光的色散的历史研究
中国早在殷商时期的甲骨文中就有彩虹的记载。当时“虹”字写的是“绛”。战国时期的《楚辞》中就有彩虹的颜色分为“五色”的记载。东汉蔡邕(132~192)在《月令章句》中描述了彩虹的形成条件和位置。初唐孔(574~648)在《礼记注》中粗略地揭示了彩虹的光学起源:“云若薄而日漏,阳光中的雨滴便产生雨滴”,说明彩虹是雨滴受太阳光照射而产生的自然现象。公元8世纪中叶,张(744~773)本着玄真子道的精神,第一次用实验方法研究了彩虹,第一次有意识地进行了白光色散实验:“太阳后面喷出的水,看起来像彩虹,但不可能是直的,只是像影子而已”。唐朝以后,人们不断重复类似的实验。例如,南宋时,蔡卞进行了模拟“阳光下的雨滴”的实验,将彩虹与太阳和月亮的光晕现象联系起来,有意解释了彩虹是一种弥散过程,并指出了彩虹与太阳位置的关系。南宋程大昌(1123 ~ 1195)在《范艳录》中描述了露珠分裂的现象,并指出太阳光通过一滴水滴可以转化成多种颜色,这实际上是色散,而这种颜色并不是水滴本身所拥有的,而是太阳光的颜色,其中明确指出,
在中国,自晋代以来,许多古籍都记载了晶体的弥散现象。例如,有记载说孔雀毛和一种昆虫的表皮在阳光下不断变色,云母片可以举到阳光下观察各种颜色的光。李时珍还指出,无论是较大的六方晶体,还是较小的结晶珠,都可以形成弥散。到了明末,方以智(1611 ~ 1671)在《物理学》一书中,综合前人的研究成果,对色散现象做了精彩的总结。他用有棱的天然晶体和人工烧制的三角晶体将白光分成五种颜色,并在太阳上喷水。这些都表明中国在明代以前对色散现象的本质有了全面的认识,但也反映出中国对古代物理的认识大多是零散的、经验性的。(1)设计并进行棱镜实验。
白光通过无色玻璃和各种宝石的碎片时,会形成各种颜色的亮光。这个事实在牛顿之前几个世纪就已经知道了,但直到十七世纪中叶,牛顿才通过实验研究了这个问题。该实验被评为“物理学中最美的实验”之一。
牛顿首先做了一个著名的棱镜实验。他在书中写道:“1666年初,我做了一个玻璃三棱镜,用它来研究光的颜色。为此,我粉刷了房间,在窗户上打了一个小洞,让适量的阳光进来。我把棱镜放在光的入口处,这样折射的光就可以射到对面的墙上。当我第一次看到明亮强烈的光色时,我感到极大的愉悦。”通过这个实验,在墙上得到一个色点,颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。牛顿称这种颜色为斑点光谱。
(2)进一步设计实验以获得纯光谱。
上面实验得到的牛顿谱是不纯的。他认为光谱是不纯的,因为它是由一系列圆形斑点的重叠图像组成的。为了获得非常纯净的光谱,牛顿设计了一套实验用的光学仪器。
白光通过透镜照射狭缝S,会聚透镜(凸透镜)放置在狭缝后面以形成狭缝S的图像S’..然后在镜头的光路上放一个棱镜。结果,光通过棱镜被不同的偏转角分离,从而在白色屏幕上形成从红色到紫色的光谱带。这个光谱带由一系列相邻狭缝的彩色图像组成。如果把狭缝做得很窄,重叠现象可以降到最低,所以光谱就变得很纯。
(3)牛顿提出了解释光谱的理论。
为了解释棱镜实验中白光的分解现象,牛顿认为白光是由各种颜色的光组成的,玻璃对各种颜色的光有不同的折射率。当白光通过棱镜时,每种颜色的光以不同的角度折射,结果被分离成彩色光谱。白光通过棱镜时,向棱镜底边偏转,紫光偏转最大,红光偏转最小。棱镜把白光分成各种颜色的现象叫做色散。严格来说,光谱中有许多各种颜色的细线,它们都平滑地融合在相邻的细线中,以至于人们意识不到它的边界。
(4)设计实验验证上述理论的正确性。
为了进一步研究光的颜色,验证上述理论的正确性,牛顿又做了一个实验。牛顿在观察光谱的屏de上打了一个小孔,然后放一个后面有小孔的屏DE,这样通过这个孔的光就是某种颜色的单色光。牛顿在这束光的路径上放了第二个棱镜abc,在它后面放了一个新的观察屏V。实验表明,第二棱镜abc只是将单色光束偏转一个角度,而不改变光的颜色。实验中,牛顿旋转第一棱镜ABC,使光谱中不同颜色的光穿过de和DE屏上的小孔。在所有这些情况下,这些不同颜色的单色光不能被第二棱镜再次分解,它们在通过第二反射镜后都偏转了一定的角度,并且发现对于不同颜色的光,偏转的角度是不同的。
通过这些实验,牛顿得出结论:白光可以分解成不同的颜色,是单色的,棱镜已经不能分解了。
(5)单色光合成白光的实验。
既然白光可以分解成单色光,那么单色光也可以合成白光吗?“牛顿为此进行了一次实验。通过将光谱组合成一排小矩形平面镜,光谱的彩色光可以重新组合成白光。调整各平面镜与入射光的夹角,使所有反射光都落在光屏的同一位置,从而获得白色光束。
牛顿指出,还有一种方法可以将彩色光重新组合成白光。把光谱画在一个扇形的圆盘上,然后高速旋转圆盘,圆盘就会出现白色。这种实验效应一般被称为“视觉暂留效应”。眼睛视网膜上的图像消失后,大脑可以将印象保持十分之几秒。因此,大脑可以将快速变化的彩色图像组合起来,形成静态的白色图像。在电视屏幕或电影屏幕上,我们可以看到连续的图像,原因就是利用了人的“视觉暂留效应”。
(6)牛顿关于光色散的研究成果。
牛顿通过一系列的色散实验和理论研究,将结果归纳为几项,要点如下:
(1)光的颜色随其折射率而变化。颜色不是光的变化,而是光的固有性质。
②同色属于同一折射率,反之亦然。
③颜色的种类和折射程度是光所固有的,不因折射、反射或任何其他原因而改变。
④要区分原来的简单颜色和它们复合的颜色。
⑤没有白光。所有颜色的光适当混合就产生了白色。事实上,可以进行实验来重组光谱的颜色,以获得白光。
⑥根据以上,我们可以解释棱镜使光产生颜色的原因和彩虹的原理。
⑦自然物体的颜色是由于该物质反射的光多,反射的其他光少。
所以今天,颜色是光(各种射线)的质量,所以光本身不可能是质量。因为诸如颜色的质量来源于光,
(7)牛顿对光的色散现象的研究方法的特点。
由上可知,牛顿采用了实验归纳-假说理论-实验检验等物理规律的典型研究方法,并渗透了分析方法(将白光分解为单色光)和综合方法(将单色光合成为白光)等物理研究方法。
光的色散说明光有波动。因为色散是由光成分(不同颜色的光)的折射率不同引起的,而折射率是由波的频率决定的。
光的粒子性最典型的例子就是光电效应。