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彩虹、肥皂泡和光盘上的彩色是一回事吗?

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防伪资讯   / Security information

彩虹、肥皂泡和光盘上的彩色是一回事吗?

分类:
防伪资讯
作者:
苏州印象
来源:
www.gzlaser.com
发布时间:
2020/11/02 14:05
浏览量
【摘要】:
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。
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。

太阳光照到这样一个镜子上,反射出许多光斑,形成奇妙的花样。这些光斑中有一些是白色的,但也有一些是彩色的。

这样的彩色分光机制源于透明介质的色散。所谓色散,是指不同颜色的光在介质中的传播速度不同。

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。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?

 

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。

 

大家如果仔细看,不难发现霓与虹的色彩关系是正好相反的。虹的红色在外圈,紫色在內圈,而霓则反之。此外,霓比虹通常要更暗,这是由于霓比虹在水珠中要多经过一次反射。

 

太阳光照射到水珠上某一点,入射光线与球面法线的夹角i 称为入射角。光进入水珠时,发生折射,折射角为r。光线射到水珠的后壁,一部分透出水珠,而另一部分反射回水珠。反射回来的光再次到达水与空气的界面,又有一部分透出来,一部分反射回去。这透出来的光,就是我们看到的虹。
 

水珠中的光线第三次来到水与空气的界面,又有一部分透出来。这部分透出的光,构成我们看到的霓。光线每经过一次反射,能量都会分出去一部分。因此,霓的亮度比虹要弱。
 

光线在进出空气与水的界面时,经历两次折射。由于水的色散,不同颜色的光就会折射到不同的角度。不过,光线照射到水珠的不同的位置,对应的入射角 i 是不同的,因而对于虹而言,其出射角A,(或者霓的出射角B)也相应不同,情况比棱镜要复杂得多。
 

比如折射率比较低的红光,通过水珠后出射的光线如下图所示。而折射率比较高的紫色光,其出射光线如下图所示。
 

我们可以看出,不论是哪种颜色的光,光线的出射角A都会散布在一个很宽的角度范围中,这与棱镜是不同的。当然,紫色光的出射角总体来看要比红光的出射角偏小些,从下图我们可以看得更清楚些。
 

太阳光照在水珠的不同位置,其入射角从0 到90 度都有可能。因而光线离开水珠的出射角A 也有多种可能值。不过,出射角存在一个最大值,这个最大值在 41度左右。不同颜色的光,其出射角的最大值也不相同。我们可以想象,对于某一种颜色的光,有很多条光线堆积在最大出射角附近,因而在不同的观察角上,我们就可以看到水珠呈现出某一种特定的颜色。
 

上面这张照片,是在入射阳光比较强的情况下拍摄的,我们可以看出,虹的最外圈是红色的。同时,由于各种颜色的光都可能存在出射角A小于41度的情况,因而在虹的内部,我们可以看到很强的白色光。
对于霓而言,某一颜色光的出射角B存在一个极小值,而各种颜色的光都可能存在出射角比较大的情况。我们可以看出,在霓之外,也存在多种颜色混合而成的白光。
 

有趣的是,在虹和霓之间的区域,观察角大于虹的出射角极大值,而又小于霓的出射角的极小值。太阳光照射到那里的水珠上,却不会反射回给观察者,因而这个区域是一个暗带。我们通过与其他区域比较不难看出这一点。
 

人们经常会问,为什么彩虹是圆弧形的,作者以前在《知识分子》公众号写过一篇文章,大家可以刨出来看,由于篇幅原因,这里就不再重复。
 

光栅
 

光栅是一种有着周期性透光或反射结构的光学元件。这种周期性结构很像平时见到的栅栏,只不过光栅的结构非常细小。高级的光栅往往是用精密机床在玻璃等材料上刻制,但科学用品商店有时可以买到用胶片制作的光栅。
 

白色光透过光栅会被分解开来,这是由于光在被光栅周期性结构遮挡后,发生衍射与干涉所致。衍射与干涉现象与光的波长有关,不同波长或者颜色的光透过光栅后,在不同的角度互相叠加而加强,而在其他角度互相抵消,这就使得白光被分解。
 

将光栅粘贴在手机照相机的前面,在一间暗黑的房间中,点亮一盏卷管式的气体放电节能灯。手机的镜头不要直接对着灯,而应偏开一定角度,对着比较暗的背景,这时我们可以拍摄到很多个彩色的节能灯。
各种气体在节能灯的灯管当中放电,这种情况下往往会激发出若干很强很窄的谱线。从某种意义上说,我们看到的节能灯,实际上可以看成是有很多个不同颜色的节能灯叠合而成的。经过光栅,这些不同颜色的光,向着若干不同的角度传播出去。这样一来,我们就可以拍摄到上图中的这种现象。
 

在我们的印象当中,光栅是细小精密珍贵的。然而在事实上,一些比较粗大的周期性结构,也同样可以产生干涉和衍射现象。比如我们可以利用普通的窗纱,观察到相应白光分解现象。
用有长焦镜头的照相机,拍摄夜间到远景。当房间的窗户完全打开时,拍到的景象如下图所示。
 

同样的景色,如果隔着纱窗拍摄,就会得到下面的照片。我们看到远处的灯光朝四个方向展开。这些光芒是一段一段的,每一段都呈现彩色。窗纱是方格状的,是一种二维光栅,因此其衍射干涉的图样是向四个方向延伸的。
 

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。

 

很多白光发光二极管实质上发蓝光的,只不过在器件中添加了某些荧光材料。这种荧光材料吸收波长比较短的蓝光,转换成波长比较长的红绿光。这样,一些不同波长的光混在一起,刺激人眼的感光细胞,我们就感觉这种光是白色的。

 

显然,白光发光二极管的光谱与自然白光的光谱是不同的。自然白光如太阳光,火光等源于黑体辐射,其光谱中不同波长的成分相对强度比较一致,没有某种颜色比其他颜色强很多的情况。因此,对于白色发光二极管对人眼健康是否有影响这个问题,还是应该慎重对待的。我们普通人可以做到的,是尽量避免过度使用手机或其他电子产品的显示屏,尽可能多多接触室外的自然光。
 

光盘中有CD与DVD两种,DVD的刻纹比CD更细,因此对不同波长的展开角度更大。不过,使用CD来做实验比较容易拍摄到完整的可见光谱,而用DVD则不太容易拍全。

 

如果在光盘的轴线上远处有比较小的其他光源,比如小灯泡,或者卷管式的气体放电节能灯,我们也可以拍摄到这些光源的光谱。这时手机上的发光二极管不需要打开,手机照相机只需要设置成普通的照相模式即可。

 

薄膜

 

吹肥皂泡是孩子们喜欢的一种游戏,肥皂泡经常呈现出绚丽缤纷的色彩。肥皂泡上的色彩,是一种光的干涉现象。

 

很多情况下,我们都能在薄膜上看到白光的分解现象。比如下雨天滴在马路上的汽油,摊成薄膜,常常会呈现出美丽奇妙的图样。

 

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。

 

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。

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。

 

(图源:pixabay.com)

 

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。

 

 

太阳光照到这样一个镜子上,反射出许多光斑,形成奇妙的花样。这些光斑中有一些是白色的,但也有一些是彩色的。

 

 

这样的彩色分光机制源于透明介质的色散。所谓色散,是指不同颜色的光在介质中的传播速度不同。

 

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。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?

 

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。

 

 

大家如果仔细看,不难发现霓与虹的色彩关系是正好相反的。虹的红色在外圈,紫色在內圈,而霓则反之。此外,霓比虹通常要更暗,这是由于霓比虹在水珠中要多经过一次反射。

 

 

太阳光照射到水珠上某一点,入射光线与球面法线的夹角i 称为入射角。光进入水珠时,发生折射,折射角为r。光线射到水珠的后壁,一部分透出水珠,而另一部分反射回水珠。反射回来的光再次到达水与空气的界面,又有一部分透出来,一部分反射回去。这透出来的光,就是我们看到的虹。
 

 

水珠中的光线第三次来到水与空气的界面,又有一部分透出来。这部分透出的光,构成我们看到的霓。光线每经过一次反射,能量都会分出去一部分。因此,霓的亮度比虹要弱。
 

光线在进出空气与水的界面时,经历两次折射。由于水的色散,不同颜色的光就会折射到不同的角度。不过,光线照射到水珠的不同的位置,对应的入射角 i 是不同的,因而对于虹而言,其出射角A,(或者霓的出射角B)也相应不同,情况比棱镜要复杂得多。
 

比如折射率比较低的红光,通过水珠后出射的光线如下图所示。

 

 

而折射率比较高的紫色光,其出射光线如下图所示。

 


 

我们可以看出,不论是哪种颜色的光,光线的出射角A都会散布在一个很宽的角度范围中,这与棱镜是不同的。当然,紫色光的出射角总体来看要比红光的出射角偏小些,从下图我们可以看得更清楚些。
 

 

太阳光照在水珠的不同位置,其入射角从0 到90 度都有可能。因而光线离开水珠的出射角A 也有多种可能值。不过,出射角存在一个最大值,这个最大值在 41度左右。不同颜色的光,其出射角的最大值也不相同。我们可以想象,对于某一种颜色的光,有很多条光线堆积在最大出射角附近,因而在不同的观察角上,我们就可以看到水珠呈现出某一种特定的颜色。
 

上面这张照片,是在入射阳光比较强的情况下拍摄的,我们可以看出,虹的最外圈是红色的。同时,由于各种颜色的光都可能存在出射角A小于41度的情况,因而在虹的内部,我们可以看到很强的白色光。
对于霓而言,某一颜色光的出射角B存在一个极小值,而各种颜色的光都可能存在出射角比较大的情况。我们可以看出,在霓之外,也存在多种颜色混合而成的白光。

 

有趣的是,在虹和霓之间的区域,观察角大于虹的出射角极大值,而又小于霓的出射角的极小值。太阳光照射到那里的水珠上,却不会反射回给观察者,因而这个区域是一个暗带。我们通过与其他区域比较不难看出这一点。
 

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光栅
 

光栅是一种有着周期性透光或反射结构的光学元件。这种周期性结构很像平时见到的栅栏,只不过光栅的结构非常细小。高级的光栅往往是用精密机床在玻璃等材料上刻制,但科学用品商店有时可以买到用胶片制作的光栅。
 

白色光透过光栅会被分解开来,这是由于光在被光栅周期性结构遮挡后,发生衍射与干涉所致。衍射与干涉现象与光的波长有关,不同波长或者颜色的光透过光栅后,在不同的角度互相叠加而加强,而在其他角度互相抵消,这就使得白光被分解。
 

将光栅粘贴在手机照相机的前面,在一间暗黑的房间中,点亮一盏卷管式的气体放电节能灯。手机的镜头不要直接对着灯,而应偏开一定角度,对着比较暗的背景,这时我们可以拍摄到很多个彩色的节能灯。
各种气体在节能灯的灯管当中放电,这种情况下往往会激发出若干很强很窄的谱线。从某种意义上说,我们看到的节能灯,实际上可以看成是有很多个不同颜色的节能灯叠合而成的。经过光栅,这些不同颜色的光,向着若干不同的角度传播出去。这样一来,我们就可以拍摄到上图中的这种现象。

 

在我们的印象当中,光栅是细小精密珍贵的。然而在事实上,一些比较粗大的周期性结构,也同样可以产生干涉和衍射现象。比如我们可以利用普通的窗纱,观察到相应白光分解现象。
用有长焦镜头的照相机,拍摄夜间到远景。当房间的窗户完全打开时,拍到的景象如下图所示。

 

同样的景色,如果隔着纱窗拍摄,就会得到下面的照片。我们看到远处的灯光朝四个方向展开。这些光芒是一段一段的,每一段都呈现彩色。窗纱是方格状的,是一种二维光栅,因此其衍射干涉的图样是向四个方向延伸的。
 

 

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。

 

很多白光发光二极管实质上发蓝光的,只不过在器件中添加了某些荧光材料。这种荧光材料吸收波长比较短的蓝光,转换成波长比较长的红绿光。这样,一些不同波长的光混在一起,刺激人眼的感光细胞,我们就感觉这种光是白色的。

 

显然,白光发光二极管的光谱与自然白光的光谱是不同的。自然白光如太阳光,火光等源于黑体辐射,其光谱中不同波长的成分相对强度比较一致,没有某种颜色比其他颜色强很多的情况。因此,对于白色发光二极管对人眼健康是否有影响这个问题,还是应该慎重对待的。我们普通人可以做到的,是尽量避免过度使用手机或其他电子产品的显示屏,尽可能多多接触室外的自然光。
 

光盘中有CD与DVD两种,DVD的刻纹比CD更细,因此对不同波长的展开角度更大。不过,使用CD来做实验比较容易拍摄到完整的可见光谱,而用DVD则不太容易拍全。

 

如果在光盘的轴线上远处有比较小的其他光源,比如小灯泡,或者卷管式的气体放电节能灯,我们也可以拍摄到这些光源的光谱。这时手机上的发光二极管不需要打开,手机照相机只需要设置成普通的照相模式即可。

 

薄膜

 

吹肥皂泡是孩子们喜欢的一种游戏,肥皂泡经常呈现出绚丽缤纷的色彩。肥皂泡上的色彩,是一种光的干涉现象。

 

很多情况下,我们都能在薄膜上看到白光的分解现象。比如下雨天滴在马路上的汽油,摊成薄膜,常常会呈现出美丽奇妙的图样。

 

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。

 

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。