介質(zhì)

光的色散需要有能折射光的介質(zhì)，介質(zhì)折射率隨光波頻率或真空中的頻率而變。當(dāng)復(fù)色光在介質(zhì)界面上折射時(shí)，介質(zhì)對(duì)不同頻率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離。1672年，牛頓利用三棱鏡將太陽(yáng)光分解成彩色光帶，這是人們首次作的色散實(shí)驗(yàn)。通常介質(zhì)的折射率n或色散率與頻率的關(guān)系來描述色散規(guī)律。任何介質(zhì)的色散均可分正常色散和反常色散兩種。

光波

光的色散當(dāng)然還要有光波。光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的頻率決定的，在可見光區(qū)域，紅光頻率最小，紫光的頻率最大，各種頻率的光在真空中傳播的速度都相同，約等于3.0×108m/s。但是不同頻率的單色光，在介質(zhì)中傳播時(shí)由于與介質(zhì)相互作用，傳播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同。介質(zhì)對(duì)紅光的折射率小，對(duì)紫光的折射率大。當(dāng)不同色光以相同的入射角射到三棱鏡上，紅光發(fā)生的偏折最少，它在光譜中處在靠近頂角的一端。紫光的頻率大，在介質(zhì)中的折射率大，在光譜中也就排列在最靠近棱鏡底邊的一端。

基本原理

在光學(xué)中，將復(fù)色光分解成單色光的過程，叫光的色散。

由兩種或兩種以上的單色光組成的光（由兩種或兩種以上的頻率組成的光），稱為復(fù)色光。不能再分解的光（只有一種頻率），稱為單色光。

注：眼睛的色覺細(xì)胞接收到不同頻率的可見光時(shí)，感覺到的顏色不同，顏色是不同頻率的光對(duì)色覺細(xì)胞的刺激而產(chǎn)生的。）

一般讓白光（復(fù)色光）通過三棱鏡就能產(chǎn)生光的色散。對(duì)同一種介質(zhì)，光的頻率越高，介質(zhì)對(duì)這種光的折射率就越大。在可見光中，紫光的頻率最高，紅光頻率最小。當(dāng)白光通過三棱鏡時(shí)，棱鏡對(duì)紫光的折射率最大，光通過棱鏡后，紫光的偏折程度最大，紅光偏折程度最小。這樣，三棱鏡將不同頻率的光分開，就產(chǎn)生了光的色散。

復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。（白光散開后單色光從上到下依次為“紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。）

色散可以利用三棱鏡或光柵等作為“色散系統(tǒng)”的儀器來實(shí)現(xiàn)。將顏色按一定順序排列形成光譜。光譜（spectrum）是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按頻率（或波長(zhǎng)）大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的電磁輻射被稱作可見光。光譜并沒有包含人類大腦視覺所能區(qū)別的所有顏色，譬如褐色和粉紅色。

法國(guó)數(shù)學(xué)家柯西發(fā)現(xiàn)折射率和光頻的關(guān)系，可以用一個(gè)級(jí)數(shù)表示：

n(f)=a bf2 cf4。

其中a，b，c是三個(gè)柯西色散系數(shù)，因不同的物質(zhì)而不同。只須測(cè)定三個(gè)不同的頻率下的折射率n(f)，代入柯西色散公式中可得到三個(gè)聯(lián)立方程式，解這組聯(lián)立方程式就可以得到這物質(zhì)的三個(gè)柯西色散系數(shù)。有了三個(gè)柯西色散系數(shù)，就可以計(jì)算出其他頻率下的折射率不需要再測(cè)量。

除了柯西色散公式之外，還有其他的色散公式。如Hartmann色散公式、Conrady色散公式、Hetzberger色散公式等。

復(fù)色光分解為單色光的現(xiàn)象叫光的色散。牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散,把白光分解為彩色光帶（光譜）。色散現(xiàn)象說明光在介質(zhì)中的速度v（或光的色散折射率n=c/v）隨光的頻率f而變。光的色散可以用三棱鏡、衍射光柵、干涉儀等來實(shí)現(xiàn)。

白光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等各種色光組成的，由單色光混合而成的光叫做復(fù)色光。不能再分解的色光叫做單色光。

色散可以利用棱鏡或光柵等作為“色散系統(tǒng)”的儀器來實(shí)現(xiàn)。

光的三基色：紅，綠，藍(lán)

另外，我們看的電視的熒光粉也是這種組合，你到彩電跟前看看CRT就是這樣，不過別看你面前電腦的監(jiān)視器，他的像素點(diǎn)太小了，肉眼分辨不出來的。RGB這三種顏色的組合，幾乎形成所有的顏色。

紅，綠，藍(lán)被稱為光的“三原色”，是因?yàn)樽匀唤缂t、綠、藍(lán)三種顏色是無法用其它顏色混合而成的，而其他顏色可以通過紅、綠、藍(lán)光的適當(dāng)混合而得到的，因此紅、綠、藍(lán)三種顏色被稱為光的“三原色”。

當(dāng)復(fù)色光在介質(zhì)界面上折射時(shí)，介質(zhì)對(duì)不同頻率的光有不同的折射率，各色光會(huì)因折射角不同而彼此分離。1672年，牛頓利用三棱鏡將色散太陽(yáng)光分解成彩色光帶，這是人們首次作的色散實(shí)驗(yàn)。通常用介質(zhì)的折射率n或色散率與頻率的關(guān)系來描述色散規(guī)律。任何介質(zhì)的色散均可分正常色散和反常色散兩種。

復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象。讓一束白光射到玻璃棱鏡上，光線經(jīng)過棱鏡折射以后就在另一側(cè)面的白紙屏上形成一條彩色的光帶，其顏色的排列是靠近棱鏡頂角端是紅色，靠近底邊的一端是紫色，中間依次是橙黃綠藍(lán)靛，這樣的光帶叫光譜。光譜中每一種色光不能再分解出其他色光，稱它為單色光。由單色光混合而成的光叫復(fù)色光。自然界中的太陽(yáng)光、白熾電燈和日光燈發(fā)出的光都是復(fù)色光。在光照到物體上時(shí)，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收。如果物體是透明的，還有一部分透過物體。不同物體，對(duì)不同顏色的反射、吸收和透過的情況不同，因此呈現(xiàn)不同的色彩。

光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的頻率決定的，在可見光區(qū)域，紅光頻率最小，紫光的頻率最大，各種頻率的光在真空中傳播的速度都相同，等于3.0×108m/s。但是不同頻率的單色光，在介質(zhì)中傳播時(shí)由于與介質(zhì)相互作用，傳播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同。介質(zhì)對(duì)紅光的折射率小，對(duì)紫光的折率大。當(dāng)不同色光以相同的入射角射到三棱鏡上，紅光發(fā)生的偏折最少，它在光譜中處在靠近頂角的一端。紫光的頻率大，在介質(zhì)中的折射率大，在光譜中也就排列在最靠近棱鏡底邊的一端。

夏天雨后，在朝著太陽(yáng)那一邊的天空上，常常會(huì)出現(xiàn)彩色的圓弧，這就是虹。形成虹的原因就是下雨以后，天上懸浮著很多極小的水滴，太陽(yáng)光沿著一定角度射入，就在這些小水滴中發(fā)生了色散，朝著小水滴看過去，就會(huì)出現(xiàn)彩色的虹。虹的顏色是紅色在外，紫色在內(nèi)，依次排列。

歷史研究

中國(guó)古代

中國(guó)古代對(duì)光的色散現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)最早起源于對(duì)自然色散現(xiàn)象——虹的認(rèn)識(shí)。虹，是太陽(yáng)光沿著一定角度射入空氣中的水滴所引起的比較復(fù)雜的由折射和反射造成的一種色散現(xiàn)象。

中國(guó)早在殷代甲骨文里就有了關(guān)于虹的記載。當(dāng)時(shí)把“虹”字寫成“絳”。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期《楚辭》中有把虹的顏色分為“五色”的記載。東漢蔡邕（132~192年）在《月令章句》中對(duì)虹的形成條件和所在方位作了描述。唐初孔穎達(dá)（574~648年）在《禮記注疏》中粗略地揭示出虹的光學(xué)成因：“若云薄漏日，日照雨滴則生虹”說明虹是太陽(yáng)光照射雨滴所產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。公元八世紀(jì)中葉，張志和（744~773年）在《玄真子·濤之靈》中第一次用實(shí)驗(yàn)方法研究了虹，而且是第一次有意識(shí)地進(jìn)行的白光色散實(shí)驗(yàn)：“背日噴呼水成虹霓之狀，而不可直也，齊乎影也”。唐代以后，不斷有人重復(fù)類似的實(shí)驗(yàn)，如南宋朝蔡卞進(jìn)行了一個(gè)模擬“日照雨滴”的實(shí)驗(yàn)，把虹和日月暈現(xiàn)象聯(lián)系起來，有意說明虹的產(chǎn)生是一種色散過程，并指出了虹和陽(yáng)光位置之間的關(guān)系。南宋程大昌（1123~1195年）在《演繁露》中記述了露滴分光的現(xiàn)象，并指出，日光通過一個(gè)液滴也能化為多種顏色，實(shí)際是色散，而這種顏色不是水珠本身所具有，而是日光的顏色所著，這就明確指出了日光中包含有數(shù)種顏色，經(jīng)過水珠的作用而顯現(xiàn)出來，可以說，他已接觸到色散的本質(zhì)了。

在我國(guó)從晉代開始，許多典籍都記載了晶體的色散現(xiàn)象。如記載過孔雀毛及某種昆蟲表皮在陽(yáng)光下不斷變色的現(xiàn)象，云母片向日舉之可觀察到各種顏色的光。李時(shí)珍也曾指出較大的六棱形水晶和較小的水晶珠，都能形成色散。到了明末，方以智（1611~1671年）在所著《物理小識(shí)》中綜合前人研究的成果，對(duì)色散現(xiàn)象作了極精彩的概括，他把帶棱的自然晶體和人工燒制的三棱晶體將白光分成五色，與向日噴水而成的五色人造虹、日光照射飛泉產(chǎn)生的五色現(xiàn)象，以及虹霓之彩、日月之暈、五色之云等自然現(xiàn)象聯(lián)系起來，認(rèn)為“皆同此理”即都是白光的色散。所有這些都表明中國(guó)明代以前對(duì)色散現(xiàn)象的本質(zhì)已有了較全面的認(rèn)識(shí)，但也反映中國(guó)古代物理學(xué)知識(shí)大都是零散、經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)。

牛頓之前

在光學(xué)發(fā)展的早期，對(duì)顏色的解釋顯得特別困難。在牛頓以前，歐洲人對(duì)顏色的認(rèn)識(shí)流行著亞里士多德的觀點(diǎn)。亞里士多德認(rèn)為，顏色不是物體客觀的性質(zhì)，而是人們主觀的感覺，一切顏色的形成都是光明與黑暗、白與黑按比例混合的結(jié)果。1663年波義耳也曾研究了物體的顏色問題，他認(rèn)為物體的顏色并不是屬于物體的帶實(shí)質(zhì)性的性質(zhì)，而是由于光線在被照射的物體表面上發(fā)生變異所引起的。能完全反射光線的物體呈白色，完全吸收光線的物體呈黑色。另外還有不少科學(xué)家，如笛卡兒、胡克等也都討論過白光分散或聚集成顏色的問題，但他們都主張紅色是大大地濃縮了的光，紫光是大大地稀釋了的光這樣一個(gè)復(fù)雜紊亂的理論。所以在牛頓以前，由棱鏡產(chǎn)生的折射被假定是實(shí)際上產(chǎn)生了色，而不是僅僅把已經(jīng)存在的色分離開來。

探索研究

（1）設(shè)計(jì)并進(jìn)行三棱鏡實(shí)驗(yàn)

當(dāng)白光通過無色玻璃和各種寶石的碎片時(shí)，就會(huì)形成鮮艷的各種顏色的光，這一事實(shí)早在牛頓的幾個(gè)世紀(jì)之前就已有了解，可是直到十七世紀(jì)中葉以后，才有牛頓通過實(shí)驗(yàn)研究了這個(gè)問題。該實(shí)驗(yàn)被評(píng)為“物理最美實(shí)驗(yàn)”之一。

牛頓首先做了一個(gè)有名的三棱鏡實(shí)驗(yàn)，他在著作中記載道：“1666年初，我做了一個(gè)三角形的玻璃棱柱鏡，利用它來研究光的顏色。為此，我把房間里弄成漆墨的，在窗戶上做一個(gè)小孔，讓適量的日光射進(jìn)來。我又把棱鏡放在光的入口處，使折射的光能夠射到對(duì)面的墻上去，當(dāng)我第一次看到由此而產(chǎn)生的鮮明強(qiáng)烈的光色時(shí)，使我感到極大的愉快?！蓖ㄟ^這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在墻上得到了一個(gè)彩色光斑，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。牛頓把這個(gè)顏色光斑叫做光譜。

（2）進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲得純光譜

牛頓在上述實(shí)驗(yàn)中所得到的光譜是不純的，他認(rèn)為光譜之所以不純是因?yàn)楣庾V是由一系列相互重疊的圓形色斑的像所組成。牛頓為了獲得很純的光譜，便設(shè)計(jì)了一套光學(xué)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

用白光通過一透鏡后照亮狹縫S，狹縫后放一會(huì)聚透鏡（凸透鏡）以便形成狹縫S的像S‘。然后在透鏡的光路上放一個(gè)棱鏡。結(jié)果光通過棱鏡因偏轉(zhuǎn)角度不同而被分開，以至在白色光屏上形成一個(gè)由紅到紫的光譜帶。這個(gè)光譜帶是由一系列彼此鄰接的狹縫的彩色像組成的。若狹縫做得很窄，重疊現(xiàn)象就可以減小到最低限度，因而光譜也變得很純。

（3）牛頓提出解釋光譜的理論

牛頓為了解釋三棱鏡實(shí)驗(yàn)中白光的分解現(xiàn)象，認(rèn)為白光是由各種不同顏色光組成的，玻璃對(duì)各種色光的折射率不同，當(dāng)白光通過棱鏡時(shí)，各色光以不同角度折射，結(jié)果就被分開成顏色光譜。白光通過棱鏡時(shí)，向棱鏡的底邊偏折，紫光偏折最大，紅光偏折最小。棱鏡使白光分開成各種色光的現(xiàn)象叫做色散。嚴(yán)格地說，光譜中有很多各種顏色的細(xì)線，它們都極平滑地融在相鄰的細(xì)線里，以至使人覺察不到它的界限。

（4）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述理論的正確性

為了進(jìn)一步研究光的顏色，驗(yàn)證上述理論的正確性，牛頓又做了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

牛頓在觀察光譜的屏幕DE上打一小孔，再在其后放一有小孔的屏幕de，讓通過此小孔的光是具有某種顏色的單色光。牛頓在這個(gè)光束的路徑上再放上第二個(gè)棱鏡abc，它的后面再放一個(gè)新的觀察屏V。實(shí)驗(yàn)表明，第二個(gè)棱鏡abc只是把這個(gè)單色光束整個(gè)地偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，而并不改變光的顏色。實(shí)驗(yàn)中，牛頓轉(zhuǎn)動(dòng)第一個(gè)棱鏡ABC，使光譜中不同顏色的光通過DE和de屏上的小孔，在所有這些情況下，這些不同顏色的單色光都不能被第二個(gè)棱鏡再次分解，它們各自通過第二個(gè)檢鏡后都只偏轉(zhuǎn)一定的角度，而且發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同顏色的光偏轉(zhuǎn)的角度不同。

通過這些實(shí)驗(yàn)，牛頓得出結(jié)論：白光能分解成不同顏色的光，這些光已是單色的了，棱鏡不能再分解它們。

（5）單色光復(fù)合為白光的實(shí)驗(yàn)

白光既然能分解為單色光，那么單色光是否也可復(fù)合為白光呢”為此牛頓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。把光譜成在一排小的矩形平面鏡上，就可使光譜的色光重新復(fù)合為白光。調(diào)節(jié)各平面鏡與入射光的夾角，使各反射光都落在光屏的同一位置上，這樣就得到一個(gè)白色光班。

牛頓指出，還可以用另一種方法把色光重新復(fù)合為白光。把光譜畫在圓盤上成扇形，然后高速旋轉(zhuǎn)這個(gè)圓盤，圓盤就呈現(xiàn)白色。這種實(shí)驗(yàn)效果一般稱為“視覺暫留效應(yīng)”。眼睛視網(wǎng)膜上所成的像消失后，大腦還可以把印象保留零點(diǎn)幾秒種。從而，大腦可將迅速變化的色像復(fù)合在一起，就形成一個(gè)靜止的白色像。在電視屏幕上或電影屏幕上，我們能夠看到連續(xù)的圖像，其原因也正在于利用了人的“視覺暫留效應(yīng)”。

（6）牛頓對(duì)光的色散研究成果

牛頓通過一系列的色散實(shí)驗(yàn)和理論研究，把結(jié)果歸納為幾條，其要點(diǎn)如下：

①光線隨著它的折射率不同而顏色各異。顏色不是光的變樣，而是光線本來就固有的性質(zhì)。

②同一顏色屬于同一折射率，反之亦然。

③顏色的種類和折射的程度為光線所固有，不因折射、反射和其它任何原因而變化。

④必須區(qū)別本來單純的顏色和由它們復(fù)合而成的顏色。

⑤不存在自身為白色的光線。白色是由一切顏色的光線適當(dāng)混合而產(chǎn)生的。事實(shí)上，可以進(jìn)行把光譜的顏色重新合成而得到白光的實(shí)驗(yàn)。

⑥根據(jù)以上各條，可以解釋三棱鏡使光產(chǎn)生顏色原因與虹的原理等。

⑦自然物的顏色是由于該物質(zhì)對(duì)某種光線反射得多，而對(duì)其他光線反射得少的原因。

⑧由此可知，顏色是光（各種射線）的質(zhì)，因而光線本身不可能是質(zhì)。因?yàn)轭伾@樣的質(zhì)起源于光之中，

（7）牛頓對(duì)于光的色散現(xiàn)象的研究方法的特點(diǎn)

從以上可看出牛頓在對(duì)光的色散研究中，采用了實(shí)驗(yàn)歸納——假說理論——實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的典型的物理規(guī)律的研究方法，并滲透著分析的方法（把白光分解為單色光研究）和綜合的方法（把單色光復(fù)合為白光）等物理學(xué)研究的方法。

光的色散說明了光具有波動(dòng)性。因?yàn)樯⑹枪獾某煞郑ú煌猓┱凵渎什煌鸬模凵渎视刹ǖ念l率決定。

光具有粒子性最典型的例子就是光電效應(yīng)。

現(xiàn)象舉例

虹

夏天雨后，在和太陽(yáng)相對(duì)著的方向，常常會(huì)出現(xiàn)彩色的圓弧，這就是虹。我們又統(tǒng)稱彩虹。形成虹的原因就是下雨以后，天上懸浮著很多極小的水滴，太陽(yáng)光沿著一定角度射入，這些小水滴就發(fā)生了色散，朝著小水滴看過去，就會(huì)出現(xiàn)彩色的虹。色彩一般為七彩色，從外至內(nèi)分別為：赤、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。在中國(guó)，也常有“紅橙黃綠青藍(lán)紫”的說法。（其實(shí)這是一種光的色散現(xiàn)象。）毛澤東曾于1933年夏所作一詞描繪了彩虹的色彩：“赤橙黃綠青藍(lán)紫，誰(shuí)持彩練當(dāng)空舞。雨后復(fù)斜陽(yáng)，關(guān)山陣陣蒼……”

霓

有時(shí)在虹的外側(cè)還能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫內(nèi)紅。稱為副虹或霓。

霓和虹的不同點(diǎn)僅僅在于光線在雨點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生二次內(nèi)反射，因此光線通過雨滴后射到我們眼簾時(shí)，光弧色帶就與虹正好相反。