，由一些不连续的亮线组成；带状光谱主要产生于分子，由一些密集的
7、某个波长范围内的光组成；连续光谱则主要产生于白炽的固体、液体或高压气体受激发发射电磁辐射，由连续分布的一切波长的光组成。吸收光谱是指物质吸收光子，从低能级跃迁到高能级而产生的光谱。吸收光谱可是线状谱或吸收带。研究吸收光谱可了解原子、分子和其他许多物质的结构和运动状态，以及它们同电磁场或粒子相互作用的情况。当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。按产生本质，光谱可分为分子
8、光谱与原子光谱。在分子中，电子态的能量比振动态的能量大50100倍，而振动态的能量又比转动态的能量大50100倍。因此在分子的电子态之间的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁的，因而许多光谱线就密集在一起而形成分子光谱。因此，分子光谱又叫做带状光谱。在原子中，当原子以某种方式从基态提升到较高的能态时，原子内部的能量增加了，原子中的部分电子提升到激发态，然而激发态都不能维持，在经历很短的一段随机的时间后，被激发的原子就会回到原来能量较低的状态。在原子中，被激发的电子在回到能量较低的轨道时释放出一个光子，也就是说这些能量将被以光的形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，亦即原子光谱。因为这种原子能
9、态的变化是非连续量子性的，所产生的光谱也由一些不连续的亮线所组成，所以原子光谱又被称作线状光谱。回到我们的副标题，光的色散。雨后出现的彩虹，你知道是怎么形成的吗？答案就是“色散”。是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴所引起的比较复杂的由折射和反射造成的一种色散现象。牛顿做的著名的“三棱镜”实验，证明了色散现象的存在。牛顿是对这个现象做研究的第一个人。在1666年他最先利用三棱镜观察到光的色散，把白光分解为彩色光带（光谱）。色散现象说明光在介质中的速度v=c/n（或折射率n）随光的频率f而变。光的色散证明了光具有波动性。光波都有一定的频率，光的颜色是由光波的频率决定的，在可见光区域，红光频率最小
10、，紫光的频率最大，各种频率的光在真空中传播的速度都相同，约等于3.0108m/s。但是不同频率的单色光，在介质中传播时由于与介质相互作用，传播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同。红光速度快，紫光的传播速度慢，因此介质对红光的折射率小，对紫光的折率大。当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上，红光发生的偏折最少，它在光谱中处在靠近顶角的一端。紫光的频率大，在介质中的折射率大，在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边的一端。也就是说，光有复色光和单色光的区别。这种区别是我们看到不同颜色的区别，本质上眼睛的色觉细胞接收到不同频率的可见光时，感觉到的颜色不同，颜色是不同频率的光对色觉细胞的刺激而产生
11、的。由两种或两种以上的单色光组成的光（由两种或两种以上的频率组成的光），称为复色光。不能再分解的光（只有一种频率），称为单色光。红，绿，蓝被称为光的“三原色”，是因为自然界红、绿、蓝三种颜色是无法用其它颜色混合而成的，而其他颜色可以通过红、绿、蓝光的适当混合而得到的，因此红、绿、蓝三种颜色被称为光的“三原色”。大家想想，这意味着什么？这意味着白色光这种电磁波是由7种电磁波“组合”而成。为何要将组合二字加上双引号，是为了说明这种组合的神奇性。它可能是叠加方式，也可能是融合方式，总之是一件奇妙的事情。 但更奇妙是，在整个电磁波波普中，其实人眼可见的波普段是很小的。其他如x射线，伽马射线我们并没有听
12、说它们可以像白光一样，也能分解出其他颜色的光。那就说明，它们本身就是“单色”的。但一般不能成为单色光，因为“光”一般指人眼可以看见的波普。如果我们单单把这种情况看成是宇宙对人类的独宠，就太大意了。色散的本质我们一般认为当复色光在介质界面上折射时，介质对不同波长的光有不同的折射率，各色光因所形成的折射角不同而彼此分离。所以才分解成彩色光带。我们在研究光波的时候，我会发现经常会拿水波形象比喻光波的情况。但就色散而言，我们无法想象，7条单一的水波，汇成一条。显然复色的光分解为单色的光的本质，从能量上来说，光量子个数相同，那么振动频率越大，波长越短，能量越高。高频区（高能辐射区）其中包括x射线，射线和
13、宇宙射线。他们是利用带电粒子轰击某些物质而产生的。这些辐射的特点是他们的量子能量高，当他们与物质相互作用时，波动性弱而粒子性强。长波区（低能辐射区）其中包括长波、无线电波和微波等最低频率的辐射。它们由电子束管 配合电容、电感的共振结构来产生和接收的，也就是能量在电容和电感之间振荡而形成。它们与物质间的相互作用更多地表现为波动性。中间区（中能辐射区）其中包括红外辐射、可见光和紫外辐射。这部分辐射产生于原子和分子的运动，在红外区辐射主要产生于分子的转动和振动；而在可见与紫外区辐射主要产生于电子在原子场中的跃迁。这部分辐射统称为光辐射，这些辐射在与物质的相互作用中 ，显示出波动和粒子双重性。现在我问
14、大家一个问题：白色光可以分解为7种光，但白色光的能量等于这7种单色光的能量吗？我们知道电磁波的光子能量计算公式是：E=hv，这是光子能量的大小表达式。h为普朗克常数，v为辐射电磁波的频率。那么电磁波的能量就是E=nhv。n光量子的个数。然后根据频率大的，能量大。我们可以知道紫光比白光能量大！ 这对吗？各位怎么看？答案远远不是这么简单，各位。我在写物理宇宙科普书变化的时候，发了一些章节在头条上，有很多人骂我。但现在，我自己都想骂我自己。一个不精通高等数学的人科普物理，大脑还是真有不够用的时候。现在就是这个时候了。看着上面麦克斯韦方程组，我只能通过别人翻译的文字去理解。可是当我要计算一些想法的时候
15、，我就被困住了。我在对自己提出的这个问题，进行了仔细的审阅之后，发现它可能是个伪命题。 白色光是可以分别出7中颜色的光谱，但这光谱叫彩色光带。也就说这7种光还可以变回白色光。彩色光带和7条光线是不同的概念，也就是说白色光分解为7色光带，光带中的每种光，是和光带是一个整体，无法分离。 这样的话，能量的守恒就是完整的。如果像我上面所分析的，分解后7色光，按单个光那样计算能量来和原来的白色光进行对比，竟然会得出能量不守恒的结论。那就是说白色光所携带的能量，和光带的能量是相同的【光带能量加上传播中损耗的能量等于白色光所携带的能量！】强调建议现在的教课书，在高中和大学的时候，可以增加关于光的色散更加量子
16、层面的描述和本质的探索。另外大家要知道，光的三原色：红，绿，蓝。这三种光组合可以出现其他颜色的光，包括白光。人的眼睛是根据所看见的光的波长来识别颜色的。可见光谱中的大部分颜色可以由三种基本色光按不同的比例混合而成，这三种基本色光的颜色就是红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三原色光。这三种光以相同的比例混合、且达到一定的强度，就呈现白色（白光）；若三种光的强度均为零，就是黑色（黑暗）。我相信此刻，你看着这篇文章之后，脑中的问题远远比教科书中的答案多。这就是我要给你的东西，我们对于光的研究，这些总以为是很清楚的，但事实上呢？ 拉出来100个大学生，有几个可以回答上面的问题？这正好说明了，我有科普的必要，启发大家的必要。生命在于运动，更在于探索。灵遁者摘自独立学者，作家，艺术家灵遁者量子力学科普见微
