探究光的色散現象

光的色散（Dispersion of light）指的是復色光分解為單色光的現象.牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散，把白色的太陽光分解為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種色光，從而讓人們認識到白色的太陽光是由多種色光組成的.

1.設計并進行三棱鏡實驗

牛頓從笛卡兒的棱鏡實驗得到啟發，又借鑒胡克和玻意耳的分光實驗：胡克用一只充滿水的燒瓶代替棱鏡，光屏距離折射位置大約為60cm，玻意耳把三棱鏡散射的光投到1m多高的天花板上，而牛頓則將距離擴大為6～7m，從室外由洞口進入的太陽光經過三棱鏡后直接投射到對面的墻上.這樣，他就獲得了展開的光譜，而前面幾位的實驗只看到兩側帶顏色的光斑.

2.牛頓提出解釋光譜的理論

那么，如何正確地解釋太陽光（白光）通過三棱鏡后形成光譜的現象呢？經過一番思考，牛頓得出以下結論：白光是由各種不同顏色的光組成的，玻璃對各種色光的折射率不同，當白光通過棱鏡時，各色光以不同角度折射，結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.

3.設計實驗驗證上述理論的正確性

牛頓的這一科學論斷是和當時已經傳了上千年的觀念格格不入的.他預料會遭到科學界的反對，于是又做了一個很有說服力的實驗，牛頓把這個實驗稱為“判決性試驗”.首先，牛頓將房間的百葉窗放下，房間頓時暗了下來.百葉窗上有一個事先挖好的小洞，外面的陽光透過這個小孔投射在三棱鏡上，透過三棱鏡后，色散成一條彩帶投射在牛頓設置的屏幕上.屏幕中間開有一個垂直的狹縫，牛頓隨后將三棱鏡不斷地轉動，使光譜的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七條色帶，依次投射到狹縫上.在屏幕的后面，牛頓又設置了一道三棱鏡，這樣，七色光一次透過第一道屏幕狹縫，再經過第二道三棱鏡，最后投射到第二道屏幕上.這時奇異的現象出現了，第二道屏幕上只出現單一的色光，卻不再出現七色光譜.被第一塊三棱鏡折射最厲害的紫光，經過第二塊三棱鏡也偏折得最多.由此可見，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.

然而牛頓并沒有因此止步，他回到實驗室，用一只很大的凸透鏡代替了第二個三棱鏡.結果，經過第一個三棱鏡色散后的光譜投射到凸透鏡上，所有七種顏色的光會聚成一束白光！這個實驗無可爭辯地證實：白光是由這些色光混合而成的.

4.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.

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、反射和其他任何原因而變化.

④必須區別本來單純的顏色和由它們復合而成的顏色.

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混合而產生的.事實上，可以進行把光譜的顏色重新合成而得到白光的實驗.

⑥根據以上各條，可以解釋三棱鏡使光產生顏色的原因與形成虹的原理等.

⑦不發光物體的顏色是由于該物質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，因而光線本身不可能是質.因為顏色這樣的質起源于光之中，所以現在有充分的根據認為光是實體.

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（把單色光復合為白光）等物理學研究的方法.

光的色散現象的發現是17世紀的事情，這在當時并無特別重要的意義，但是牛頓的那些實驗卻開創了現代物理學的重要領域——光譜學.