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自然界中,存在许多种白光的分光现象,彩虹只是其中的一种,由光栅,薄膜,以及光弹性现象也可产生彩色光谱,但其机理与彩虹或棱镜的机理完全不同。
撰文|吴进远
编辑|邸利会
“肥皂泡,光盘上的彩色和彩虹是一回事吗?”
“彩虹和棱镜是一回事吗?”
自然界中,存在许多种白光的分光现象,彩虹只是其中的一种。这些分光现象的机理很不相同,如果从课本上找,它们分散在从初中到本科生物理之中。可,是一个孩子看见这些分光现象的次序,却不是由易到难的,不定什么时候问你哪一个。
如果家长只回答一句“太阳光是红橙黄绿青蓝紫七种颜色构成的”,然后就没了词儿,这样太敷衍了。如果随意说:“就像三棱镜一样”也不妥,因为对于很多分光现象而言,它们的原理与三棱镜是完全不同的,这样说是一种误导。
孩子们问起问题,源于其珍贵的好奇心与求知欲,极其需要悉心保护,家长们遇到问题最好先认真地查找一下再回答。我这里,就把一些容易混淆的白光分解现象及其原理集中写出来,您家娃以后问的到,可以翻出来和娃一块读。
棱镜
谈到棱镜,大家都知道那位非常牛的牛顿,曾经用棱镜,将太阳的白光分解成了彩色的光带。我们现在,在学校和科技馆经常会看到类似的实验。当然,棱镜在普通的商店并不容易买到,不过我们可以寻找替代的器材,像这种棱边的镜子就可以用来做这个实验。
这种奇妙的花样,对所有年龄段的学生都有强烈的吸引力。低幼年龄的学生甚至可以一边晒脚丫(以促进维生素D合成,改善钙质吸收),一边观察这个光学现象。这些光斑中有一些是白色的,但也有一些是彩色的。
水泥地面平整坚硬而草地则很松软,于是一个横排中,先走进草地的同学行进速度瞬间变慢。这样一来,横排的方向由此改变,整个队伍的行进方向也随之偏折,这对应于光学中的折射现象。假如有红队和蓝队两组学生,在草地中蓝队行进速度比红队慢,这样蓝队偏折的程度就会比较厉害。如果开始时两队在水泥地面的行进方向相同,那么到草地上的行进方向就会不同,这对应于光学中的色散现象。
明白了介质的色散,就很容易理解棱镜分解白光的原理了。
白光照射到棱镜的表面,不同颜色的光传播的方向因为介质的色散而变得不同。在棱镜的另一个表面,光线又经过一次折射。随着光线传播的距离不断增加,不同颜色的光沿着不同的方向传播,最终互相分离。
对于棱边的镜子,背后镀了一层银,其作用相当于把一个对称的棱镜折叠了一下。最终的效果还是把不同颜色的光分开,呈现出我们看到的彩色光斑。
我们看到能够分解白光的棱镜,都是前后两个表面不平行的。口碑杏3沐鸣主管实际上,前后两个表面平行的透明体,比如平板玻璃,也应该算是一种特殊的棱镜。可是,当太阳光斜着射入房间时,我们却看不到白光的分解,难道平板玻璃没有色散吗?
实际上,不管玻璃做成什么形状,色散始终存在。太阳光在射入玻璃前表面时,不同颜色的光同样会折射到不同的方向,这和在棱镜中没有任何不同。可是,当光线传播到平板玻璃的后表面时,光线又经历了一次折射。这第二次折射与前一次折射角度大小相同而方向相反,于是,所有不同颜色的光又恢复到完全相同的方向,不管而后传播多远,仍然是混在一起的白的光。
所以,棱镜上存在两个不平行的平面,使得色散效应不会在两次折射中完全抵消,这样才能将白光分解。
霓与虹
彩虹也是由于介质的色散造成的白光分解现象,有一些科普读物会说彩虹形成的原因“像三棱镜一样”。实际上,彩虹颜色产生的机理,与棱镜在很多方面是不同的。
彩虹是悬浮在空气中的水珠,在太阳的照耀下形成的。彩虹经常是由内外两个同心圆弧形的彩带构成的,内圈的叫做虹,外圈的叫做霓。
我们知道,一种波长的光透过光栅时,有时会在不只一个方向上互相加强,形成很多级的极大。光栅的结构越细,则极大之间的夹角就越大,反之结构越粗,这些极大之间的夹角就越小。
窗纱每根丝之间的间距比较大,因此极大之间的夹角相对比较小,因此我们可以在一个不大的角度范围内看到很多个极大。不过,由于极大之间的夹角比较小,因而用肉眼观察时往往不易发现光芒中存在的彩色。这就是为什么我们的照相机要用长焦镜头,长焦镜头起到放大视角的作用,实际上,我们用望远镜来观察远处的夜景,也可以看到同样的现象,望远镜也是一种放大视角的装置。
早几年,我们用光盘来存储音乐,电影或其他数据。光盘上有着很细密的圆形刻纹,因此是一种很好的环形光栅。利用光盘,可以做很多有趣的光谱分析实验。
大家可以带着孩子做个简单的实验。将一个光盘平放在桌面或地面上,旁边放一叠书。把手机照相机开到拍摄视频的模式,并且打开照明用的发光二极管。
一个薄膜有上下两个表面,光照上去,两个表面都会把光反射回来。从这两个表面反射回来的光互相叠加而出现干涉现象。对于某一波长的光,在一定厚度的薄膜上下两个表面反射,这两个反射光可能加强,也可能互相抵消。反射的角度也会影响到这种加强或抵消。
我们在观察薄膜上的某一个位置时,如果一种波长的光互相加强,则另一种波长的光就可能抵消。比如在某个位置红色加强,则紫色可能会抵消。反之在另一位置,紫色可能加强而红色可能抵消。这样,薄膜就可能呈现彩色的干涉图样。
此外,我们还能注意到,能够看到白光分解现象的薄膜通常比较薄。如果薄膜太厚,当前后两个表面反射的光波相遇时,这两个光波很可能来自两个互不相干的原子,这样一来,两个波到底是加强还是抵消就完全变成了随机的,而不仅仅取决于光的波长,这样的薄膜表面的反光通常是白色的。
当我们把肥皂膜竖立起来后,在重力作用下,肥皂膜变成楔形,上面薄而下面厚。由于薄膜上的色彩与薄膜的厚度有关,所以,竖立起来的肥皂膜显示出横向的彩色条纹。
光弹性
光弹性现象来源于一些透明材料,比如硬塑料或者有机玻璃,在内部应力影响下产生的双折射现象。双折射是指光线透过材料时表现出两种不同的折射率比。如一个偏振光可以分解为两个不同的偏振分量,而这两个偏振分量的折射率,或者说传播速度,在水或者空气等介质中,通常是一样的。但在双折射介质中,这两个偏振分量的速度可能是不同的。
当光穿过一定厚度的双折射介质后,两个跑得不一样快的偏振分量重新结合,其总效果,是偏振光的偏振方向改变了。对于不同波长的光,其偏振方向的改变量也有所不同。当这些光通过过一个偏振片时,不同颜色的光的相对强度也因偏振方向的不同而改变。这样我们就能看到塑料构件上的彩色了。
我们拍摄这个照片时,用笔记本计算机的显示屏作为光源。液晶显示屏表面最外层是偏振片,射出的光是偏振的。
硬塑料制品是通过注塑工艺制作的,在冷却过程中,内部残留了复杂的应力,很多地方介质是双折射的。
硬塑料制品放在显示屏前面本身并不产生彩色,但如果把另一个偏振片放在眼前,或者挡在照相机的镜头前,就能看到绚烂纷呈的色彩了。
由光栅,薄膜,以及光弹性现象所产生的彩色光谱,与彩虹或棱镜的机理完全不同。希望大家把这些搞清楚,避免将来给孩子留在混淆的概念。
简单地说,并不是只有彩虹或者棱镜才可以把白光分解成绚烂的七彩。口碑杏3沐鸣主管
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