生活中的颜色

邓楷模

(苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006)

生活在色彩斑斓的世界,我们从小时候就学会了分辨颜色．为什么不同的物体呈现出不同的颜色?为什么天空是蓝色的、云朵是白色的?为什么肥皂膜在阳光下具有如此丰富的色彩?合理解释日常生活中随处可见的颜色现象需要我们对一些基本的光学知识有所了解．这些生活中的颜色的形成与光的波长(描述光的波动性的物理参数)有密切关系,并受材料的光学性质影响．

1 光的颜色与视觉

牛顿是最早系统研究太阳光的科学家之一．[1]他发现如果让太阳光照射到棱镜上,从棱镜出射的光不再是白光,而是彩色的,紫色光和红色光分居两侧,中间分别是蓝光、绿光、黄光和橙光．如果让这些不同颜色的光重新通过另一个棱镜,又能形成白光．这表明,白光是由不同颜色的光混合而成的，彩虹的颜色是非常直接的说明．光的颜色取决于光的波长．表1中列出了不同波长的可见光对应的颜色．紫光的波长比红光的小,太阳光谱中其他颜色的波长在紫光和红光之间．

表1 光的波长与颜色对照表

尽管可见光波长非常短,但不同颜色的光仍能被我们的视觉系统准确分辨．眼睛和大脑构成了人类的视觉系统．光通过角膜和晶状体汇聚到视网膜,上面充满了光敏细胞-锥状细胞和杆状细胞．杆状细胞产生夜晚的视觉,但它们不提供任何与颜色相关的信息．在光照充足的条件下,锥状细胞决定了我们认清细节和分辨颜色的能力．锥状细胞有三种,S锥、M锥和L锥,分别对可见光中较短、中间、较长的波长最敏感．[2]

我们是怎么分辨不同颜色的呢?假如640nm波长的光进入眼睛,根据锥状细胞的敏感度曲线,L锥细胞受到的刺激远远超过M锥和S锥．由从小形成的辨色经验,我们把这种混合响应辨认成红色．460nm波长的光对S锥的刺激最强,我们将这种光的颜色认成蓝色．而580nm波长的光对M锥和L锥的刺激都很强烈,我们将这种光认成黄光．事实上,绿光和红光组成的混合光能够对锥状细胞产生类似的刺激,我们也会认为这种混合光是黄色．这其实是光的加法混色基础．不同比例的三原色光(红、绿、蓝)混在一起,能够在我们的大脑中形成对应于所有颜色的光响应．蓝光和红光混合成洋红色光,蓝光和绿光产生青色光,红光和绿光形成黄光．如果三原色光以一定的比例混合,锥状细胞所受到刺激的比例,与太阳光产生的响应的比例相同,能够产生我们以为是白光的响应．[2]当光非常弱时,光敏细胞受到的刺激非常弱,我们看到的是黑色．

2 不同物体具有不同颜色

绝大多数物体都不是颜色的产生者,它们只是反射或者散射光源发出的光．物体的颜色由光源中包含的波长和物体的光反射或散射性质决定．

我们以绘画用的颜料来说明这个问题．不同颜色的颜料能够选择性吸收光,对某些波长的吸收比其他波长更强．彩色印刷中用到3种颜色的颜料:黄色、青色和洋红色．黄色颜料强烈吸收可见光中的蓝光成分,穿透并反射绿光和红光．青色颜料吸收红光,让蓝光和绿光穿过和反射．洋红色颜料吸收可见光的中间波段,穿透并反射蓝光和红光．当光从某一种颜料表面反射时,我们能看到这种颜料的颜色．如果将这些颜料混在一起,我们能得到所有的颜色．例如,将青色颜料和黄色颜料混合,红光和蓝光都被吸收,绿光被反射出来,在我们的眼睛中形成绿色．这就是减法混色原理．[2]

生活中其他常见物体的颜色,例如花朵、树叶、宝石、化学溶液的颜色都与其中的光吸收与光反射有关．需要指出的是,物体在太阳光下的颜色与在人工光源照射下的颜色有可能存在偏差,这是由于有些光源(比如白炽灯)产生的光缺少可见光中的某些波段．

3 天蓝云白夕阳红

地球的大气层主要由氮气、氧气和二氧化碳等气体组成．气体分子的大小约为零点几个纳米,远远小于可见光波长．来自太阳的光进入大气层后,被气体分子吸收,并很快以同样的波长被发射出来．这一过程称为瑞丽散射．[3]与入射光传播的方向不同,散射后的光朝各个方向传播．另外瑞利散射的强度与波长相关,较短波长的光散射效率比较长波长的高．

当我们观看天空,而不是盯着太阳看时,进入眼睛的光经过了大气分子的多次散射．可见光中的蓝光和紫光,它们的波长比红光以及其他中间波段的光要短,散射效率要高,因此蓝光和紫光更多地进入我们的眼睛．由于眼睛对蓝光的响应比紫光强烈,所以我们辨认的颜色为蓝色．这就是天空呈现蓝色的原因．如果没有大气,天空将是黑色的,就像月球一样．太阳光可以被水分子散射,同样的道理可以解释海水的颜色为蓝色．在早晨和傍晚的时候,太阳光线穿透大气层所经过的距离,比正午时分长得多,更多的蓝光和中间波段的光被散射掉．我们看日出或夕阳时,进入眼睛的光主要是红光，并且太阳越接近地平线,越显得红．[3]知道了这一点,你也许会对红月亮这一天文现象并不感到特别惊讶．

天空里漂浮的云朵由大量的水滴组成．太阳光同样能被水滴散射,只是由于水滴的尺寸一般为几个微米,大于可见光的波长．这时的光散射强度与波长的关系不大,各种波长的光被散射的强度差不多．因此从云朵散射的光呈现出的颜色与太阳光相同,只是强度有所减弱,为白色或灰色．牛奶呈现白色的原因也是因为大尺寸的蛋白质和脂肪分子对光的散射．有霾的天气,空气中可能存在能够吸收光的颗粒,颜色会比雾显得更加暗淡．

4 结构色

我们经常会对蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛所呈现出的美丽色彩而赞叹不已．这些颜色是怎样形成的呢?在显微镜下观测蝴蝶翅膀的微观结构,上面有大量周期排列的规则小孔．[4]这些阵列结构的周期大小和可见光波长相比拟,能够对光进行衍射．入射光在周期性结构的作用下,在不同的传播方向衍射光的波长不同．因此从不同的角度看,蝴蝶的翅膀会有不同的颜色．这是非常典型的结构色．CD或DVD光盘、防伪标签、蛋白石等等,在光照下会有五颜六色的光彩,同样是由于衍射效应造成的．最近的研究表明,变色龙皮肤颜色的改变与其皮肤中规则排列并具有交替折射率的结构单元有关．[5]变色龙在情绪发生变化时,皮肤中的规则结构单元周期发生改变,从而导致不同的颜色被反射出来．

肥皂膜、油膜在阳光下是彩色的,从不同的角度能看到不同的颜色．如何解释这一光学现象呢?这是由于薄膜的厚度与可见光波长接近,薄膜的上下表面反射的光线能够发生干涉．从不同的角度观察,对应的波长和颜色不同．利用类似的干涉原理,眼镜、相机镜头通常需要镀膜来反射紫外线或增加可见光的透射．薄膜的干涉也能运用在太阳能电池上面,以达到降低光反射、提高光利用率的目的．

上述提及的内容只覆盖了生活中关于颜色的一部分,大自然中其他与颜色相关的现象仍然需要不断探索．尽管如此,了解一些基本的光学知识和颜色的形成机理有助于我们更好地了解世界,更加热爱带给我们绚烂色彩的大自然．