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，介質(zhì)對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光分解成彩色光帶，這是人們首次作的色散實驗。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)對紅光的折射率小，對紫光的折射率大。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，感覺到的顏色不同，顏色是不同頻率的光對色覺細(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。對同一種介質(zhì)，光的頻率越高，介質(zhì)對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，棱鏡對紫光的折射率最大，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）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，可以用一個級數(shù)表示：

n(f)=a bf2 cf4。

其中a，b，c是三個柯西色散系數(shù)，因不同的物質(zhì)而不同。只須測定三個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)的三個柯西色散系數(shù)。有了三個柯西色散系數(shù)，就可以計算出其他頻率下的折射率不需要再測量。

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”，是因為自然界紅、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，介質(zhì)對不同頻率的光有不同的折射率，各色光會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光分解成彩色光帶，這是人們首次作的色散實驗。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，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)對紅光的折射率小，對紫光的折率大。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，在朝著太陽那一邊的天空上，常常會出現(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

中國古代

中國古代對光的色散現(xiàn)象的認(rèn)識最早起源于對自然色散現(xiàn)象——虹的認(rèn)識。虹，是太陽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。

中國早在殷代甲骨文里就有了關(guān)于虹的記載。當(dāng)時把“虹”字寫成“絳”。戰(zhàn)國時期《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》中第一次用實驗方法研究了虹，而且是第一次有意識地進(jìn)行的白光色散實驗：“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)類似的實驗，如南宋朝蔡卞進(jìn)行了一個模擬“日照雨滴”的實驗，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，日光通過一個液滴也能化為多種顏色，實際是色散，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》中綜合前人研究的成果，對色散現(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明代以前對色散現(xiàn)象的本質(zhì)已有了較全面的認(rèn)識，但也反映中國古代物理學(xué)知識大都是零散、經(jīng)驗性的知識。

牛頓之前

在光學(xué)發(fā)展的早期，對顏色的解釋顯得特別困難。在牛頓以前，歐洲人對顏色的認(rèn)識流行著亞里士多德的觀點。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)計并進(jìn)行三棱鏡實驗

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

牛頓首先做了一個有名的三棱鏡實驗，他在著作中記載道：“1666年初，我做了一個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，使我感到極大的愉快?！蓖ㄟ^這個實驗，在墻上得到了一個彩色光斑，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。牛頓把這個顏色光斑叫做光譜。

（2）進(jìn)一步設(shè)計實驗，獲得純光譜

牛頓在上述實驗中所得到的光譜是不純的，他認(rèn)為光譜之所以不純是因為光譜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)計了一套光學(xué)儀器進(jìn)行實驗。

用白光通過一透鏡后照亮狹縫S，狹縫后放一會聚透鏡（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由紅到紫的光譜帶。這個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驗中白光的分解現(xiàn)象，認(rèn)為白光是由各種不同顏色光組成的，玻璃對各種色光的折射率不同，當(dāng)白光通過棱鏡時，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，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)計實驗驗證上述理論的正確性

為了進(jìn)一步研究光的顏色，驗證上述理論的正確性，牛頓又做了另一個實驗。

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。牛頓在這個光束的路徑上再放上第二個棱鏡abc，它的后面再放一個新的觀察屏V。實驗表明，第二個棱鏡abc只是把這個單色光束整個地偏轉(zhuǎn)一個角度，而并不改變光的顏色。實驗中，牛頓轉(zhuǎn)動第一個棱鏡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棱鏡再次分解，它們各自通過第二個檢鏡后都只偏轉(zhuǎn)一定的角度，而且發(fā)現(xiàn)，對于不同顏色的光偏轉(zhuǎn)的角度不同。

通過這些實驗，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)合為白光的實驗

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)行實驗。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)這個圓盤，圓盤就呈現(xiàn)白色。這種實驗效果一般稱為“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）牛頓對光的色散研究成果

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

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。事實上，可以進(jìn)行把光譜的顏色重新合成而得到白光的實驗。

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)對某種光線反射得多，而對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)。因為顏色這樣的質(zhì)起源于光之中，

（7）牛頓對于光的色散現(xiàn)象的研究方法的特點

從以上可看出牛頓在對光的色散研究中，采用了實驗歸納——假說理論——實驗檢驗的典型的物理規(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性。因為色散是光的成分（不同色光）折射率不同引起的，而折射率由波的頻率決定。

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，在和太陽相對著的方向，常常會出現(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，也常有“紅橙黃綠青藍(lán)紫”的說法。（其實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，誰持彩練當(dāng)空舞。雨后復(fù)斜陽，關(guān)山陣陣蒼……”

霓

有時在虹的外側(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。

霓和虹的不同點僅僅在于光線在雨點內(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，光弧色帶就與虹正好相反。