生活中的顏色

鄧楷模

(蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006)

生活在色彩斑斕的世界,我們從小時候就學會了分辨顏色．為什么不同的物體呈現出不同的顏色?為什么天空是藍色的、云朵是白色的?為什么肥皂膜在陽光下具有如此豐富的色彩?合理解釋日常生活中隨處可見的顏色現象需要我們對一些基本的光學知識有所了解．這些生活中的顏色的形成與光的波長(描述光的波動性的物理參數)有密切關系,并受材料的光學性質影響．

1 光的顏色與視覺

牛頓是最早系統研究太陽光的科學家之一．[1]他發現如果讓太陽光照射到棱鏡上,從棱鏡出射的光不再是白光,而是彩色的,紫色光和紅色光分居兩側,中間分別是藍光、綠光、黃光和橙光．如果讓這些不同顏色的光重新通過另一個棱鏡,又能形成白光．這表明,白光是由不同顏色的光混合而成的，彩虹的顏色是非常直接的說明．光的顏色取決于光的波長．表1中列出了不同波長的可見光對應的顏色．紫光的波長比紅光的小,太陽光譜中其他顏色的波長在紫光和紅光之間．

表1 光的波長與顏色對照表

盡管可見光波長非常短,但不同顏色的光仍能被我們的視覺系統準確分辨．眼睛和大腦構成了人類的視覺系統．光通過角膜和晶狀體匯聚到視網膜,上面充滿了光敏細胞-錐狀細胞和桿狀細胞．桿狀細胞產生夜晚的視覺,但它們不提供任何與顏色相關的信息．在光照充足的條件下,錐狀細胞決定了我們認清細節和分辨顏色的能力．錐狀細胞有三種,S錐、M錐和L錐,分別對可見光中較短、中間、較長的波長最敏感．[2]

我們是怎么分辨不同顏色的呢?假如640nm波長的光進入眼睛,根據錐狀細胞的敏感度曲線,L錐細胞受到的刺激遠遠超過M錐和S錐．由從小形成的辨色經驗,我們把這種混合響應辨認成紅色．460nm波長的光對S錐的刺激最強,我們將這種光的顏色認成藍色．而580nm波長的光對M錐和L錐的刺激都很強烈,我們將這種光認成黃光．事實上,綠光和紅光組成的混合光能夠對錐狀細胞產生類似的刺激,我們也會認為這種混合光是黃色．這其實是光的加法混色基礎．不同比例的三原色光(紅、綠、藍)混在一起,能夠在我們的大腦中形成對應于所有顏色的光響應．藍光和紅光混合成洋紅色光,藍光和綠光產生青色光,紅光和綠光形成黃光．如果三原色光以一定的比例混合,錐狀細胞所受到刺激的比例,與太陽光產生的響應的比例相同,能夠產生我們以為是白光的響應．[2]當光非常弱時,光敏細胞受到的刺激非常弱,我們看到的是黑色．

2 不同物體具有不同顏色

絕大多數物體都不是顏色的產生者,它們只是反射或者散射光源發出的光．物體的顏色由光源中包含的波長和物體的光反射或散射性質決定．

我們以繪畫用的顏料來說明這個問題．不同顏色的顏料能夠選擇性吸收光,對某些波長的吸收比其他波長更強．彩色印刷中用到3種顏色的顏料:黃色、青色和洋紅色．黃色顏料強烈吸收可見光中的藍光成分,穿透并反射綠光和紅光．青色顏料吸收紅光,讓藍光和綠光穿過和反射．洋紅色顏料吸收可見光的中間波段,穿透并反射藍光和紅光．當光從某一種顏料表面反射時,我們能看到這種顏料的顏色．如果將這些顏料混在一起,我們能得到所有的顏色．例如,將青色顏料和黃色顏料混合,紅光和藍光都被吸收,綠光被反射出來,在我們的眼睛中形成綠色．這就是減法混色原理．[2]

生活中其他常見物體的顏色,例如花朵、樹葉、寶石、化學溶液的顏色都與其中的光吸收與光反射有關．需要指出的是,物體在太陽光下的顏色與在人工光源照射下的顏色有可能存在偏差,這是由于有些光源(比如白熾燈)產生的光缺少可見光中的某些波段．

3 天藍云白夕陽紅

地球的大氣層主要由氮氣、氧氣和二氧化碳等氣體組成．氣體分子的大小約為零點幾個納米,遠遠小于可見光波長．來自太陽的光進入大氣層后,被氣體分子吸收,并很快以同樣的波長被發射出來．這一過程稱為瑞麗散射．[3]與入射光傳播的方向不同,散射后的光朝各個方向傳播．另外瑞利散射的強度與波長相關,較短波長的光散射效率比較長波長的高．

當我們觀看天空,而不是盯著太陽看時,進入眼睛的光經過了大氣分子的多次散射．可見光中的藍光和紫光,它們的波長比紅光以及其他中間波段的光要短,散射效率要高,因此藍光和紫光更多地進入我們的眼睛．由于眼睛對藍光的響應比紫光強烈,所以我們辨認的顏色為藍色．這就是天空呈現藍色的原因．如果沒有大氣,天空將是黑色的,就像月球一樣．太陽光可以被水分子散射,同樣的道理可以解釋海水的顏色為藍色．在早晨和傍晚的時候,太陽光線穿透大氣層所經過的距離,比正午時分長得多,更多的藍光和中間波段的光被散射掉．我們看日出或夕陽時,進入眼睛的光主要是紅光，并且太陽越接近地平線,越顯得紅．[3]知道了這一點,你也許會對紅月亮這一天文現象并不感到特別驚訝．

天空里漂浮的云朵由大量的水滴組成．太陽光同樣能被水滴散射,只是由于水滴的尺寸一般為幾個微米,大于可見光的波長．這時的光散射強度與波長的關系不大,各種波長的光被散射的強度差不多．因此從云朵散射的光呈現出的顏色與太陽光相同,只是強度有所減弱,為白色或灰色．牛奶呈現白色的原因也是因為大尺寸的蛋白質和脂肪分子對光的散射．有霾的天氣,空氣中可能存在能夠吸收光的顆粒,顏色會比霧顯得更加暗淡．

4 結構色

我們經常會對蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛所呈現出的美麗色彩而贊嘆不已．這些顏色是怎樣形成的呢?在顯微鏡下觀測蝴蝶翅膀的微觀結構,上面有大量周期排列的規則小孔．[4]這些陣列結構的周期大小和可見光波長相比擬,能夠對光進行衍射．入射光在周期性結構的作用下,在不同的傳播方向衍射光的波長不同．因此從不同的角度看,蝴蝶的翅膀會有不同的顏色．這是非常典型的結構色．CD或DVD光盤、防偽標簽、蛋白石等等,在光照下會有五顏六色的光彩,同樣是由于衍射效應造成的．最近的研究表明,變色龍皮膚顏色的改變與其皮膚中規則排列并具有交替折射率的結構單元有關．[5]變色龍在情緒發生變化時,皮膚中的規則結構單元周期發生改變,從而導致不同的顏色被反射出來．

肥皂膜、油膜在陽光下是彩色的,從不同的角度能看到不同的顏色．如何解釋這一光學現象呢?這是由于薄膜的厚度與可見光波長接近,薄膜的上下表面反射的光線能夠發生干涉．從不同的角度觀察,對應的波長和顏色不同．利用類似的干涉原理,眼鏡、相機鏡頭通常需要鍍膜來反射紫外線或增加可見光的透射．薄膜的干涉也能運用在太陽能電池上面,以達到降低光反射、提高光利用率的目的．

上述提及的內容只覆蓋了生活中關于顏色的一部分,大自然中其他與顏色相關的現象仍然需要不斷探索．盡管如此,了解一些基本的光學知識和顏色的形成機理有助于我們更好地了解世界,更加熱愛帶給我們絢爛色彩的大自然．