又是一年赏花时，带你解密缤纷色彩的真相_风闻

中科院物理所-中科院物理所官方账号-04-09 15:31

2023-04-09

原创：中科院物理所

自孩童时起，

我们便用手中的蜡笔，

去描绘这个多彩的世界。

春日园中盛放的花朵、

夏日雨后高挂的彩虹、

秋日田间金黄的麦穗、

冬日枝头洁白的雾凇……

长大后，

我们有的拍摄照片、

有的录像剪辑、

有的登山徒步，

因为我们都无法抗拒，

来自色彩的感动。

那么，

我们的世界，

为何有缤纷的色彩？

答案很简单，

因为有魔(wu)法(li)

彩虹色并非彩虹独有

说到彩虹色，我们每个人都能脱口而出：红橙黄绿蓝靛紫。学过物理后，我们也都清楚这正是可见光光谱的构成。之所以看上去发白的太阳光可以被“分解”成这样丰富的组分，正是发生了色散现象的缘故。

图1 折射现象

色散是基于折射产生的。折射定律告诉我们，光从一种介质运动到另一种介质时，传播方向会发生改变，而这个改变的具体值取决于光在两个介质中的相对折射率。然而，不同颜色的光其实对应着不同波长的电磁波，他们在同种介质中的折射率并不一致。这就意味着当一束由不同波长的光混合成的光从一种介质到达另一种介质，不同波长的光就不再沿着同一方向行进，这便是色散现象。

图2 牛顿三棱镜色散实验

太阳光正是这样的一束光，它包含了可见光波段的几乎（注意是几乎！）所有波长的光。于是，便有了我们耳熟能详的牛顿三棱镜色散实验——用三棱镜将阳光分解成不同色光。然而，这个实验已经被我们的大自然无数次做过，实验结果便是那一道道象征着美好的彩虹，以及我们不经常提起的霓与晕。

图3 虹与霓形成原理示意 | 图片源自[1]

霓与虹不仅形成原理相似，而且会相伴出现。当阳光射入在空气中的小水滴，就会在界面处发生一次色散现象。不同色光经过一次或两次折射再出射就会分别形成虹与霓。由于每一次反射都会改变一次色光的相对位置，且会使得能量有一定损耗，所以霓不仅与虹的颜色相反，且同时出现时其亮度明显弱于虹。

图4 虹与霓 | 图片源自[1]

如果阳光穿过的不是小水滴，而是在高空云层中的小冰晶，也会经过类似的折射形成彩色的光环，称为日晕。

图5 日晕

讲到这里，我们可能产生了一种想法：只要是七彩的便是色散现象的结果。可惜，事情并不这样简单。

彩虹色并非色散独有

如果你经常刷各个平台的文章或视频，很可能看过“七彩祥云”的报道。这种彩云的成因是光的衍射现象。

图6 七彩祥云

光具有波动性，当它经过与其波长相当甚至更小的物体时，可以改变原来的直线传播方向从而绕转到遮挡物的背后，称为衍射。比如日光在经过小水滴时就可能发生衍射现象。这种行为在定量上是与波长有关的，因此不同波长的光如果遇到了同一水滴，其衍射行为存在差异，因此也会起到区分的效果。彩云的形成原理便是日光通过云层时由于在小水滴周围发生衍射而呈现出七彩的颜色。

图7 月华 | 图片源自[3]

其实，彩云是华的一种。除了太阳光直接形成的日华，被月面反射而得到的月光也可以形成华。当夜晚月亮较为明亮且周围被云层围绕时，我们可以看到在云层中形成的美丽光晕，这便是月华，其本质也是衍射现象。此外，薄膜干涉或多层膜干涉等情况也可能产生缤纷的色彩。

为什么要说“几乎”？

在前面我们提及太阳光的组成是，提到了“包含了可见光波段的几乎所有波长的光”。这里为什么要用“几乎”二字呢？这也与“产生”颜色的机理有关么？让我们从光谱讲起。

图8 可见光光谱

光谱的概念正源自色散。当复色光（即多种波长的混合光）经过色散系统后得到不同波长的光，再将这些光****按照波长顺序排列就形成了光谱。最完整的光谱应该指电磁波谱，而可见光谱对应着其中人眼可看见的部分。

图9 太阳光谱

按照这样的思路，我们自然可以将太阳光的不同波长的组分排列起来形成光谱，并称为太阳光谱。上图就是这样得到的太阳光谱。可是……为什么很多波长的位置是“暗线”？这意味着**太阳光丢失了一些特定波长的光！**如果我们相信太阳发出的光是连续的，那么有一种可能就是，这些特定频率的光被阳光传播路径上的某些物质吸收掉了。

图10 能级跃迁示意

根据当今量子物理的理论，我们认为每个原子的核外电子都具有不同的能级。电子可以吸收特定频率的光而跃迁到更高能量的能级，也可以发射出特定频率的光从而跃迁到更低能量的轨道。对于原子组成的分子，也同样具有类似的能级概念，称为分子轨道。需要强调的是，每种不同的原子或者分子的轨道能量是有独特性的，而吸收或者发出的光的频率也是有特征性的，因此我们可以通过检测它吸收或者发出了什么频率的光来确定原子或者分子的类型。

图11 夫琅和费线 | 图片源自[4]

利用这样的思路，我们可以通过查看太阳光谱暗线的特定频率对应着什么种类的原子或者分子，从而判断太阳光所穿过的太阳外层结构以及地球大气层中存在着何种原子或者分子。以夫琅和费为代表的科学家从事了这样的工作，因此太阳光谱的一些特征暗线也被称为夫琅和费线。

图12 红宝石

再进一步想，假设有一种透明的材料，那么太阳光会先经过该物质的内部而后到达人眼。该物体的颜色取决于什么呢？如果某个波长被吸收了，那么就到不了人眼；如果某个波长的光被发射出来，那么就可以到达人眼。综合这两种效应，诸如宝石这种透明的材料，其颜色正是取决于发射光（若有）与非吸收光的叠加。比如红宝石可以吸收蓝绿光、紫光而不吸收红光以及部分蓝光，因此呈现红色或紫红色。

图13 玻璃杯

不难想象，如果某种材料在可见光区基本没有光的吸收，就会呈现无色透明的样子，如玻璃。看来，这个“几乎”不仅是一种严谨的表述，还关联着光的特征吸收与发射现象。

蓝天、白云与太阳

蓝天、白云与太阳是我们几乎每天都会看到的三个事物。有趣的是，我们恰好可以问三个内含关联的问题：**天为什么是蓝的？云为什么是白的？为什么朝阳、夕阳是红的，正午太阳却偏白？**之所以说内涵关联，因为他们有共同的答案：散射。

图14 蓝天、白云与太阳

散射现象是指传播中的辐射（如光线）受到局部的作用而改变直线轨迹的行为，局部作用被称为散射中心。如果形象点说，传播中的辐射就像足球，当它与某个物体发生碰撞（如撞在球门上）就会改变路线。散射有很多种，其中包括瑞利散射和米氏散射等。

图15 阳光散射示意

瑞利散射的特征是，强度与光的频率f的四次方成正比，这意味着频率高的蓝紫光的散射会显著高于频率低的红光。阳光穿过大气层时，会发生瑞利散射，频率较低的红光会基本沿直线传播，而频率较高的蓝紫光会被散射向四面八方。我们看向天空相当于并不直视太阳，因此看到的会是被散射的部分，应为蓝紫光。又由于紫光易被大气吸收，很难到达人眼，这就解释了为何天空是蓝色。