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【集萃网观察】二、光和颜色
光谱(任何光源发射出的光线,都是由各种色光组成的,各种色光的总合就叫“光谱”)的范围是很宽的,但是可见光只是整个光谱范围中极窄的一部分。这里主要讨论涉及可见光方面的一些情况。
(一)什么是(可见)光?
光是从发光体(光源)中发射出来的一种电磁波。可见光是电磁波中能被人眼所感受的部分。简单地说,光是能够引起视觉的物质。光在传播中,有反射、折射、衍射和干涉等现象。
光源一般分自然光源及人造光源两大类。
在自然界,有的东西本身会发光(如太阳),有的东西本身不会发光(如月亮)。太阳是自然光源中最大的光源。但太阳这个光源对地球来说也不是恒定不变的,它会随距离(如经纬度,季节等)及气候(晴、阴和云层厚薄等)而有变化。
人造光源可随激发的形式而分成两类,即冷光及热光。利用热能激发的光源叫热光源(如白炽灯、弧光灯等)。利用化学能、光能或电能激发的光源叫冷光源(如荧光灯)等。
不同的光源,由于它们的发光强(亮)度和光谱??能量的分布等都不同,故照射到同一个物体上时,物体反射(显示)的颜色也是不同的。
在对颜色的研究工作中,光源的稳定与统一是非常重要的,如果没有这种条件,就会使颜色的研究工作无法进行。一般在凭肉眼比色的工作中,大多采用荧光灯或利用北半天的光(所谓北半天的光,就是指在没有太阳光直射的屋子内的光线,即直接阳光被北面天空大气层散射后的光线,不含直射的太阳光,其中三原色光的百分比率比较均匀,故光色白洁,其色温度约为6500。K。对居住在北半球上的人们来说,凭肉眼比色时,大多采(利)用此种光线作为自然光源。CIE规定的光源C与此光源接近)。
工业上的颜色研究工作,普遍采用CIE于1931年所规定的A、B、C三种标准光源。这三种光源的技术数据见下表。
名称 光源的产生 色温 色性坐标X 色性坐标Y 备注
A光源 充气钨丝白炽灯 2854。K 0.4476 0.4075 色光带黄, 相当一般白炽灯
B光源 将A加罩B型B-G型滤色镜 4847。K 0.3485 0.3518 色光中性,相当中午太阳
C光源 将A加罩C型C-G型滤色镜 6774。K 0.3101 0.3163 色光偏蓝,相当平均日光
表中色温采用1948年国际温标。
工业上的测色仪大多采用C光源,但C光源中缺乏日光中的紫外光部分,故不能用来对荧光物质进行测色工作。
以电磁波形式辐射的可见光,其波长范围约为400?700nm(即4,000?7,000埃)。根据爱因斯坦光子学说,光是既有波动性又有粒子性的光子流,每一光子的能量是:
S=hc/λ
式中:s=光子的能量;
h=普朗克常数;
c=光速;
λ=波长。
光除了具有波动性外,还有粒子性,即所谓量子特性。无论可见光或不可见光,都好像是一种所谓“光子”的极微小的发光微粒的流动。如果从光的波动观点看,光有波的传播方向;如果从光的量子观点看,则光有着发光微粒??光子的运动方向。
根据量子理论,光线的不同色彩是由于光子具有不同的能量而引起的。每一个光子所负荷的最小能量,就叫做“能量子”(光量子理论的名称由此而来),它随振动时的光的波长而不同。光量子的能是和波长成反比的,也就是说光的波长愈长,则从量子理论来看,这种光的光子所具有的能量就愈少。例如波长为2000埃的紫外线,它是由一种光子流所组成的,这种光子流中每一个光子所负荷的能量,比波长为10,000埃的红外线的光子所具有的能量大五倍。
光波的波长(波峰与波峰之间的距离谓之波长)通常是用万分之一,千万分之一,甚至是用亿分之一厘米去量度的。万分之一厘米叫做微米(μ),国际制单位记为μm,千万分之一厘米叫做毫微米(mμ),国际制单位记为nm,最小的单位亿分之一厘米叫做埃(A°)。如果用埃来表示可见光线光谱中光波的波长,则最长的光波(红色光线)的波长约是7,000埃,最短的光波(紫色光线)的波长约是4000埃。
有关光波波长量度单位的换算关系,可见下述:
1微米=10-6m=10-4cm=10-3mm
1毫微米=10-9m=10-7cm=10-6mm=10-3μm
1埃=10-10m=10-8cm=10-7mm=1/10nm,10A°=lnm
(二)什么是颜色?
根据美国光学协会(OpticalSocietyofAmerica?OSA)的定义,颜色是除了空间和暂时不均匀性以外的光的特性。
颜色属于心理物理学的范畴,是一种物理现象刺激的生理及心理感觉。颜色是在光照射下可以感觉到的东西。没有光,颜色也就不存在了,所以,颜色是光对视觉的物理感觉作用,是光的一种特征。它是由各种不同波长的光形成的。
颜色,也可以说是客观存在的物体(发光体或非发光体)的一种光学特性,它以一定波长或某种复合波长的光射人人眼,刺激了人眼的视网膜而引起人的感觉。由于波长不同,光能量也不同,所以对人眼视网膜产生的刺激也就不同,从而就形成了不同的颜色感觉。又由于同一波长的光,其光量不同,能量也不同,产生刺激的程度也不同,从而就形成了同一种颜色就有深,浅(浓,淡)之分。
至此,光和颜色的关系,就有了一个基本概念。它们之间的关系,还可从太阳光通过三棱镜后分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色光带来说明(雨后天空出现彩虹也是这个道理)。
为什么白光通过三棱镜后会分解成这样的光谱呢?这是因为光在玻璃中传播,比在空气中要慢一些。各种颜色的光的波长是不同的,波长不同的光在三棱镜中的折射率也是不同的,折射率不同,偏转也就不同(如长波长的红光偏转得少,短波长的紫光偏转得多)。所以,如果通过三棱镜的光线只有一种波长,那末,它就呈现一种颜色,如果通过三棱镜的光线中含有各种波长,那末,它就会被分解成各种颜色。
各种波长不同的可见光,用眼睛来区别时就是各种不同的颜色。眼睛不能直接辨别出白色光线中的七种颜色,通过三棱镜把它们分解开来后,才使人们辨别清楚。
在透明的介质中,各种色光折射率不同的现象称为色散。一般讲,波长愈长,折射率就愈小。
利用色散现象,可以把一个光源的光分解成为光谱,从光谱就可以测定波长。所以色散观象不仅说明光有波动性,而且可以用它来测定光波的波长。
各种色光的近似波长见下
颜色 波长(毫微米) 范围(毫微米)
红 700 640-760
橙 620 600-640
黄 580 550-600
绿 510