白光不简单

2　白光不简单

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我们看到的日光，在感觉上都是白色的，但是太阳光真的是白色的么？也许，事实并不是我们看到的那个样子。

在光学发展的早期，对颜色的解释显得特别困难。在牛顿以前，欧洲人对颜色的认识流行着亚里士多德的观点。亚里士多德认为，颜色不是物体客观的性质，而是人们主观的感觉，一切颜色的形成都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果。1663年，波义耳也曾研究了物体的颜色问题，他认为物体的颜色并不是属于物体的带实质性的性质，而是由于光线在被照射的物体表面上发生变异所引起的。能完全反射光线的物体呈白色，完全吸收光线的物体呈黑色。另外还有不少科学家，如笛卡儿、胡克等也都讨论过白光分散或聚集成颜色的问题，但他们都主张红色是大大地浓缩了的光，紫光是大大地稀释了的光这样一个复杂紊乱的理论。所以在牛顿以前，由棱镜产生的折射被假定是实际上产生了色，而不是仅仅把已经存在的色分离开来。

波义耳

为了研究颜色的现象和光的本性，牛顿做了一个有名的三棱镜实验。1666年初，牛顿做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它来研究光的颜色。为了试验更加精确，牛顿首先把房间里弄成漆墨的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来；然后，又把棱镜放在光的入口处，使折射的光能够射到对面的墙上去。通过这个实验，在墙上得到了一个彩色光斑，颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。牛顿把这个颜色光斑叫做光谱。得出结论：白光是由不同颜色的光混合而成的，不同波长的光有不同的折射率。在可见光中，红光波长最长，折射率最小；紫光波长最短，折射率最大。牛顿的这一重要发现成为光谱分析的基础，揭示了光色的秘密。

为了解释三棱镜实验中白光的分解现象，认为白光是由各种不同颜色光组成的，玻璃对各种色光的折射率不同，当白光通过棱镜时，各色光以不同角度折射，结果就被分开成颜色光谱。白光通过棱镜时，向棱镜的底边偏折，紫光偏折最大，红光偏折最小。棱镜使白光分开成各种色光的现象叫做色散。严格地说，光谱中有很多各种颜色的细线，它们都及平滑地融在相邻的细线里，以至使人觉察不到它的界限。

光谱分析仪

在上面的实验中，牛顿所得到的光谱是不纯的，他认为光谱之所以不纯是因为光谱是由一系列相互重叠的圆形色斑的像所组成。牛顿为了获得很纯的光谱，便设计了一套光学仪器进行实验。

可以分解为多种颜色的光谱带

牛顿用白光通过一透镜后照亮狭缝，狭缝后放一面聚透镜以便形成狭缝的像。然后在透镜的光路上放一个棱镜。结果光通过棱镜因偏转角度不同而被分开，以至在白色光屏上形成一个由红到紫的光谱带。这个光谱带是由一系列彼此邻接的狭缝的彩色像组成的。若狭缝做得很窄，重叠现象就可以减小到最低限度，因而光谱也变得很纯。

知识拓展

牛顿对光的研究有哪些成果？

牛顿通过一系列的色散实验和理论研究，把结果归纳为几条，其要点如下：

（1）光线随着它的折射率不同而颜色各异。颜色不是光的变样，而是光线本来就固有的性质。

（2）同一颜色属于同一折射率，反之亦然。

（3）颜色的种类和折射的程度为光线所固有，不因折射、反射和其他任何原因而变化。

（4）必须区别本来单纯的颜色和由它们复合而成的颜色。

（5）不存在自身为白色的光线。白色是由一切颜色的光线适当混合而产生的。事实上，可以进行把光谱的颜色重新合成而得到白光的实验。

（6）根据以上各条，可以解释三棱镜使光产生颜色原因与虹的原理等。

（7）自然物的颜色是由于该物质对某种光线反射得多，而对其他光线反射得少的原因。

（8）由此可知，颜色是光（各种射线）的质，因而光线本身不可能是质。因为颜色这样的质起源于光之中，所以现在有充分的根据认为光是实体。

在设计并进行三棱镜实验当白光通过无色玻璃和各种宝石的碎片时，就会形成鲜艳的各种颜色的光，这一事实早在牛顿的几个世纪之前就已有了解，可是直到17世纪中叶以后，才有牛顿通过实验研究了这个问题。该实验被评为“物理最美实验”之一。

三棱镜

三棱镜是由透明材料作成的截面呈三角形的光学仪器，也叫“棱镜”。光学上用横截面为三角形的透明体叫做三棱镜，光密媒质的棱镜放在光疏媒质中（通常在空气中），入射到棱镜侧面的光线经棱镜折射后向棱镜底面偏折。

光从棱镜的一个侧面射入，从另一个侧面射出，射出光线将向底面偏折，偏折角的大小与棱镜的折射率，棱镜的顶角和入射角有关。

白光是由各种单色光组成的复色光；同一种介质对不同色光的折射率不同；不同色光在同一介质中传播的速度不同。

色散指复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。几列波在媒质中传播，它们的频率不同，传播速度亦不同，这种现象叫色散，在物理学中，把凡是与波速、波长有关的现象，叫作色散。

材料的折射率随入射光频率的减小而减小的性质，成为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于复色光中的各种色光的折射率不相同。当它们通过棱镜时，传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜则便各自分散。

知识解码

复色光的分解

复合光通过三棱镜等分光器被分解为各种单色光的现象，叫做光的色散。分开的单色光依次排列而成的光带叫做光谱。各种颜色的光在真空中都以恒定的速度传播；而在介质中，光波的传播速度要减小；而且不同波长的光波，传播速度也各不相同。因此，同一介质对不同的单色光折射率是不同的，红色光的折射率最小，紫色光的折射率最大。

介质折射率随光波频率或真空中的波长而变的现象。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，各色光因折射角不同而彼此分离。1672年，牛顿利用三棱镜将太阳光分解成彩色光带，这是人们首次作的色散实验。

复色光分解为单色光而形成光谱的现象。让一束白光射到玻璃棱镜上，光线经过棱镜折射以后就在另一侧面的白纸屏上形成一条彩色的光带，其颜色的排列是靠近棱镜顶角端是红色，靠近底边的一端是紫色，中间依次是橙黄绿蓝靛，这样的光带叫光谱。光谱中每一种色光不能再分解出其他色光，称它为单色光。由单色光混合而成的光叫复色光。自然界中的太阳光、白炽电灯和日光灯发出的光都是复色光。在光照到物体上时，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收。如果物体是透明的，还有一部分透过物体。不同物体，对不同颜色的反射、吸收和透过的情况不同，因此呈现不同的色彩。