肥皂泡，光盘上的彩色和彩虹是一回事吗？| 亲子科学系列-资讯-知识分子

肥皂泡，光盘上的彩色和彩虹是一回事吗？| 亲子科学系列

2019/11/20

导读

不是只有彩虹才绚烂

自然界中，存在许多种白光的分光现象，彩虹只是其中的一种。由光栅，薄膜，以及光弹性现象也可产生彩色光谱，但其机理与彩虹或棱镜的机理完全不同。

这篇文章集中总结了一些容易混淆的白光分解现象及其原理，如果您家娃以后问到，可以翻出来和娃一块读。

（图源：pixabay.com）

撰文 | 吴进远

编辑 | 邸利会

“肥皂泡，光盘上的彩色和彩虹是一回事吗？”

“彩虹和棱镜是一回事吗？”

自然界中，存在许多种白光的分光现象，彩虹只是其中的一种。这些分光现象的机理很不相同，如果从课本上找，它们分散在从初中到本科生物理之中。可是，一个孩子看见这些分光现象的次序，却不是由易到难的，不定什么时候问你哪一个。

如果家长只回答一句“太阳光是红橙黄绿青蓝紫七种颜色构成的”，然后就没了词儿，这样太敷衍了。如果随意说：“就像三棱镜一样”也不妥，因为对于很多分光现象而言，它们的原理与三棱镜是完全不同的，这样说是一种误导。

孩子们问起问题，源于其珍贵的好奇心与求知欲，极其需要悉心保护，家长们遇到问题最好先认真地查找一下再回答。我这里，就把一些容易混淆的白光分解现象及其原理集中写出来，您家娃以后问到，可以翻出来和娃一块读。

棱镜

谈到棱镜，大家都知道那位非常牛的牛顿，曾经用棱镜，将太阳的白光分解成了彩色的光带。我们现在，在学校和科技馆经常会看到类似的实验。当然，棱镜在普通的商店并不容易买到，不过我们可以寻找替代的器材，像这种棱边的镜子就可以用来做这个实验。

太阳光照到这样一个镜子上，反射出许多光斑，形成奇妙的花样。

这种奇妙的花样，对所有年龄段的学生都有强烈的吸引力。低幼年龄的学生甚至可以一边晒脚丫（以促进维生素D合成，改善钙质吸收），一边观察这个光学现象。这些光斑中有一些是白色的，但也有一些是彩色的。

这样的彩色分光机制源于透明介质的色散。所谓色散，是指不同颜色的光在介质中的传播速度不同。

我们可以设想在学校里，学生们排着队，练习齐步走。如果这样的队列，从水泥地面，斜着走向旁边的草地，情况会怎么样呢？

水泥地面平整坚硬而草地则很松软，于是一个横排中，先走进草地的同学行进速度瞬间变慢。这样一来，横排的方向由此改变，整个队伍的行进方向也随之偏折，这对应于光学中的折射现象。假如有红队和蓝队两组学生，在草地中蓝队行进速度比红队慢，这样蓝队偏折的程度就会比较厉害。如果开始时两队在水泥地面的行进方向相同，那么到草地上的行进方向就会不同，这对应于光学中的色散现象。

明白了介质的色散，就很容易理解棱镜分解白光的原理了。

白光照射到棱镜的表面，不同颜色的光传播的方向因为介质的色散而变得不同。在棱镜的另一个表面，光线又经过一次折射。随着光线传播的距离不断增加，不同颜色的光沿着不同的方向传播，最终互相分离。

对于棱边的镜子，背后镀了一层银，其作用相当于把一个对称的棱镜折叠了一下。最终的效果还是把不同颜色的光分开，呈现出我们看到的彩色光斑。

我们看到能够分解白光的棱镜，都是前后两个表面不平行的。实际上，前后两个表面平行的透明体，比如平板玻璃，也应该算是一种特殊的棱镜。可是，当太阳光斜着射入房间时，我们却看不到白光的分解，难道平板玻璃没有色散？

实际上，不管玻璃做成什么形状，色散始终存在。太阳光在射入玻璃前表面时，不同颜色的光同样会折射到不同的方向，这和在棱镜中没有任何不同。可是，当光线传播到平板玻璃的后表面时，光线又经历了一次折射。这第二次折射与前一次折射角度大小相同而方向相反。于是，所有不同颜色的光又恢复到完全相同的方向，不管而后传播多远，仍然是混在一起的白光。

所以，棱镜上存在两个不平行的平面，使得色散效应不会在两次折射中完全抵消，这样才能将白光分解。

霓与虹

彩虹也是由于介质的色散造成的白光分解现象，有一些科普读物会说彩虹形成的原因“像三棱镜一样”。实际上，彩虹颜色产生的机理，与棱镜在很多方面是不同的。

彩虹是悬浮在空气中的水珠，在太阳的照耀下形成的。彩虹经常是由内外两个同心圆弧形的彩带构成的，内圈的叫做虹，外圈的叫做霓。

大家如果仔细看，不难发现霓与虹的色彩关系是正好相反的。虹的红色在外圈，紫色在內圈，而霓则反之。此外，霓比虹通常要更暗，这是由于霓比虹在水珠中要多经过一次反射。

太阳光照射到水珠上某一点，入射光线与球面法线的夹角i 称为入射角。光进入水珠时，发生折射，折射角为r。光线射到水珠的后壁，一部分透出水珠，而另一部分反射回水珠。反射回来的光再次到达水与空气的界面，又有一部分透出来，一部分反射回去。这透出来的光，就是我们看到的虹。

水珠中的光线第三次来到水与空气的界面，又有一部分透出来。这部分透出的光，构成我们看到的霓。光线每经过一次反射，能量都会分出去一部分。因此，霓的亮度比虹要弱。

光线在进出空气与水的界面时，经历两次折射。由于水的色散，不同颜色的光就会折射到不同的角度。不过，光线照射到水珠的不同的位置，对应的入射角 i 是不同的，因而对于虹而言，其出射角A，（或者霓的出射角B）也相应不同，情况比棱镜要复杂得多。

比如折射率比较低的红光，通过水珠后出射的光线如下图所示。

而折射率比较高的紫色光，其出射光线如下图所示。

我们可以看出，不论是哪种颜色的光，光线的出射角A都会散布在一个很宽的角度范围中，这与棱镜是不同的。当然，紫色光的出射角总体来看要比红光的出射角偏小些，从下图我们可以看得更清楚些。

太阳光照在水珠的不同位置，其入射角从0 到90 度都有可能。因而光线离开水珠的出射角A 也有多种可能值。不过，出射角存在一个最大值，这个最大值在 41度左右。不同颜色的光，其出射角的最大值也不相同。我们可以想象，对于某一种颜色的光，有很多条光线堆积在最大出射角附近，因而在不同的观察角上，我们就可以看到水珠呈现出某一种特定的颜色。

上面这张照片，是在入射阳光比较强的情况下拍摄的，我们可以看出，虹的最外圈是红色的。同时，由于各种颜色的光都可能存在出射角A小于41度的情况，因而在虹的内部，我们可以看到很强的白色光。

对于霓而言，某一颜色光的出射角B存在一个极小值，而各种颜色的光都可能存在出射角比较大的情况。我们可以看出，在霓之外，也存在多种颜色混合而成的白光。

有趣的是，在虹和霓之间的区域，观察角大于虹的出射角极大值，而又小于霓的出射角的极小值。太阳光照射到那里的水珠上，却不会反射回给观察者，因而这个区域是一个暗带。我们通过与其他区域比较不难看出这一点。

人们经常会问，为什么彩虹是圆弧形的，作者以前在《知识分子》公众号写过一篇文章，大家可以刨出来看，由于篇幅原因，这里就不再重复。

光栅

光栅是一种有着周期性透光或反射结构的光学元件。这种周期性结构很像平时见到的栅栏，只不过光栅的结构非常细小。高级的光栅往往是用精密机床在玻璃等材料上刻制，但科学用品商店有时可以买到用胶片制作的光栅。

白色光透过光栅会被分解开来，这是由于光在被光栅周期性结构遮挡后，发生衍射与干涉所致。衍射与干涉现象与光的波长有关，不同波长或者颜色的光透过光栅后，在不同的角度互相叠加而加强，而在其他角度互相抵消，这就使得白光被分解。

将光栅粘贴在手机照相机的前面，在一间暗黑的房间中，点亮一盏卷管式的气体放电节能灯。手机的镜头不要直接对着灯，而应偏开一定角度，对着比较暗的背景，这时我们可以拍摄到很多个彩色的节能灯。

各种气体在节能灯的灯管当中放电，这种情况下往往会激发出若干很强很窄的谱线。从某种意义上说，我们看到的节能灯，实际上可以看成是有很多个不同颜色的节能灯叠合而成的。经过光栅，这些不同颜色的光，向着若干不同的角度传播出去。这样一来，我们就可以拍摄到上图中的这种现象。

在我们的印象当中，光栅是细小精密珍贵的。然而在事实上，一些比较粗大的周期性结构，也同样可以产生干涉和衍射现象。比如我们可以利用普通的窗纱，观察到相应白光分解现象。

用有长焦镜头的照相机，拍摄夜间到远景。当房间的窗户完全打开时，拍到的景象如下图所示。

同样的景色，如果隔着纱窗拍摄，就会得到下面的照片。我们看到远处的灯光朝四个方向展开。这些光芒是一段一段的，每一段都呈现彩色。窗纱是方格状的，是一种二维光栅，因此其衍射干涉的图样是向四个方向延伸的。

我们知道，一种波长的光透过光栅时，有时会在不只一个方向上互相加强，形成很多级的极大。光栅的结构越细，则极大之间的夹角就越大，反之结构越粗，这些极大之间的夹角就越小。

窗纱每根丝之间的间距比较大，因此极大之间的夹角相对比较小，因此我们可以在一个不大的角度范围内看到很多个极大。不过，由于极大之间的夹角比较小，因而用肉眼观察时往往不易发现光芒中存在的彩色。这就是为什么我们的照相机要用长焦镜头，长焦镜头起到放大视角的作用。实际上，我们用望远镜来观察远处的夜景，也可以看到同样的现象，望远镜也是一种放大视角的装置。

早几年，我们用光盘来存储音乐，电影或其他数据。光盘上有着很细密的圆形刻纹，因此是一种很好的环形光栅。利用光盘，可以做很多有趣的光谱分析实验。

大家可以带着孩子做个简单的实验。将一个光盘平放在桌面或地面上，旁边放一叠书。把手机照相机开到拍摄视频的模式，并且打开照明用的发光二极管。

将手机平放在书堆上，以保持稳定，且镜头垂直向下，对着光盘的中心。细心地调整手机与光盘的相对位置，就可以看到光盘上显示出了发光二极管的光谱。

我们可以看到，发光二极管的光谱不是均匀连续的，其中存在比较强的蓝色，而从红到绿则是相对较暗的宽带。

很多白光发光二极管实质上发蓝光的，只不过在器件中添加了某些荧光材料。这种荧光材料吸收波长比较短的蓝光，转换成波长比较长的红绿光。这样，一些不同波长的光混在一起，刺激人眼的感光细胞，我们就感觉这种光是白色的。

显然，白光发光二极管的光谱与自然白光的光谱是不同的。自然白光如太阳光，火光等源于黑体辐射，其光谱中不同波长的成分相对强度比较一致，没有某种颜色比其他颜色强很多的情况。因此，对于白色发光二极管对人眼健康是否有影响这个问题，还是应该慎重对待的。我们普通人可以做到的，是尽量避免过度使用手机或其他电子产品的显示屏，尽可能多多接触室外的自然光。

光盘中有CD与DVD两种，DVD的刻纹比CD更细，因此对不同波长的展开角度更大。不过，使用CD来做实验比较容易拍摄到完整的可见光谱，而用DVD则不太容易拍全。

如果在光盘的轴线上远处有比较小的其他光源，比如小灯泡，或者卷管式的气体放电节能灯，我们也可以拍摄到这些光源的光谱。这时手机上的发光二极管不需要打开，手机照相机只需要设置成普通的照相模式即可。

薄膜

吹肥皂泡是孩子们喜欢的一种游戏，肥皂泡经常呈现出绚丽缤纷的色彩。肥皂泡上的色彩，是一种光的干涉现象。

很多情况下，我们都能在薄膜上看到白光的分解现象。比如下雨天滴在马路上的汽油，摊成薄膜，常常会呈现出美丽奇妙的图样。

一个薄膜有上下两个表面，光照上去，两个表面都会把光反射回来。从这两个表面反射回来的光互相叠加而出现干涉现象。对于某一波长的光，在一定厚度的薄膜上下两个表面反射，这两个反射光可能加强，也可能互相抵消。反射的角度也会影响到这种加强或抵消。

我们在观察薄膜上的某一个位置时，如果一种波长的光互相加强，则另一种波长的光就可能抵消。比如在某个位置红色加强，则紫色可能会抵消。反之在另一位置，紫色可能加强而红色可能抵消。这样，薄膜就可能呈现彩色的干涉图样。

此外，我们还能注意到，能够看到白光分解现象的薄膜通常比较薄。如果薄膜太厚，当前后两个表面反射的光波相遇时，这两个光波很可能来自两个互不相干的原子，这样一来，两个波到底是加强还是抵消就完全变成了随机的，而不仅仅取决于光的波长，这样的薄膜表面的反光通常是白色的。

当我们把肥皂膜竖立起来后，在重力作用下，肥皂膜变成楔形，上面薄而下面厚。由于薄膜上的色彩与薄膜的厚度有关，所以，竖立起来的肥皂膜显示出横向的彩色条纹。

光弹性

光弹性现象来源于一些透明材料，比如硬塑料或者有机玻璃，在内部应力影响下产生的双折射现象。双折射是指光线透过材料时表现出两种不同的折射率。比如一个偏振光可以分解为两个不同的偏振分量，而这两个偏振分量的折射率，或者说传播速度，在水或者空气等介质中，通常是一样的。但在双折射介质中，这两个偏振分量的速度可能是不同的。

当光穿过一定厚度的双折射介质后，两个跑得不一样快的偏振分量重新结合，其总效果，是偏振光的偏振方向改变了。对于不同波长的光，其偏振方向的改变量也有所不同。当这些光通过过一个偏振片时，不同颜色的光的相对强度也因偏振方向的不同而改变。这样我们就能看到塑料构件上的彩色了。