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常见物理色彩知识
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色彩常用物理光学知识 一 、物体对光的透射、吸收和反射 在我们周围，每一种物体都呈现一定的颜色。这些颜色是由于光作用于物体才产生的。如果没有光，我们就无法看到任何物体的颜色。因此，有光的存在，才有物体颜色的体现。 从颜色角度来看，所有物体可以分成两类：一类是能向周围空间辐射光能量的自发光体，即光源。其颜色决定于它所发出光的光谱成份；另一类是不发光体，其本身不能辐射光能量，但能不同程度地吸收、反射或透射投射其上的光能量而呈现颜色。这里，我们主要讨论不发光体颜色的形成问题。 无论哪一种物体，只要受到外来光波的照射，光就会和组成物体的物质微粒发生作用。由于组成物质的分子和分子间的结构不同，使入射的光分成几个部分：一部分被物体吸收，一部分被物体反射，再一部分穿透物体，继续传播（图2-18）。图中 为入射光通量； 为透射光通量； 为反射光通量； 为物体吸收的光通量。 （一）、透射 透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。为了表示透明体透过光的程度，通常用入射光通量 （见图2-18）与透过后的光通量 之比τ来表征物体的透光性质，τ称为光透射率。 图2-18 表示为 从色彩的观点来说，每一个透明体都能够用光谱透射率分布曲线来描述，此光谱透射率分布曲线为一相对值分布。所谓光谱透射率定义为从物体透射出的波长λ的光通量 与入射于物体上的波长λ的光通量 之比。表示为 通常在测量透射样品的光谱透射率时，还应以与样品相同厚度的空气层或参比液作为标准进行比较测量。 （二）、吸收 物体对光的吸收有两种形式：如果物体对入射白光中所有波长的光都等量吸收，称为非选择性吸收。例如白光通过灰色滤色片时，一部分白光被等量吸收，使白光能量减弱而变暗。如果物体对入射光中某些色光比其它波长的色光吸收程度大，或者对某些色光根本不吸收，这种不等量地吸收入射光称为选择性吸收。例如白光通过黄色滤色片时，蓝光被吸收，其余色光均可透过。 物体表面的物质之所以能吸收一定波长的光，这是由物质的化学结构所决定的。可见光的频率为 不同物体由于其分子和原子结构不同，就具有不同的本征频率，因此，当入射光照射在物体上，某一光波的频率与物体的本征频率相匹配时，物体就吸收这一波长（频率）光的辐射能，使电子的能级跃迁到高能级的轨道上，这就是光吸收。 在光的照射下，光粒子与物质的微粒作用，这些物质吸收某些波长的光粒子，而不吸收另外一些波长的光粒子，使得不同物质具有不同的颜色。例如，油墨的颜色是颜料的分子结构所决定的。分子结构的某些基团吸收某种波长的光，而不吸收另外波长的光，从而使人觉得好像这一物质"发出颜色"似的，因此把这些基团称为"发色基团"。例如，无机颜料结构中有发色团，如铬酸盐颜料是 （重铬酸根），呈黄色；氧化铁颜料的发色团是 呈红色；铁蓝颜料的发色团是 呈蓝色。这些不同的分子结构对光波有选择性的吸收，反射出不同波长的光。 表面覆盖了涂料的物体 ，对于不透明的涂料来说，颜料颗粒反射回的光还受到颜料连结料性质的影响；如果涂料是透明的，物体的颜色不仅取决于涂料的颜色，还很大程度上决定于涂料层下物体的颜色。 白光投射到非选择性吸收物体上时，各种波长的光被吸收的程度一样，所以，从物体上反射或透射出来的光谱成份不变，即这类物体对于各种波长的光的吸收是均等的，产生消色的效果。 光照射到非选择性吸收的物体上，反射或透射出来的光与入射光的强度相比，有不同程度的减少。反射率不到10%的非选择性吸收的物体的颜色称为黑色。反射率在75%以上的非选择性吸收的物体的颜色称为白色。非选择性吸收的物体对白光反射率的大小标志着物体的黑白的程度。 （三）、反射 这里所说的反射是指选择反射，非透明体受到光照射后，由于其表面分子结构差异而形成选择性吸收，从而将可见光谱中某一部分波长的辐射能吸收了，而将剩余的色光反射出来，这种物体称为非透过体或反射体。 图2-19（A）表示了入射光通量 与反射光通量 。不透明体反射光的程度，可用光反射率ρ来表示。光反射率可以定义为"被物体表面反射的光通量 与入射到物体表面的光通量 之比。"可表示为 从色彩的观点来说，每一个反射物体对光的反射效应，能够以光谱反射率分布曲线来描述。光谱反射率 定义为"在波长λ的光照射下，样品表面反射的光通量 与入射光通量 之比。表示为 对图2-19（A）,若用光谱反射率来分析，则可以说在入射白光光谱中，蓝色光和绿色光部分被吸收， 值接近于零；只有红色光部分的辐射能被反射，具有较大的 值，故该物体表面呈红色。图2-19（B）是该物体表面的光谱反射率分布曲线，习惯上称为分光反射曲线或简称分光曲线。分光反射曲线可以精确地描述物体的颜色，对色彩的定量描述有重要意义。 图 2-19 物体对光的反射有三种形式，理想镜面的全反射，粗糙表面的漫反射，及半光泽表面的吸收反射。 理想的镜面能够反射全部的入射光，但以镜面反射角的方向定向反射（图2-20a）。完全漫反射体朝各个方向反射光的亮度是相等的（图2-20b）。 实际生活中绝大多数彩色物体表面，既不是理想镜面，也不是完全漫反射体,而是居二者之中，称为半光泽表面。这种性质可以用变角光度计测量其表面反射率因数的分布状况，从而得到图2-21所示的分布曲线。图中从测试样中心到曲线的半径距离，表示在该方向上反射率因数的大小；曲线a是一个半圆，表示完全漫反射体的反射率因数分布；曲线b是半光泽表面反射率因数分布，这表示在镜面反射方向有较强的反射能力。 一些自然现象的解释 人眼看到的海水的颜色，是海水对太阳反射光的颜色。白光射向海水时，由于海水对白光的选择吸收和散射，使海水呈现蓝色。光通过介质时，光的部分能量被介质吸收而转变成介质的内能，使得光的强度随着光穿过的厚度而衰减的现象称为光的吸收。若某种介质在一定波长范围内，对光的吸收程度很小，并且随波长变化不大，这种吸收称为一般吸收；若某种介质对某些波长的光的吸收特别强烈，且随波长变化也很大，这种吸收称为选择吸收。太阳光射到海水上时，由于海水对红、黄色光进行选择吸收，而对蓝、紫色光强烈散射、反射，因而海水看起来呈蓝色。绝大部分物体呈现颜色，都是其表面或体内对可见光进行选择吸收的结果。 海水的颜色主要是由海水的光学性质，即海水对太阳光线的吸收、反射和散射造成的。我们知道：太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光复合而成，七色光波长长短不一，从红光到紫光，波长由长渐短，其中波长长的红光、橙光、黄光穿透能力强，最易被水分子所吸收。波长较短的蓝光、紫光穿透能力弱，遇到纯净海水时，最易被散射和反射。又由于人们眼睛对紫光很不敏感，往往视而不见，而对蓝光比较敏感。于是，我们所见到的海洋就呈现出一片蔚蓝色或深蓝色了。如果打一桶海水放在碗中，则海水和普通水一样，是无色透明的。其实海水看上去也不全是蓝色的，而是有红、黄、白、黑等等，五彩缤纷。因为海水颜色除了受以上因素影响外，还会受到海水中的悬浮物质、海水的深度、云层等其他因素的影响。如我国的黄海，看上去一片黄绿，这是因为古代黄河夹带的大量泥沙将海水“染黄”了。虽然现在黄河改道流入渤海，但黄海北部有宽阔的渤海海峡与之相通，加之它还有淮河等河水注入，故海面仍呈浅黄色。 亚非两洲之间的红海，因其水温很高，海里生长着一种水藻，大批死亡后呈红褐色，将海水染成红色。红海由此而得名。 而黑海，由于多瑙河、顿河、第聂伯河等河水的注入，表层密度很小，深层受地中海高盐度海水影响，密度很大。这样，上层密度小，下层密度大，且差异很大，上下层水体难以交换。黑海与地中海之间也仅有 一又窄又浅的土耳其海峡相通，使得它们之间海水也难以大量交换。这样，黑海下层海水长期处于缺氧环境，上层海水中生物分泌的秽物和各种动植物死亡后沉到深处腐烂发臭，大量污泥浊水，使海水变黑了。 北冰洋深入俄罗斯北部的白海，则是因为它的纬度较高，终年寒冷，冰雪茫茫，加之有机物含量少，海水呈现出一片白色，故名白海。 我们看到的天空，经常是蔚蓝色的，特别是一场大雨之后，天空更是幽蓝得象一泓秋水，令人心旷神怡，跃跃欲飞。天空为什么是蔚蓝色的呢？ 大气本身是无色的。天空的蓝色是大气分子、冰晶、水滴等和阳光共同创作的图景。 阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透射力大，能透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，就很容易发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝了。 天为什么是蓝的，而不是绿的或红的呢? 首先你得明白一个道理：我们周围的事物之所以显现出颜色来，仅仅是因为阳光照射着它们。虽然阳光看上去是白色的，但是所有的颜色：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫，在阳光里都存在。 天空里有这么多颜色，为什么我平时看到的只有蓝色呢？你可能会问。 如果你把光线设想为波浪，你就会猜破这个谜了。光其实是像一个波浪那样在运动的。我们来设想一下一滴雨落在一个水洼里的情景。当这滴雨落到水面上时，就会产生小波浪，波浪一起一伏地变成更大的圈，向着四面八方扩展开去。如果这些波浪碰上一块小石子或一个别的什么障碍物，它们就会反弹回来，改变了波浪的方向。 而阳光从天空照射下来，一样会连续不断地碰到某些障碍。因为光所必须穿透的空气并不是空的，它由很多很多微小的微粒组成。其中百分之九十九不是氮气便是氧气，其余则是别的气体微粒和微小的漂浮微粒，来源于汽车的废气、工厂的烟雾、森林火灾或者火山爆发出来的岩灰。虽然氧气和氮气微粒只是一滴雨水的一百万分之一，但是它们也照样能阻挡阳光的去路。光线从这些众多的小“绊脚石”上弹回，自然也就改变了自己的方向。 可是那么多颜色的光改变了方向，为什么只有蓝色被看到呢？你可能还是不明白。 我们还得回到刚才说的那个水洼里。 水洼里，小的波浪遇到小石子的话，水面便被搞得混乱不堪；但如果是一个“巨浪”，像你用手在水洼边掀起的那种“巨浪”，它就有可能干脆从石头上溢过去，并畅通无阻地到达水洼的对面边缘。那么，就像有大波浪和小波浪一样，各种各样颜色的光波也有不同的“波浪”，也就是波长：不过它们可不像水波的波浪，用肉眼是看不出它们的大小的，因为它们小得难以想像，只是一根头发的一百分之一！得用很灵敏的测量仪表才可以精确地测定出来。 根据科学家的测定，蓝色光和紫色光的波长比较短，相当于“小波浪”；橙色光和红色光的波长比较长，相当于“大波浪”。当遇到空气中的障碍物的时候，蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍，便被“散射”得到处都是，布满整个天空—天空，就是这样被“散射”成了蓝色。 发现这种“散射”现象的科学家叫瑞利，他是在130年前发现的，他也是诺贝尔奖获得者。 用“散射”现象，你就可以解释下面这些天象了： 比如在你头顶的天空是蓝色的，可是在地平线—天地相接的地方，天空看上去却几乎是白色的。为什么？就是因为阳光从地平线到你这个地方比起它直接从空中落下来，需要在空气中走的路程要远得多—而在一路上它所擦过的微粒子也自然就要多得多。这些大量的微粒子就这样多次散射出光，所以它显得白中透着淡蓝。建议你做一个小实验来验证一下：拿一杯水，把它放在一个黑暗的背景里，放进一滴牛奶，再拿一只手电筒照射杯子的一端，并靠近它，手电筒的光在水中即会显现出淡蓝色。如果你往水里放进的牛奶越多，水就越白，因为光一再地受到这些众多的牛奶微粒的散射，结果就是白色的。道理跟在地平线上空是白色的一样。 太阳落山时的傍晚，天空不显现蓝色而显现红色，正在下落的太阳也变成暗红色，也是一样的道理。由于傍晚的光在照射到你这个地方的路上所遇到的众多的微粒，使得阳光中的紫色的和蓝色的部分往四面八方散射开去，仅留下一点点使你的肉眼看得见的橙红色光线—因为它们的波长长、“波浪大”，翻过了路上的障碍。 不过，细心的你会发现，天穹在落日后也还会在一段时间内呈现深蓝色。这也曾经是科学家们关心的一件怪事，不过几个物理学家已经在50年前揭开了这个谜：导致黄昏时天空的蓝色，是一种特别的物质。这种特别的物质在离地球表面20至30公里的高空处聚集成厚厚的一个层面，叫臭氧层。这种气体对正在下落的太阳光起到像颜色过滤器那样的作用：它截获太阳光中的黄色和橙色的部分，却几乎无阻拦地让蓝色的部分通过。当最后的少许光消失时，所有的颜色才消失在黑暗的夜色中。 臭氧不仅导致黄昏的蓝色天空，还吞下一种你无法看见的特殊的光线：紫外线的光，或称紫外线。你一定曾经听说过，紫外线对所有的生物（当然也包括对你）有多么危险。如果它在你的裸露的皮肤上照射得太长久，你就会得晒斑。臭氧层到处都有足够的厚度能截获尽可能多的紫外线：这对于我们这个星球上的全体生命来说，是极其重要的。 可惜，在今天，这个生命攸关的保护层在许多地方都已经变薄了，在南极上空甚至已经形成了一个大的空洞。而破坏臭氧的凶手就是“氟里昂”—一种人们用来喷洒护发摩丝或用在冰箱和空调上制冷的物质。这是一种对臭氧层特别有害的物质，所以许多国家已经不再使用这种“臭氧杀手”了。 今天我们学到了为什么我们眼中的天空是蓝色的。其实从地球以外望过来也是一样：覆盖我们地球三分之二面积的海水也散发着蓝光，陆地上虽然有土地的褐色或森林的绿色，然而上空却总是蓝色的—从宇宙中看来，整个地球都被裹着一块轻柔的蓝色面纱。从大气层外看见过地球的天文学家报道过这一情况。 所以地球被称做“蓝色星球”是完全正确的。它那独特的蓝色，就是生命的颜色。 |
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