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我們每天都會(huì)看到各類事物,，從早上起床那一刻到晚上睡覺都是如此。我們用光看周圍的一切：欣賞孩子的蠟筆畫,、精美的油畫,、曲線玲瓏的計(jì)算機(jī)繪圖,、眩目的日落、湛藍(lán)的天空,，還有流星和彩虹,。我們靠鏡子照出自己，用閃耀的寶石表達(dá)愛意,。但您是否曾經(jīng)靜下來(lái)想過,，當(dāng)我們看到這些東西時(shí)，我們并沒有與之直接聯(lián)系,。事實(shí)上,，我們看到的是光——以某種方式離開或遠(yuǎn)或近的物體、到達(dá)人眼的光,。只有光才是人眼真正能看到的東西,。
您可能聽說(shuō)過關(guān)于光的兩種不同理論：
從古希臘時(shí)代開始,，人們就認(rèn)為光是微粒子流,。畢竟光是以直線傳播的，它遇到鏡子會(huì)反彈,，就和球從墻上反彈非常相似,。雖然沒人真正看到過光的粒子，但人們很容易解釋其存在的可能性,?？床坏搅Ｗ拥脑蚩赡苁撬鼈兲』蛞苿?dòng)得太快，或者是人眼恰巧可以透視它們,。
光波的觀點(diǎn)是由克里斯蒂安·惠更斯于17世紀(jì)末提出的,，他認(rèn)為光的行動(dòng)與波（而非粒子流）相似。1807年托馬斯·楊證實(shí),，當(dāng)光穿過非常狹窄的通道時(shí),，會(huì)向外擴(kuò)散并干擾穿過另一條通道的光，從而支持了惠更斯的理論。楊讓光射過一條非常狹窄的裂縫,，然后看見了一道與裂縫相符的明亮光條,。但除此之外，楊還在光條周圍發(fā)現(xiàn)了其他光,，只是不及光條明亮,。然而如果光真的是粒子流，就不應(yīng)該看到其他光,。實(shí)驗(yàn)表明,，光像波一樣向外擴(kuò)散。事實(shí)上,，光束每時(shí)每刻都在向外輻射,。 1905年，阿爾伯特·愛因斯坦進(jìn)一步發(fā)展了光學(xué)理論,。他提出了光電效應(yīng),，認(rèn)為紫外光碰到物體表面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電子從表面散發(fā),。愛因斯坦對(duì)此的解釋是——光由一束束的能量包組成,，而能量包就稱為光子。 現(xiàn)代物理學(xué)家認(rèn)為,，光既有粒子性又有波動(dòng)性,，但他們同時(shí)也承認(rèn)，這兩種看法都只是對(duì)某種更復(fù)雜現(xiàn)象的簡(jiǎn)單解釋,。在本文中,，我們將把光作為波來(lái)討論，因?yàn)榫痛蠖鄶?shù)人眼看到的現(xiàn)象而言,，它都能提供最佳解釋,。
光束為何會(huì)向外輻射——就像托馬斯·楊證實(shí)的那樣,？真實(shí)情況究竟如何,？要理解光波，最好先討論一種我們比較熟悉的波——在水里看到的水波,。有一個(gè)關(guān)于水波的要點(diǎn)必須牢記于心,，那就是：水波并非由水形成，而是由在水中傳播的能量形成,。如果水波從池子的左邊移向右邊,，并不表示池子左邊的水正在向右邊移動(dòng)。事實(shí)上,，水仍然留在原地,，移動(dòng)的只是波。在裝滿水的浴缸內(nèi)移動(dòng)您的手，就會(huì)激起水波,，這是因?yàn)槟蛩惺┘恿四芰?，能量以波的形式在水中傳播?
所有波都是正在傳播的能量，并且通常會(huì)經(jīng)過某種介質(zhì),，例如水,。在圖1中可以看到水波的圖樣，組成水波的水分子與水波的運(yùn)動(dòng)方向成直角上下振動(dòng),，這種波稱為橫波,。 光波則更為復(fù)雜一些，并且無(wú)需通過介質(zhì),，它們可以在真空中傳播,。光波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)形式的能量組成。電,、磁場(chǎng)的振動(dòng)方向互相垂直,，并且均與光波的移動(dòng)方向垂直。由于光既有電場(chǎng)又有磁場(chǎng),，因此也稱為電磁輻射,。
圖 1 光波的尺寸有多種。波的尺寸用波長(zhǎng)衡量,，波長(zhǎng)是指連續(xù)波上任意兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的距離,，通常為波峰到波峰或波谷到波谷的距離（圖1）?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)范圍是千萬(wàn)分之四到磁七米,。但就電輻射的定義而言，波長(zhǎng)的總范圍可從十億分之一米（如伽馬射線）,，一直到數(shù)厘米或數(shù)米（如無(wú)線電波）不等,。光只是整個(gè)頻譜中的一小部分。
光波也有多種頻率,。頻率是指任意時(shí)間間隔內(nèi)（通常為一秒鐘）通過空間中某一點(diǎn)的波數(shù),。它的計(jì)量單位是周（波）/秒，或赫茲（Hz）,?？梢姽獾念l率稱為顏色，范圍是430萬(wàn)億Hz（紅色）到750萬(wàn)億Hz（紫羅蘭色）,。當(dāng)然,，頻率的總范圍超出可見光譜之外，從不足十億Hz的無(wú)線電波到超過30億Hz的伽馬射線,。
如上文所述,，光波是能量波。光波的能量大小與其頻率成一定比例：高頻光的能量較高，低頻光的能量較低,。因此,，伽馬射線的能量最高，無(wú)線電波的能量最低,。在可見光中,，紫光能量最大，而紅光能量最小,。 光不僅振動(dòng)頻率不同,，傳播速度也不同。光波在真空中的傳播速度最快,，為30萬(wàn)公里/秒,，這讓光成為宇宙中最快的現(xiàn)象。光波在物質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)速度會(huì)下降,，如空氣,、水、玻璃或鉆石,。要理解光的彎曲或折射,，關(guān)鍵是弄清不同物質(zhì)對(duì)光傳播速度的影響，這一點(diǎn)我們將在稍后討論,。
由此可見,，光波以連續(xù)的各種尺寸,、頻率和能量出現(xiàn)。我們把這種連續(xù)光譜稱為電磁頻譜（圖2）,。圖2并非按比例繪制,，如果按比例繪制，可見光僅占光譜的十萬(wàn)分之一,。
任何可見光都是由以電磁波形式在空間傳播的一個(gè)或多個(gè)光子匯聚而成,。即便處于漆黑之中，人眼其實(shí)也能感觸單個(gè)光子,，但一般來(lái)說(shuō),，我們?cè)谌粘Ｉ钪锌吹降亩际枪庠串a(chǎn)生的無(wú)數(shù)光子從物體上反射而成的,。如果現(xiàn)在環(huán)視四周,，您可能就會(huì)發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)有產(chǎn)生光子的光源,，而室內(nèi)的物體則會(huì)反射這些光子,。人眼會(huì)吸收室內(nèi)流動(dòng)的一些光子，這樣您就看見了物體。
有很多種不同的方式可以產(chǎn)生光子,，但所有這些方式都是利用原子內(nèi)的相同機(jī)制來(lái)達(dá)到目的,，這種機(jī)制涉及激發(fā)圍繞每個(gè)原子核運(yùn)轉(zhuǎn)的電子。核輻射揭秘較為詳細(xì)地介紹了質(zhì)子,、中子和電子,。例如，氫原子就有1個(gè)電子繞核子運(yùn)轉(zhuǎn),，氦原子有2個(gè)電子繞核子運(yùn)轉(zhuǎn),，鋁原子有13個(gè)電子繞核子運(yùn)轉(zhuǎn)。每個(gè)原子中繞核子運(yùn)轉(zhuǎn)的電子都有一定的數(shù)量,。 電子以固定軌道繞核子環(huán)行,，以一種簡(jiǎn)化的方式想，就和衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)一樣,。有關(guān)電子軌道的理論很多,，但我們只需知道下面這個(gè)關(guān)鍵事實(shí)就可以理解光：每個(gè)電子都占據(jù)一個(gè)自然軌道，但如果激發(fā)原子,，就能將其電子移至更高的軌道,。每當(dāng)電子從更高的軌道返回正常軌道時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光子,。在從高能量返回正常能量的過程中,，電子會(huì)散發(fā)具有特殊特征的光子，即一個(gè)能量包,。光子的頻率或顏色與電子返回的距離完全一致,。 有些情況下您可以非常清楚地看到這種現(xiàn)象。例如,，在很多工廠和停車場(chǎng)都可以看到鈉蒸氣燈,。之所以能看出那是鈉蒸氣燈，是因?yàn)樗念伾瓷先ズ茳S,。鈉蒸氣燈會(huì)激發(fā)鈉原子,，從而產(chǎn)生光子。鈉原子有11個(gè)電子,，由于它們堆疊在軌道中的方式很特殊,，其中一個(gè)電子最有可能接受和散發(fā)能量（這個(gè)電子叫做3s電子），而該電子最有可能散發(fā)的能量包,，其返回的波長(zhǎng)正好是590毫微米左右,，這與黃光的波長(zhǎng)一致。因此,，如果讓鈉光射過棱鏡,，則看不到彩虹,，只能看到一對(duì)黃線。
加熱可能是激發(fā)原子的方法中最常見的一種,，同時(shí)也是白熱光的基礎(chǔ),。如果用噴燈加熱馬蹄鐵，它最終會(huì)變?yōu)榧t熱,，如果加熱程度足夠,，還會(huì)變?yōu)榘谉帷＜t色是能量最低的可見光,，因此在紅熱物體中,，原子獲得的能量?jī)H夠開始散發(fā)我們能看見的光。只要施加足夠的熱量來(lái)生成白光,，就相當(dāng)于以眾多不同方式激發(fā)各種不同的電子,，從而生成所有顏色，而它們互相混合就呈現(xiàn)為白色——后文有一節(jié)將對(duì)此進(jìn)行闡釋,。
在我們看到的光形成方式中,，加熱是最普遍的一種——普通的75瓦白熾燈泡就是用電力加熱，從而產(chǎn)生光,。但也有其他很多方式可以形成光,，下面就列出了一些：
可見光是人眼能察覺到的光。由太陽(yáng)發(fā)出的可見光看上去是無(wú)色的,，也就是我們常說(shuō)的白光,。雖然我們能看見這種光，但白光并沒有納入可見光譜（圖2）,。因?yàn)榘坠獠皇菃紊騿晤l光,，而是由多種色頻組成的,。當(dāng)陽(yáng)光穿過裝有水的玻璃杯并射在墻上時(shí),，墻上就會(huì)出現(xiàn)一道彩虹,。發(fā)生這種情況的可能性只有一個(gè)——白光是可見光譜中所有顏色的混合體。艾薩克·牛頓率先證明了這一點(diǎn),，他讓陽(yáng)光穿過玻璃棱鏡,，將各種顏色分成一道彩虹光譜。然后又讓陽(yáng)光穿過另一個(gè)玻璃棱鏡,，并將兩道彩虹合在一起,，彩虹結(jié)合后就形成了白光。這毫無(wú)疑問地證明,，白光是各種顏色的混合體,，或不同頻率的光的混合體?？梢姽庾V中的所有顏色相結(jié)合就形成無(wú)色光,，或白光。
任意組合紅、綠,、藍(lán)光,，就能形成可見光譜中的所有顏色。這也是計(jì)算機(jī)顯示器（三原色顯示器）的成色原理,。
您可以在家試試下面這個(gè)吸收實(shí)驗(yàn)：拿出之前用藍(lán)色玻璃紙蒙住的手電筒,，再拿一根香蕉，走進(jìn)一間暗室,，將藍(lán)光照在香蕉上,。猜猜香蕉會(huì)是什么顏色？它實(shí)際上又是什么顏色呢,？如果把藍(lán)光照到黃色的香蕉上,，黃色本應(yīng)吸收藍(lán)頻，但由于房間黑暗,，黃光無(wú)法反射回人眼,。因此，香蕉呈黑色,。 如果您有絳紅,、藍(lán)綠和黃色三種顏料或色素，并用這些顏色畫了三個(gè)重疊的圓圈（如圖4所示）,，就會(huì)看到絳紅與黃色的重疊部分呈紅色,。藍(lán)綠與黃色混合呈綠色，而藍(lán)綠與絳紅混合呈藍(lán)色,。當(dāng)所有顏色都被吸收時(shí),，就會(huì)出現(xiàn)一種特殊情況 ——黑色,。無(wú)論混合黃色與藍(lán)色、藍(lán)綠色與紅色還是絳紅與綠色,，都能形成黑色,。這些特定的混合會(huì)確保沒有任何可見光的頻率能反彈回人眼。
但圖4中展示的色調(diào)好像和美術(shù)老師講授的混合色相反,，對(duì)吧？如果混合黃色和藍(lán)色的蠟筆,，得到的是綠色,，而不是黑色。這是因?yàn)?strong>人工合成色素（如蠟筆）的吸收性能不好,，它們不能吸收所有其他顏色,，并只留下一種。黃色蠟筆能吸收藍(lán)色和紫羅蘭色,，反射紅色,、橙色和綠色。藍(lán)色蠟筆可吸收紅色,、橙色和黃色,，反射藍(lán)色、紫羅蘭色和綠色,。因此,，混合黃色與藍(lán)色蠟筆時(shí)，會(huì)吸收除綠色以外的所有顏色,。所以混合后呈現(xiàn)的是綠色,，而不是圖4所展示的黑色。 由此可見,，我們有兩種看到顏色的基本方式,。一種是物體以人眼所見顏色的頻率直接散發(fā)的光波；另一種是物體吸收所有其他頻率,，只把呈現(xiàn)為所見顏色的光波或混合光波反射回人眼,。例如，要看到黃光,，一種方式就是物體直接發(fā)出黃色頻率的光,；另外一種方式就是吸收光譜中藍(lán)色部分的光，反射紅色和綠色部分的光,，這兩種光混合后被人眼感知為黃光,。
光波碰到物體時(shí)發(fā)生的情況,，取決于光波的能量、電子在物體材料中振動(dòng)的自然頻率,，以及材料中的原子把持電子的強(qiáng)度,。基于這三個(gè)因素,，光碰到物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)四種不同情況：
大多數(shù)材料都可以讓某些頻率透過,，而不讓另一些頻率透過。例如,，伽馬射線和X射線等高頻光可以穿透普通玻璃,，但紫外線和紅外線等低頻光則不能。 您可以在本頁(yè)更詳細(xì)地了解玻璃為什么是透明的,。
發(fā)生吸收時(shí),，入射光波的頻率與材料中電子的振動(dòng)頻率相同或相近。電子吸收光波的能量,，然后開始振動(dòng),。接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么則取決于原子吸附電子的緊密程度。電子被緊密把持時(shí)就會(huì)開始吸收,，并將振動(dòng)傳遞給原子中的核子,。這會(huì)讓原子加速，與材料中的其他原子相碰撞,，然后以熱量形式釋放從振動(dòng)中獲取的能量,。
吸收光線讓物體在入射波的頻率下顯得顏色較暗或不透明?？梢姽鉄o(wú)法穿透木材,，有些材料不能讓某些光頻穿透，但能讓其他光頻穿透。紫外光無(wú)法穿透玻璃,，但可見光則能穿透,。
有些材料中的原子對(duì)電子把持松散,。換句話說(shuō)，這些材料包含了很多自由電子,，可隨意從材料內(nèi)的一個(gè)原子跳到另一個(gè)原子,。這種材料中的電子從入射光波吸收能量時(shí)，不會(huì)將能量傳遞給其他原子,。受激發(fā)的電子只會(huì)振動(dòng),，然后以與入射波頻率相同的光波將能量送回物體之外。如此一來(lái),，整體的效果就是光波不會(huì)穿透材料很深,。
大多數(shù)金屬里的電子都把持松散,，可以自由地四處移動(dòng),，因此這些金屬能反射可見光，從而看上去金光閃閃,。玻璃中的電子有一定的自由度,，但不如金屬中的電子自由。因此玻璃也能反射光,，看上去也有光澤,，只是程度不及金屬。 反射波離開材料表面的角度通常與入射波碰觸材料表面的角度相等,，這在物理學(xué)中稱為反射定律,。您大概聽過對(duì)反射定律的這種表述：“入射角等于反射角”。
您可以親自驗(yàn)證反射光的頻率與入射波是否相同,。只要看看鏡中的自己便會(huì)知道,。鏡中映像的顏色與在自己身上看到的顏色一樣，襯衫和頭發(fā)的顏色,，與鏡中反射的顏色也相同,。如果不是這樣，我們就只能靠別人來(lái)告訴我們自己的外貌了,！
散射只是粗糙表面上發(fā)生的反射,。由于表面粗糙不平，入射光波會(huì)向各個(gè)角度反射,，紙張表面就是一個(gè)典型范例,。如果在顯微鏡下看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)紙張表面非常粗糙。當(dāng)光碰到紙張時(shí),，光波會(huì)向各個(gè)方向反射,。正因如此，紙張才格外有用：無(wú)論以何種角度,，人眼都能看到打印紙張上的文字,。
另一個(gè)有趣的粗糙表面是地球的大氣層。您可能不會(huì)將大氣層看作“表面”,，但對(duì)于入射白光來(lái)說(shuō),，它就很粗糙。大氣層中包含多種大小各異的分子,，包括氮,、氧、水蒸氣和各種污染物,。這些分子混在一起會(huì)散射高能光波,，也就是我們所看到的藍(lán)光，因此天空看上去一片蔚藍(lán),。
當(dāng)入射光波的能量與材料中電子的自然振動(dòng)頻率一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生折射,。光波深深穿透材料,，導(dǎo)致電子產(chǎn)生小幅振動(dòng)。電子將這些振動(dòng)傳遞給材料中的原子,，并發(fā)出與入射波頻率相同的光波,，但這些都需要時(shí)間。在材料內(nèi)的光波部分減速時(shí),，物體外的光波部分還保持著原有頻率,，于是就產(chǎn)生了這樣的效果：物體內(nèi)的光波部分彎向法線——法線是一條人為虛構(gòu)的直線，垂直伸向物體表面,。與尚未進(jìn)入物體的光相比,，物體內(nèi)的光偏離法線的角度更小。
光波的彎曲量（或折射角）取決于材料減緩光速的程度,。鉆石減緩光速的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過某些物質(zhì)（例如水）,，否則它也不會(huì)如此閃亮。鉆石的折射率大于水,，這就是說(shuō)鉆石減緩光速的程度更大,。
有一個(gè)折射現(xiàn)象很有趣，那就是不同頻率或能量的光,，彎曲的角度也略有不同,。下面我們比較一下射進(jìn)玻璃棱鏡的紫羅蘭光和紅光,。由于紫羅蘭光能量較高，與玻璃相互作用的時(shí)間也較長(zhǎng),。因此,，它的減速程度也大于紅光的光波，彎曲程度也更高,。這就是我們?cè)诓屎缰兴婎伾樞虻某梢?。也正因如此，鉆石才帶有彩虹的條紋,，令它如此賞心悅目,。
您是否曾經(jīng)感到好奇——肥皂泡為何有彩虹的顏色，或者潮濕路面上的溢油內(nèi)為何有彩虹的顏色,？當(dāng)光波穿過有兩個(gè)反射面的物體時(shí),，就會(huì)發(fā)生這種情況。如下面的圖5所示,，兩道頻率相同的入射光波碰到肥皂薄膜時(shí),，部分光波從薄膜頂層反射，另一部分光則穿過薄膜并從底層反射,。穿透薄膜的這部分光波與薄膜的相互作用時(shí)間更長(zhǎng),，因此無(wú)法與頂層反射的光波同步進(jìn)行。物理學(xué)家把這種情況稱為異相,。當(dāng)這兩組光波碰到眼睛的光感受器時(shí),，就會(huì)互相干擾。干擾導(dǎo)致光波相加或相減,，從而形成頻率或顏色不同的新光波。
基本說(shuō)來(lái),，當(dāng)白光（不同顏色的混合體）照射到有兩個(gè)反射面的膜層上時(shí),，各種反射波互相干擾，便形成了彩虹條紋,。當(dāng)您變換角度看膜層時(shí),，就改變了光到達(dá)眼睛必須傳播的路線，因而條紋的顏色也會(huì)改變,。如果減小看膜層的角度,，則光到達(dá)眼睛必須傳播的膜層數(shù)量就會(huì)增加，這會(huì)造成更大的干擾,。
我們看到的一切都是由光的本質(zhì)所產(chǎn)生,，并受其影響,。光是一種能量，以波的形式傳播。人眼只能看到稱為“可見光”的波頻,。通過全面了解光的波動(dòng)性,，就能解釋顏色的來(lái)源、光的傳播方式,，以及光碰到不同材料時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況,。
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