又是一年賞花時，帶你解密繽紛色彩的真相_風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-04-09 15:31

2023-04-09

原創：中科院物理所

自孩童時起，

我們便用手中的蠟筆，

去描繪這個多彩的世界。

春日園中盛放的花朵、

夏日雨後高掛的彩虹、

秋日田間金黃的麥穗、

冬日枝頭潔白的霧凇……

長大後，

我們有的拍攝照片、

有的錄像剪輯、

有的登山徒步，

因為我們都無法抗拒，

來自色彩的感動。

那麼，

我們的世界，

為何有繽紛的色彩？

答案很簡單，

因為有魔(wu)法(li)

彩虹色並非彩虹獨有

説到彩虹色，我們每個人都能脱口而出：紅橙黃綠藍靛紫。學過物理後，我們也都清楚這正是可見光光譜的構成。之所以看上去發白的太陽光可以被“分解”成這樣豐富的組分，正是發生了色散現象的緣故。

圖1 折射現象

色散是基於折射產生的。折射定律告訴我們，光從一種介質運動到另一種介質時，傳播方向會發生改變，而這個改變的具體值取決於光在兩個介質中的相對折射率。然而，不同顏色的光其實對應着不同波長的電磁波，他們在同種介質中的折射率並不一致。這就意味着當一束由不同波長的光混合成的光從一種介質到達另一種介質，不同波長的光就不再沿着同一方向行進，這便是色散現象。

圖2 牛頓三稜鏡色散實驗

太陽光正是這樣的一束光，它包含了可見光波段的幾乎（注意是幾乎！）所有波長的光。於是，便有了我們耳熟能詳的牛頓三稜鏡色散實驗——用三稜鏡將陽光分解成不同色光。然而，這個實驗已經被我們的大自然無數次做過，實驗結果便是那一道道象徵着美好的彩虹，以及我們不經常提起的霓與暈。

圖3 虹與霓形成原理示意 | 圖片源自[1]

霓與虹不僅形成原理相似，而且會相伴出現。當陽光射入在空氣中的小水滴，就會在界面處發生一次色散現象。不同色光經過一次或兩次折射再出射就會分別形成虹與霓。由於每一次反射都會改變一次色光的相對位置，且會使得能量有一定損耗，所以霓不僅與虹的顏色相反，且同時出現時其亮度明顯弱於虹。

圖4 虹與霓 | 圖片源自[1]

如果陽光穿過的不是小水滴，而是在高空雲層中的小冰晶，也會經過類似的折射形成彩色的光環，稱為日暈。

圖5 日暈

講到這裏，我們可能產生了一種想法：只要是七彩的便是色散現象的結果。可惜，事情並不這樣簡單。

彩虹色並非色散獨有

如果你經常刷各個平台的文章或視頻，很可能看過“七彩祥雲”的報道。這種彩雲的成因是光的衍射現象。

圖6 七彩祥雲

光具有波動性，當它經過與其波長相當甚至更小的物體時，可以改變原來的直線傳播方向從而繞轉到遮擋物的背後，稱為衍射。比如日光在經過小水滴時就可能發生衍射現象。這種行為在定量上是與波長有關的，因此不同波長的光如果遇到了同一水滴，其衍射行為存在差異，因此也會起到區分的效果。彩雲的形成原理便是日光通過雲層時由於在小水滴周圍發生衍射而呈現出七彩的顏色。

圖7 月華 | 圖片源自[3]

其實，彩雲是華的一種。除了太陽光直接形成的日華，被月面反射而得到的月光也可以形成華。當夜晚月亮較為明亮且周圍被雲層圍繞時，我們可以看到在雲層中形成的美麗光暈，這便是月華，其本質也是衍射現象。此外，薄膜干涉或多層膜干涉等情況也可能產生繽紛的色彩。

為什麼要説“幾乎”？

在前面我們提及太陽光的組成是，提到了“包含了可見光波段的幾乎所有波長的光”。這裏為什麼要用“幾乎”二字呢？這也與“產生”顏色的機理有關麼？讓我們從光譜講起。

圖8 可見光光譜

光譜的概念正源自色散。當複色光（即多種波長的混合光）經過色散系統後得到不同波長的光，再將這些光****按照波長順序排列就形成了光譜。最完整的光譜應該指電磁波譜，而可見光譜對應着其中人眼可看見的部分。

圖9 太陽光譜

按照這樣的思路，我們自然可以將太陽光的不同波長的組分排列起來形成光譜，並稱為太陽光譜。上圖就是這樣得到的太陽光譜。可是……為什麼很多波長的位置是“暗線”？這意味着**太陽光丟失了一些特定波長的光！**如果我們相信太陽發出的光是連續的，那麼有一種可能就是，這些特定頻率的光被陽光傳播路徑上的某些物質吸收掉了。

圖10 能級躍遷示意

根據當今量子物理的理論，我們認為每個原子的核外電子都具有不同的能級。電子可以吸收特定頻率的光而躍遷到更高能量的能級，也可以發射出特定頻率的光從而躍遷到更低能量的軌道。對於原子組成的分子，也同樣具有類似的能級概念，稱為分子軌道。需要強調的是，每種不同的原子或者分子的軌道能量是有獨特性的，而吸收或者發出的光的頻率也是有特徵性的，因此我們可以通過檢測它吸收或者發出了什麼頻率的光來確定原子或者分子的類型。

圖11 夫琅和費線 | 圖片源自[4]

利用這樣的思路，我們可以通過查看太陽光譜暗線的特定頻率對應着什麼種類的原子或者分子，從而判斷太陽光所穿過的太陽外層結構以及地球大氣層中存在着何種原子或者分子。以夫琅和費為代表的科學家從事了這樣的工作，因此太陽光譜的一些特徵暗線也被稱為夫琅和費線。

圖12 紅寶石

再進一步想，假設有一種透明的材料，那麼太陽光會先經過該物質的內部而後到達人眼。該物體的顏色取決於什麼呢？如果某個波長被吸收了，那麼就到不了人眼；如果某個波長的光被髮射出來，那麼就可以到達人眼。綜合這兩種效應，諸如寶石這種透明的材料，其顏色正是取決於發射光（若有）與非吸收光的疊加。比如紅寶石可以吸收藍綠光、紫光而不吸收紅光以及部分藍光，因此呈現紅色或紫紅色。

圖13 玻璃杯

不難想象，如果某種材料在可見光區基本沒有光的吸收，就會呈現無色透明的樣子，如玻璃。看來，這個“幾乎”不僅是一種嚴謹的表述，還關聯着光的特徵吸收與發射現象。

藍天、白雲與太陽

藍天、白雲與太陽是我們幾乎每天都會看到的三個事物。有趣的是，我們恰好可以問三個內含關聯的問題：**天為什麼是藍的？云為什麼是白的？為什麼朝陽、夕陽是紅的，正午太陽卻偏白？**之所以説內涵關聯，因為他們有共同的答案：散射。

圖14 藍天、白雲與太陽

散射現象是指傳播中的輻射（如光線）受到局部的作用而改變直線軌跡的行為，局部作用被稱為散射中心。如果形象點説，傳播中的輻射就像足球，當它與某個物體發生碰撞（如撞在球門上）就會改變路線。散射有很多種，其中包括瑞利散射和米氏散射等。

圖15 陽光散射示意

瑞利散射的特徵是，強度與光的頻率f的四次方成正比，這意味着頻率高的藍紫光的散射會顯著高於頻率低的紅光。陽光穿過大氣層時，會發生瑞利散射，頻率較低的紅光會基本沿直線傳播，而頻率較高的藍紫光會被散射向四面八方。我們看向天空相當於並不直視太陽，因此看到的會是被散射的部分，應為藍紫光。又由於紫光易被大氣吸收，很難到達人眼，這就解釋了為何天空是藍色。