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介質

光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)色(se)(se)散(san)需要有能折(zhe)射光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)介(jie)質，介(jie)質折(zhe)射率隨光(guang)(guang)(guang)波頻(pin)率或(huo)真空中的(de)(de)(de)頻(pin)率而變。當復色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)在(zai)介(jie)質界面上折(zhe)射時，介(jie)質對不同頻(pin)率的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)有不同的(de)(de)(de)折(zhe)射率，各色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)因所形成的(de)(de)(de)折(zhe)射角不同而彼此(ci)分離。1672年，牛頓利用(yong)三棱(leng)鏡將太陽光(guang)(guang)(guang)分解成彩色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)帶，這(zhe)是人們首次作的(de)(de)(de)色(se)(se)散(san)實驗。通常(chang)介(jie)質的(de)(de)(de)折(zhe)射率n或(huo)色(se)(se)散(san)率與頻(pin)率的(de)(de)(de)關系來(lai)描述色(se)(se)散(san)規律(lv)。任何介(jie)質的(de)(de)(de)色(se)(se)散(san)均可(ke)分正常(chang)色(se)(se)散(san)和(he)反(fan)常(chang)色(se)(se)散(san)兩種。

光波

光的色散當然還要有光波。光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)決(jue)定的(de)(de)(de)(de)，在(zai)可見光(guang)(guang)(guang)(guang)區(qu)域，紅光(guang)(guang)(guang)(guang)頻(pin)率(lv)(lv)最(zui)小(xiao)(xiao)，紫光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)最(zui)大，各種頻(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)在(zai)真空中傳播(bo)的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)都相同，約(yue)等于(yu)3.0×108m/s。但(dan)是(shi)不同頻(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)單色光(guang)(guang)(guang)(guang)，在(zai)介質(zhi)中傳播(bo)時(shi)由(you)于(yu)與介質(zhi)相互作用，傳播(bo)速(su)度(du)都比在(zai)真空中的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)小(xiao)(xiao)，并且速(su)度(du)的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)(xiao)互不相同。介質(zhi)對(dui)紅光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)折(zhe)射(she)(she)率(lv)(lv)小(xiao)(xiao)，對(dui)紫光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)折(zhe)射(she)(she)率(lv)(lv)大。當不同色光(guang)(guang)(guang)(guang)以相同的(de)(de)(de)(de)入射(she)(she)角(jiao)射(she)(she)到三棱(leng)(leng)鏡上，紅光(guang)(guang)(guang)(guang)發生的(de)(de)(de)(de)偏折(zhe)最(zui)少，它在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)中處在(zai)靠近頂(ding)角(jiao)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)端。紫光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)大，在(zai)介質(zhi)中的(de)(de)(de)(de)折(zhe)射(she)(she)率(lv)(lv)大，在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)中也就排列在(zai)最(zui)靠近棱(leng)(leng)鏡底邊的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)端。

基本原理

在光(guang)學中(zhong)，將復色光(guang)分解成(cheng)單(dan)色光(guang)的過程(cheng)，叫光(guang)的色散。

由兩(liang)種或兩(liang)種以(yi)上的單色光組成的光（由兩(liang)種或兩(liang)種以(yi)上的頻(pin)(pin)率(lv)組成的光），稱(cheng)為復色光。不能再分解的光（只有(you)一種頻(pin)(pin)率(lv)），稱(cheng)為單色光。

注(zhu)：眼(yan)睛的(de)色(se)覺(jue)(jue)細胞接收到(dao)不同(tong)(tong)頻率(lv)的(de)可見光時(shi)，感覺(jue)(jue)到(dao)的(de)顏色(se)不同(tong)(tong)，顏色(se)是不同(tong)(tong)頻率(lv)的(de)光對(dui)色(se)覺(jue)(jue)細胞的(de)刺激而產生的(de)。）

一(yi)般讓白光(guang)（復(fu)色(se)光(guang)）通過三(san)(san)棱鏡(jing)就能(neng)產生(sheng)光(guang)的(de)色(se)散(san)。對同一(yi)種介質(zhi)，光(guang)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)越(yue)高(gao)，介質(zhi)對這種光(guang)的(de)折射率(lv)(lv)就越(yue)大(da)。在可見光(guang)中，紫(zi)光(guang)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)最(zui)(zui)高(gao)，紅光(guang)頻(pin)率(lv)(lv)最(zui)(zui)小。當白光(guang)通過三(san)(san)棱鏡(jing)時(shi)，棱鏡(jing)對紫(zi)光(guang)的(de)折射率(lv)(lv)最(zui)(zui)大(da)，光(guang)通過棱鏡(jing)后，紫(zi)光(guang)的(de)偏折程度(du)最(zui)(zui)大(da)，紅光(guang)偏折程度(du)最(zui)(zui)小。這樣，三(san)(san)棱鏡(jing)將不(bu)同頻(pin)率(lv)(lv)的(de)光(guang)分開，就產生(sheng)了(le)光(guang)的(de)色(se)散(san)。

復色(se)光(guang)分解為(wei)(wei)單色(se)光(guang)而形成(cheng)光(guang)譜(pu)的現象叫做光(guang)的色(se)散。（白光(guang)散開后單色(se)光(guang)從上到(dao)下依(yi)次為(wei)(wei)“紅、橙(cheng)、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色(se)。）

色(se)散(san)(san)可以利用三棱鏡或光(guang)柵等作(zuo)為(wei)“色(se)散(san)(san)系(xi)統”的(de)(de)儀器來實現。將顏色(se)按一定順(shun)序排(pai)列形成光(guang)譜(pu)。光(guang)譜(pu)（spectrum）是復(fu)色(se)光(guang)經過色(se)散(san)(san)系(xi)統（如棱鏡、光(guang)柵）分(fen)(fen)光(guang)后，被(bei)色(se)散(san)(san)開的(de)(de)單(dan)色(se)光(guang)按頻(pin)率(lv)（或波長）大小而依次(ci)排(pai)列的(de)(de)圖案，全稱(cheng)為(wei)光(guang)學頻(pin)譜(pu)。光(guang)譜(pu)中(zhong)最大的(de)(de)一部分(fen)(fen)可見光(guang)譜(pu)是電磁波譜(pu)中(zhong)人眼可見的(de)(de)一部分(fen)(fen)，在這個頻(pin)率(lv)范圍內(nei)的(de)(de)電磁輻射被(bei)稱(cheng)作(zuo)可見光(guang)。光(guang)譜(pu)并(bing)沒有包含人類大腦視覺所能區(qu)別的(de)(de)所有顏色(se)，譬如褐色(se)和粉紅色(se)。

法國數學(xue)家柯(ke)西發現折射率(lv)和光頻的關系，可以用一個級數表示(shi)：

n(f)=a+bf2+cf4。

其中a，b，c是三(san)個(ge)(ge)柯西(xi)色(se)散(san)系數，因不同的(de)物(wu)質(zhi)而不同。只須測(ce)定(ding)三(san)個(ge)(ge)不同的(de)頻率下的(de)折(zhe)射率n(f)，代入柯西(xi)色(se)散(san)公式(shi)中可得(de)到三(san)個(ge)(ge)聯立(li)(li)方程式(shi)，解這組聯立(li)(li)方程式(shi)就可以(yi)得(de)到這物(wu)質(zhi)的(de)三(san)個(ge)(ge)柯西(xi)色(se)散(san)系數。有(you)了三(san)個(ge)(ge)柯西(xi)色(se)散(san)系數，就可以(yi)計算出其他頻率下的(de)折(zhe)射率不需要再測(ce)量。

除了柯西(xi)色(se)散公(gong)式之外，還有(you)其他的色(se)散公(gong)式。如Hartmann色(se)散公(gong)式、Conrady色(se)散公(gong)式、Hetzberger色(se)散公(gong)式等。

復色(se)光(guang)(guang)分解為單色(se)光(guang)(guang)的(de)現(xian)象叫光(guang)(guang)的(de)色(se)散(san)。牛頓在1666年最先(xian)利用三棱鏡觀察(cha)到(dao)光(guang)(guang)的(de)色(se)散(san),把白光(guang)(guang)分解為彩色(se)光(guang)(guang)帶(dai)（光(guang)(guang)譜(pu)）。色(se)散(san)現(xian)象說明(ming)光(guang)(guang)在介質中(zhong)的(de)速度v（或(huo)光(guang)(guang)的(de)色(se)散(san)折射率(lv)n=c/v）隨光(guang)(guang)的(de)頻率(lv)f而變。光(guang)(guang)的(de)色(se)散(san)可以用三棱鏡、衍射光(guang)(guang)柵(zha)、干涉儀等來實現(xian)。

白光(guang)(guang)是由紅、橙、黃、綠、藍(lan)、靛、紫(zi)等(deng)各(ge)種色(se)光(guang)(guang)組成的，由單色(se)光(guang)(guang)混合而成的光(guang)(guang)叫做復色(se)光(guang)(guang)。不能再分解(jie)的色(se)光(guang)(guang)叫做單色(se)光(guang)(guang)。

色散(san)(san)可以利用棱鏡或(huo)光柵等作為“色散(san)(san)系統(tong)”的(de)儀器來實現。

光(guang)的三基(ji)色：紅，綠，藍

另外(wai)，我們(men)看(kan)的(de)電視的(de)熒光粉也是這(zhe)種組合，你到彩電跟前看(kan)看(kan)CRT就是這(zhe)樣，不(bu)過(guo)別看(kan)你面前電腦的(de)監視器，他的(de)像素點太小了，肉眼(yan)分辨(bian)不(bu)出(chu)來的(de)。RGB這(zhe)三種顏色的(de)組合，幾乎(hu)形(xing)成所有的(de)顏色。

紅(hong)(hong)，綠(lv)(lv)，藍(lan)被(bei)稱為(wei)光(guang)的“三原色(se)”，是(shi)因(yin)為(wei)自然界紅(hong)(hong)、綠(lv)(lv)、藍(lan)三種(zhong)顏(yan)(yan)色(se)是(shi)無法用其(qi)(qi)它顏(yan)(yan)色(se)混合而成的，而其(qi)(qi)他顏(yan)(yan)色(se)可以通過紅(hong)(hong)、綠(lv)(lv)、藍(lan)光(guang)的適當混合而得到的，因(yin)此(ci)紅(hong)(hong)、綠(lv)(lv)、藍(lan)三種(zhong)顏(yan)(yan)色(se)被(bei)稱為(wei)光(guang)的“三原色(se)”。

當復(fu)色(se)(se)(se)(se)光(guang)(guang)在介質(zhi)界面上(shang)折(zhe)射時，介質(zhi)對不(bu)同(tong)頻(pin)率的(de)光(guang)(guang)有不(bu)同(tong)的(de)折(zhe)射率，各色(se)(se)(se)(se)光(guang)(guang)會因折(zhe)射角不(bu)同(tong)而彼(bi)此(ci)分(fen)離。1672年，牛頓利用三棱(leng)鏡將色(se)(se)(se)(se)散(san)太陽光(guang)(guang)分(fen)解成彩色(se)(se)(se)(se)光(guang)(guang)帶，這(zhe)是人們首次作的(de)色(se)(se)(se)(se)散(san)實驗。通常用介質(zhi)的(de)折(zhe)射率n或(huo)色(se)(se)(se)(se)散(san)率與頻(pin)率的(de)關系(xi)來描述色(se)(se)(se)(se)散(san)規律。任何介質(zhi)的(de)色(se)(se)(se)(se)散(san)均(jun)可(ke)分(fen)正常色(se)(se)(se)(se)散(san)和反常色(se)(se)(se)(se)散(san)兩種。

復(fu)色(se)(se)光(guang)分解為單(dan)色(se)(se)光(guang)而(er)形成光(guang)譜的(de)(de)(de)現(xian)象。讓一(yi)(yi)(yi)束白光(guang)射到玻璃棱(leng)鏡上(shang)，光(guang)線經過(guo)(guo)棱(leng)鏡折射以后就在另一(yi)(yi)(yi)側面的(de)(de)(de)白紙屏上(shang)形成一(yi)(yi)(yi)條彩色(se)(se)的(de)(de)(de)光(guang)帶(dai)(dai)，其顏色(se)(se)的(de)(de)(de)排列是(shi)(shi)靠(kao)近(jin)棱(leng)鏡頂角端是(shi)(shi)紅色(se)(se)，靠(kao)近(jin)底邊的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)端是(shi)(shi)紫色(se)(se)，中(zhong)間依次是(shi)(shi)橙(cheng)黃綠(lv)藍靛，這樣的(de)(de)(de)光(guang)帶(dai)(dai)叫(jiao)光(guang)譜。光(guang)譜中(zhong)每(mei)一(yi)(yi)(yi)種色(se)(se)光(guang)不(bu)能再分解出(chu)其他色(se)(se)光(guang)，稱它(ta)為單(dan)色(se)(se)光(guang)。由(you)單(dan)色(se)(se)光(guang)混合而(er)成的(de)(de)(de)光(guang)叫(jiao)復(fu)色(se)(se)光(guang)。自然界中(zhong)的(de)(de)(de)太陽光(guang)、白熾電燈和日光(guang)燈發出(chu)的(de)(de)(de)光(guang)都是(shi)(shi)復(fu)色(se)(se)光(guang)。在光(guang)照到物體上(shang)時，一(yi)(yi)(yi)部分光(guang)被物體反射，一(yi)(yi)(yi)部分光(guang)被物體吸收(shou)。如果物體是(shi)(shi)透明的(de)(de)(de)，還有(you)一(yi)(yi)(yi)部分透過(guo)(guo)物體。不(bu)同(tong)(tong)物體，對不(bu)同(tong)(tong)顏色(se)(se)的(de)(de)(de)反射、吸收(shou)和透過(guo)(guo)的(de)(de)(de)情況不(bu)同(tong)(tong)，因此(ci)呈現(xian)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)色(se)(se)彩。

光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)都有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)顏色是由(you)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)波(bo)的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)決定的(de)(de)(de)，在(zai)(zai)可見光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)區域(yu)，紅(hong)(hong)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)最(zui)小(xiao)(xiao)，紫光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)最(zui)大(da)(da)，各種頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)在(zai)(zai)真空中(zhong)傳播的(de)(de)(de)速(su)度都相同(tong)，等于(yu)(yu)3.0×108m/s。但是不同(tong)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)單色光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，在(zai)(zai)介質(zhi)中(zhong)傳播時由(you)于(yu)(yu)與介質(zhi)相互(hu)作用，傳播速(su)度都比在(zai)(zai)真空中(zhong)的(de)(de)(de)速(su)度小(xiao)(xiao)，并且(qie)速(su)度的(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)(xiao)互(hu)不相同(tong)。介質(zhi)對紅(hong)(hong)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)折射率(lv)(lv)(lv)(lv)小(xiao)(xiao)，對紫光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)折率(lv)(lv)(lv)(lv)大(da)(da)。當(dang)不同(tong)色光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)以(yi)相同(tong)的(de)(de)(de)入(ru)射角射到(dao)三棱(leng)鏡上，紅(hong)(hong)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)發生的(de)(de)(de)偏折最(zui)少，它在(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)中(zhong)處在(zai)(zai)靠(kao)近(jin)頂(ding)角的(de)(de)(de)一(yi)(yi)端(duan)(duan)。紫光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)大(da)(da)，在(zai)(zai)介質(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)折射率(lv)(lv)(lv)(lv)大(da)(da)，在(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)中(zhong)也就排列在(zai)(zai)最(zui)靠(kao)近(jin)棱(leng)鏡底邊(bian)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)端(duan)(duan)。

夏(xia)天(tian)雨(yu)后，在朝(chao)著(zhu)(zhu)太陽(yang)(yang)那一(yi)(yi)邊的(de)(de)(de)天(tian)空上(shang)，常(chang)常(chang)會(hui)出現彩色(se)的(de)(de)(de)圓弧，這就是虹。形(xing)成虹的(de)(de)(de)原(yuan)因就是下雨(yu)以后，天(tian)上(shang)懸(xuan)浮著(zhu)(zhu)很(hen)多極(ji)小(xiao)的(de)(de)(de)水滴，太陽(yang)(yang)光沿著(zhu)(zhu)一(yi)(yi)定角度射(she)入，就在這些(xie)小(xiao)水滴中(zhong)發生了色(se)散，朝(chao)著(zhu)(zhu)小(xiao)水滴看(kan)過去(qu)，就會(hui)出現彩色(se)的(de)(de)(de)虹。虹的(de)(de)(de)顏色(se)是紅色(se)在外(wai)，紫色(se)在內，依次排列。

歷史研究

中國古代

中國古(gu)代對(dui)光的(de)色散現象(xiang)的(de)認識最早起源(yuan)于對(dui)自然色散現象(xiang)——虹(hong)的(de)認識。虹(hong)，是太陽光沿著一定角度射(she)入空(kong)氣(qi)中的(de)水(shui)滴所(suo)引起的(de)比較復雜的(de)由折射(she)和反射(she)造成的(de)一種(zhong)色散現象(xiang)。

中國早在(zai)(zai)殷代甲(jia)骨文(wen)里就有(you)了(le)(le)(le)(le)關于虹(hong)(hong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)記(ji)載。當時把(ba)(ba)“虹(hong)(hong)”字寫成(cheng)(cheng)“絳”。戰國時期《楚辭》中有(you)把(ba)(ba)虹(hong)(hong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)(se)分為“五色(se)(se)”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)記(ji)載。東(dong)漢蔡(cai)邕(yong)（132~192年）在(zai)(zai)《月(yue)令(ling)章(zhang)句(ju)》中對虹(hong)(hong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)條(tiao)件和所在(zai)(zai)方(fang)位作(zuo)了(le)(le)(le)(le)描述。唐初孔穎達(da)（574~648年）在(zai)(zai)《禮記(ji)注疏》中粗略地揭(jie)示(shi)出虹(hong)(hong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光學成(cheng)(cheng)因：“若云(yun)薄漏日(ri)(ri)，日(ri)(ri)照(zhao)雨(yu)滴(di)(di)(di)則生虹(hong)(hong)”說明(ming)虹(hong)(hong)是(shi)(shi)太陽光照(zhao)射雨(yu)滴(di)(di)(di)所產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)種自然現象(xiang)。公(gong)元八(ba)世紀中葉，張志和（744~773年）在(zai)(zai)《玄真子(zi)·濤之靈》中第一(yi)(yi)次用(yong)實(shi)驗(yan)方(fang)法研究了(le)(le)(le)(le)虹(hong)(hong)，而(er)且是(shi)(shi)第一(yi)(yi)次有(you)意識(shi)地進行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)白光色(se)(se)散(san)(san)實(shi)驗(yan)：“背(bei)日(ri)(ri)噴呼(hu)水成(cheng)(cheng)虹(hong)(hong)霓之狀，而(er)不可直(zhi)也(ye)，齊乎影也(ye)”。唐代以(yi)后，不斷有(you)人重復類似的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)，如南宋(song)朝蔡(cai)卞進行了(le)(le)(le)(le)一(yi)(yi)個(ge)模(mo)擬(ni)“日(ri)(ri)照(zhao)雨(yu)滴(di)(di)(di)”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)，把(ba)(ba)虹(hong)(hong)和日(ri)(ri)月(yue)暈現象(xiang)聯系起來(lai)，有(you)意說明(ming)虹(hong)(hong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產生是(shi)(shi)一(yi)(yi)種色(se)(se)散(san)(san)過程，并指出了(le)(le)(le)(le)虹(hong)(hong)和陽光位置之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系。南宋(song)程大昌（1123~1195年）在(zai)(zai)《演(yan)繁露(lu)》中記(ji)述了(le)(le)(le)(le)露(lu)滴(di)(di)(di)分光的(de)(de)(de)(de)(de)(de)現象(xiang)，并指出，日(ri)(ri)光通過一(yi)(yi)個(ge)液滴(di)(di)(di)也(ye)能化為多種顏(yan)(yan)色(se)(se)，實(shi)際是(shi)(shi)色(se)(se)散(san)(san)，而(er)這種顏(yan)(yan)色(se)(se)不是(shi)(shi)水珠(zhu)本(ben)身所具有(you)，而(er)是(shi)(shi)日(ri)(ri)光的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)(se)所著，這就明(ming)確指出了(le)(le)(le)(le)日(ri)(ri)光中包含有(you)數種顏(yan)(yan)色(se)(se)，經過水珠(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)而(er)顯現出來(lai)，可以(yi)說，他已接觸到色(se)(se)散(san)(san)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)本(ben)質了(le)(le)(le)(le)。

在我(wo)國(guo)從晉(jin)代(dai)開(kai)始(shi)，許多典籍都(dou)記載了(le)晶(jing)(jing)體(ti)的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)散(san)現(xian)(xian)象。如記載過孔(kong)雀毛及(ji)某種昆蟲(chong)表(biao)皮在陽光(guang)下不斷變色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)現(xian)(xian)象，云(yun)母片向(xiang)日舉之(zhi)可觀察到(dao)各種顏(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)光(guang)。李時珍也曾指出(chu)較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)六棱(leng)形(xing)水(shui)晶(jing)(jing)和較(jiao)小的(de)(de)(de)(de)水(shui)晶(jing)(jing)珠(zhu)，都(dou)能形(xing)成色(se)(se)散(san)。到(dao)了(le)明末，方以智(zhi)（1611~1671年）在所著《物(wu)理(li)小識(shi)》中綜合前(qian)人研究的(de)(de)(de)(de)成果，對色(se)(se)散(san)現(xian)(xian)象作(zuo)了(le)極(ji)精彩的(de)(de)(de)(de)概括(kuo)，他把帶(dai)棱(leng)的(de)(de)(de)(de)自然(ran)晶(jing)(jing)體(ti)和人工(gong)燒(shao)制的(de)(de)(de)(de)三棱(leng)晶(jing)(jing)體(ti)將白光(guang)分成五(wu)色(se)(se)，與(yu)向(xiang)日噴水(shui)而成的(de)(de)(de)(de)五(wu)色(se)(se)人造虹(hong)、日光(guang)照(zhao)射飛泉產生的(de)(de)(de)(de)五(wu)色(se)(se)現(xian)(xian)象，以及(ji)虹(hong)霓之(zhi)彩、日月(yue)之(zhi)暈、五(wu)色(se)(se)之(zhi)云(yun)等自然(ran)現(xian)(xian)象聯(lian)系(xi)起來，認(ren)為“皆同此理(li)”即都(dou)是白光(guang)的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)散(san)。所有這些都(dou)表(biao)明中國(guo)明代(dai)以前(qian)對色(se)(se)散(san)現(xian)(xian)象的(de)(de)(de)(de)本質已有了(le)較(jiao)全面的(de)(de)(de)(de)認(ren)識(shi)，但也反映(ying)中國(guo)古(gu)代(dai)物(wu)理(li)學知(zhi)識(shi)大(da)都(dou)是零(ling)散(san)、經(jing)驗性的(de)(de)(de)(de)知(zhi)識(shi)。

牛頓之前

在(zai)(zai)光(guang)(guang)學(xue)發展的(de)(de)(de)早期，對(dui)顏色的(de)(de)(de)解釋(shi)顯(xian)得特別困難。在(zai)(zai)牛(niu)(niu)頓(dun)以前，歐洲人對(dui)顏色的(de)(de)(de)認識流行(xing)著亞里(li)士(shi)(shi)多德的(de)(de)(de)觀點。亞里(li)士(shi)(shi)多德認為(wei)，顏色不是(shi)物(wu)體客觀的(de)(de)(de)性(xing)質(zhi)，而是(shi)人們主觀的(de)(de)(de)感(gan)覺，一切顏色的(de)(de)(de)形成(cheng)都(dou)是(shi)光(guang)(guang)明與黑(hei)(hei)暗、白與黑(hei)(hei)按比例混合(he)的(de)(de)(de)結果。1663年波義耳也曾研究了(le)(le)物(wu)體的(de)(de)(de)顏色問題，他(ta)認為(wei)物(wu)體的(de)(de)(de)顏色并不是(shi)屬于物(wu)體的(de)(de)(de)帶實(shi)質(zhi)性(xing)的(de)(de)(de)性(xing)質(zhi)，而是(shi)由于光(guang)(guang)線在(zai)(zai)被照(zhao)射的(de)(de)(de)物(wu)體表面上(shang)發生(sheng)(sheng)變異所(suo)引起的(de)(de)(de)。能完全反射光(guang)(guang)線的(de)(de)(de)物(wu)體呈(cheng)白色，完全吸收光(guang)(guang)線的(de)(de)(de)物(wu)體呈(cheng)黑(hei)(hei)色。另外還(huan)有不少科學(xue)家，如(ru)笛卡兒、胡(hu)克等也都(dou)討論(lun)過(guo)白光(guang)(guang)分散或(huo)聚集成(cheng)顏色的(de)(de)(de)問題，但他(ta)們都(dou)主張紅色是(shi)大(da)大(da)地濃縮了(le)(le)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)，紫光(guang)(guang)是(shi)大(da)大(da)地稀釋(shi)了(le)(le)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)這樣一個復雜紊亂的(de)(de)(de)理論(lun)。所(suo)以在(zai)(zai)牛(niu)(niu)頓(dun)以前，由棱鏡產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)折射被假(jia)定(ding)是(shi)實(shi)際(ji)上(shang)產(chan)生(sheng)(sheng)了(le)(le)色，而不是(shi)僅僅把已(yi)經存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)色分離開來。

探索研究

（1）設計(ji)并進行三棱鏡(jing)實驗

當(dang)白光(guang)通(tong)過無色(se)玻璃和各種(zhong)寶石的碎片(pian)時，就會形成鮮艷的各種(zhong)顏色(se)的光(guang)，這一事實早在(zai)牛(niu)頓(dun)的幾個世紀之(zhi)(zhi)前就已有了解，可(ke)是直到十七世紀中葉以后，才有牛(niu)頓(dun)通(tong)過實驗研究了這個問(wen)題(ti)。該實驗被評為(wei)“物理最美實驗”之(zhi)(zhi)一。

牛頓首先做(zuo)了一(yi)個(ge)(ge)有(you)名的(de)(de)(de)(de)三棱鏡(jing)實(shi)驗(yan)，他在著作中記載道：“1666年(nian)初，我做(zuo)了一(yi)個(ge)(ge)三角(jiao)形的(de)(de)(de)(de)玻(bo)璃棱柱(zhu)鏡(jing)，利用它來研究(jiu)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)。為此(ci)，我把(ba)房間里弄(nong)成漆(qi)墨的(de)(de)(de)(de)，在窗戶(hu)上做(zuo)一(yi)個(ge)(ge)小(xiao)孔，讓適(shi)量的(de)(de)(de)(de)日光(guang)(guang)(guang)射(she)進來。我又(you)把(ba)棱鏡(jing)放(fang)在光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)入口處，使(shi)折射(she)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)能夠射(she)到(dao)(dao)對(dui)面(mian)的(de)(de)(de)(de)墻(qiang)上去，當我第一(yi)次(ci)看到(dao)(dao)由此(ci)而(er)產生的(de)(de)(de)(de)鮮明強烈的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)色(se)時，使(shi)我感到(dao)(dao)極大(da)的(de)(de)(de)(de)愉快(kuai)。”通過(guo)這(zhe)個(ge)(ge)實(shi)驗(yan)，在墻(qiang)上得(de)到(dao)(dao)了一(yi)個(ge)(ge)彩色(se)光(guang)(guang)(guang)斑，顏(yan)色(se)的(de)(de)(de)(de)排列是(shi)紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫(zi)。牛頓把(ba)這(zhe)個(ge)(ge)顏(yan)色(se)光(guang)(guang)(guang)斑叫做(zuo)光(guang)(guang)(guang)譜。

（2）進一步(bu)設計實(shi)驗，獲得純(chun)光譜(pu)

牛頓在上述實(shi)驗中(zhong)所得到的(de)光譜是(shi)(shi)不純(chun)的(de)，他認為光譜之所以不純(chun)是(shi)(shi)因為光譜是(shi)(shi)由一系列相互(hu)重疊的(de)圓形色斑的(de)像所組成。牛頓為了獲得很純(chun)的(de)光譜，便設計了一套光學儀器進(jin)行實(shi)驗。

用白光(guang)(guang)通過(guo)(guo)一(yi)(yi)透鏡后照亮狹(xia)(xia)(xia)縫(feng)S，狹(xia)(xia)(xia)縫(feng)后放一(yi)(yi)會(hui)聚透鏡（凸透鏡）以便(bian)形成狹(xia)(xia)(xia)縫(feng)S的像S‘。然后在(zai)透鏡的光(guang)(guang)路(lu)上放一(yi)(yi)個棱(leng)鏡。結果光(guang)(guang)通過(guo)(guo)棱(leng)鏡因偏轉角度不同而被分開，以至在(zai)白色(se)光(guang)(guang)屏(ping)上形成一(yi)(yi)個由(you)(you)紅到紫的光(guang)(guang)譜帶。這個光(guang)(guang)譜帶是由(you)(you)一(yi)(yi)系列彼此鄰接的狹(xia)(xia)(xia)縫(feng)的彩色(se)像組成的。若狹(xia)(xia)(xia)縫(feng)做得(de)很窄，重疊現象就(jiu)可以減(jian)小到最(zui)低限度，因而光(guang)(guang)譜也(ye)變(bian)得(de)很純(chun)。

（3）牛頓提出(chu)解(jie)釋光(guang)譜的理(li)論

牛頓(dun)為(wei)了(le)解釋三棱(leng)鏡(jing)(jing)(jing)實驗中白(bai)(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)的分解現(xian)象(xiang)，認(ren)為(wei)白(bai)(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)是由各種(zhong)(zhong)不同顏(yan)色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)(guang)組成(cheng)(cheng)的，玻璃對各種(zhong)(zhong)色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)(guang)的折射率不同，當白(bai)(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)通(tong)過棱(leng)鏡(jing)(jing)(jing)時(shi)，各色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)(guang)以不同角(jiao)度折射，結(jie)果(guo)就被分開(kai)成(cheng)(cheng)顏(yan)色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜。白(bai)(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)通(tong)過棱(leng)鏡(jing)(jing)(jing)時(shi)，向棱(leng)鏡(jing)(jing)(jing)的底(di)邊偏(pian)折，紫(zi)光(guang)(guang)(guang)(guang)偏(pian)折最大，紅光(guang)(guang)(guang)(guang)偏(pian)折最小。棱(leng)鏡(jing)(jing)(jing)使(shi)白(bai)(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)分開(kai)成(cheng)(cheng)各種(zhong)(zhong)色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)(guang)的現(xian)象(xiang)叫做色(se)(se)散(san)。嚴(yan)格地說，光(guang)(guang)(guang)(guang)譜中有很(hen)多各種(zhong)(zhong)顏(yan)色(se)(se)的細線，它(ta)們都極(ji)平滑地融(rong)在相鄰的細線里，以至使(shi)人覺察不到(dao)它(ta)的界限(xian)。

（4）設(she)計實驗(yan)(yan)驗(yan)(yan)證上述理論的正確性

為了(le)進一(yi)步(bu)研究光的顏色，驗證上(shang)述理論(lun)的正確性，牛頓又做了(le)另一(yi)個(ge)實(shi)驗。

牛(niu)頓在觀(guan)察光(guang)(guang)(guang)譜的(de)(de)(de)(de)屏幕DE上打一小孔(kong)，再(zai)在其后放(fang)一有(you)小孔(kong)的(de)(de)(de)(de)屏幕de，讓通(tong)過(guo)此(ci)小孔(kong)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)是具有(you)某種顏(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)單色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)。牛(niu)頓在這個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)路徑上再(zai)放(fang)上第二(er)個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)棱鏡(jing)abc，它(ta)的(de)(de)(de)(de)后面再(zai)放(fang)一個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)新的(de)(de)(de)(de)觀(guan)察屏V。實(shi)驗(yan)表明，第二(er)個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)棱鏡(jing)abc只是把這個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)單色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)束整個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)地(di)偏轉(zhuan)一個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)角度(du)，而(er)并不(bu)改變光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色(se)(se)。實(shi)驗(yan)中(zhong)，牛(niu)頓轉(zhuan)動(dong)第一個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)棱鏡(jing)ABC，使光(guang)(guang)(guang)譜中(zhong)不(bu)同(tong)顏(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)通(tong)過(guo)DE和de屏上的(de)(de)(de)(de)小孔(kong)，在所有(you)這些(xie)情(qing)況下，這些(xie)不(bu)同(tong)顏(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)單色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)都(dou)不(bu)能被(bei)第二(er)個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)棱鏡(jing)再(zai)次分解，它(ta)們各(ge)自通(tong)過(guo)第二(er)個(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)檢(jian)鏡(jing)后都(dou)只偏轉(zhuan)一定的(de)(de)(de)(de)角度(du)，而(er)且發現，對于不(bu)同(tong)顏(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)偏轉(zhuan)的(de)(de)(de)(de)角度(du)不(bu)同(tong)。

通過這些實驗，牛頓(dun)得出結論：白光能分(fen)解成不同顏色的光，這些光已是(shi)單色的了(le)，棱鏡不能再分(fen)解它們。

（5）單色光復(fu)合(he)為白光的實驗

白(bai)光(guang)(guang)既然能分解為(wei)單(dan)色(se)(se)光(guang)(guang)，那(nei)么(me)單(dan)色(se)(se)光(guang)(guang)是否也可復(fu)合為(wei)白(bai)光(guang)(guang)呢”為(wei)此牛頓進行實(shi)驗。把光(guang)(guang)譜(pu)成在(zai)一(yi)排小的矩形平(ping)面鏡(jing)上，就可使光(guang)(guang)譜(pu)的色(se)(se)光(guang)(guang)重新復(fu)合為(wei)白(bai)光(guang)(guang)。調節(jie)各(ge)平(ping)面鏡(jing)與入射(she)光(guang)(guang)的夾角，使各(ge)反射(she)光(guang)(guang)都(dou)落在(zai)光(guang)(guang)屏的同一(yi)位置上，這樣就得(de)到(dao)一(yi)個白(bai)色(se)(se)光(guang)(guang)班。

牛(niu)頓指出，還可(ke)以用另一(yi)種(zhong)方法(fa)把色(se)光(guang)重新(xin)復合為白光(guang)。把光(guang)譜畫(hua)在(zai)圓(yuan)(yuan)盤(pan)上成扇形(xing)，然后高速(su)旋轉這個(ge)圓(yuan)(yuan)盤(pan)，圓(yuan)(yuan)盤(pan)就呈現(xian)白色(se)。這種(zhong)實驗效(xiao)果一(yi)般稱為“視覺(jue)暫留效(xiao)應”。眼睛(jing)視網膜(mo)上所成的(de)像(xiang)消失后，大(da)腦還可(ke)以把印(yin)象保留零點(dian)幾秒種(zhong)。從(cong)而，大(da)腦可(ke)將迅速(su)變化的(de)色(se)像(xiang)復合在(zai)一(yi)起，就形(xing)成一(yi)個(ge)靜(jing)止(zhi)的(de)白色(se)像(xiang)。在(zai)電視屏幕(mu)上或(huo)電影屏幕(mu)上，我們能夠看到連續的(de)圖像(xiang)，其原因(yin)也正在(zai)于利用了人的(de)“視覺(jue)暫留效(xiao)應”。

（6）牛頓對光的(de)色(se)散研究成(cheng)果(guo)

牛頓通過一系列(lie)的色散(san)實(shi)驗和理論研究，把結果歸納為(wei)幾條，其(qi)要點如下：

①光(guang)線(xian)隨著它的折射率不同而(er)顏(yan)色(se)各(ge)異。顏(yan)色(se)不是(shi)光(guang)的變(bian)樣，而(er)是(shi)光(guang)線(xian)本(ben)來(lai)就固有的性質(zhi)。

②同(tong)一(yi)顏色屬于同(tong)一(yi)折射率(lv)，反之亦(yi)然(ran)。

③顏色(se)的種(zhong)類和(he)折射(she)的程(cheng)度(du)為光線所(suo)固有(you)，不因(yin)(yin)折射(she)、反射(she)和(he)其它任何(he)原(yuan)因(yin)(yin)而變化。

④必須(xu)區別本來單(dan)純的(de)顏(yan)色和由它們復合而成的(de)顏(yan)色。

⑤不(bu)存在(zai)自身(shen)為白色(se)的(de)光(guang)線(xian)。白色(se)是由一切顏(yan)色(se)的(de)光(guang)線(xian)適當混合而(er)產生的(de)。事(shi)實上(shang)，可以進行把光(guang)譜的(de)顏(yan)色(se)重新合成而(er)得到白光(guang)的(de)實驗。

⑥根(gen)據以(yi)上(shang)各(ge)條，可以(yi)解釋(shi)三棱鏡使光(guang)產生顏色原因與虹的原理(li)等。

⑦自然物的顏色(se)是(shi)由于該(gai)物質對(dui)某種光線反射得(de)多，而(er)對(dui)其(qi)他光線反射得(de)少的原(yuan)因。

⑧由此可知(zhi)，顏色是光（各種(zhong)射線）的(de)質，因而(er)光線本身(shen)不可能是質。因為顏色這樣的(de)質起(qi)源于光之中(zhong)，

（7）牛(niu)頓對于光(guang)的色散(san)現象的研究方法的特(te)點

從(cong)以上可(ke)看出(chu)牛頓在對光(guang)的(de)(de)(de)色(se)散研(yan)(yan)究中，采用了實驗歸納——假說理(li)(li)論——實驗檢驗的(de)(de)(de)典型的(de)(de)(de)物理(li)(li)規律的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究方(fang)法，并滲透著分(fen)析的(de)(de)(de)方(fang)法（把(ba)白(bai)光(guang)分(fen)解為單色(se)光(guang)研(yan)(yan)究）和綜合的(de)(de)(de)方(fang)法（把(ba)單色(se)光(guang)復(fu)合為白(bai)光(guang)）等物理(li)(li)學研(yan)(yan)究的(de)(de)(de)方(fang)法。

光的(de)色散(san)說明了光具有波動性。因為色散(san)是光的(de)成(cheng)分（不同色光）折射率(lv)不同引起的(de)，而折射率(lv)由(you)波的(de)頻率(lv)決(jue)定。

光具(ju)有粒子性最典型的例子就是(shi)光電效應。

現象舉例

虹

夏天(tian)雨后，在和(he)太陽(yang)(yang)相(xiang)對著(zhu)(zhu)(zhu)的(de)(de)方向，常常會出現彩(cai)(cai)(cai)色(se)的(de)(de)圓弧(hu)，這就(jiu)是虹(hong)。我(wo)們又統稱彩(cai)(cai)(cai)虹(hong)。形(xing)成虹(hong)的(de)(de)原因(yin)就(jiu)是下(xia)雨以后，天(tian)上懸(xuan)浮著(zhu)(zhu)(zhu)很(hen)多極小的(de)(de)水(shui)滴，太陽(yang)(yang)光沿(yan)著(zhu)(zhu)(zhu)一(yi)定(ding)角度射入，這些小水(shui)滴就(jiu)發生了(le)色(se)散，朝著(zhu)(zhu)(zhu)小水(shui)滴看過(guo)去，就(jiu)會出現彩(cai)(cai)(cai)色(se)的(de)(de)虹(hong)。色(se)彩(cai)(cai)(cai)一(yi)般為(wei)七彩(cai)(cai)(cai)色(se)，從(cong)外(wai)至(zhi)內分別為(wei)：赤、橙、黃(huang)(huang)(huang)、綠、藍、靛(dian)、紫。在中國，也常有(you)“紅橙黃(huang)(huang)(huang)綠青藍紫”的(de)(de)說法。（其(qi)實這是一(yi)種光的(de)(de)色(se)散現象。）毛澤東曾(ceng)于(yu)1933年夏所作一(yi)詞(ci)描繪了(le)彩(cai)(cai)(cai)虹(hong)的(de)(de)色(se)彩(cai)(cai)(cai)：“赤橙黃(huang)(huang)(huang)綠青藍紫，誰(shui)持彩(cai)(cai)(cai)練當空(kong)舞。雨后復斜陽(yang)(yang)，關山陣(zhen)陣(zhen)蒼……”

霓

有時在(zai)虹(hong)的(de)外側(ce)還(huan)能看到第二(er)道虹(hong)，光彩比第一道虹(hong)稍淡，色序是外紫(zi)內紅。稱為副虹(hong)或霓。

霓和(he)虹(hong)(hong)的不同(tong)點僅僅在(zai)于光線在(zai)雨點內產生二次內反射，因此(ci)光線通(tong)過雨滴后射到我們眼簾時，光弧色(se)帶就與(yu)虹(hong)(hong)正好相反。