光让世界变彩色
文:李名扬
颜色千百种,人的眼睛如何能分辨这么多种不同的颜色?电视画面生动鲜艳,彩色图书丰富华丽,人类又是如何制造出这么多种不同的颜色?
苹果绿、象牙白、酒红、水蓝……世界上的颜色的源起是光,但又不绝对由光决定颜色,因为光必须经由人的眼睛接收后,经过大脑的认知处理,才会成为所谓的「颜色」。
光是电磁波的一种,人的眼睛只能看到波长介于约380~780奈米之间的电磁波,所以这段波长范围的电磁波称为「可见光」。例如太阳光就包含了所有频谱的可见光,当太阳光经过空气中水滴的反射和折射,因为不同波长的光折射率不同,所以白光中的各种色光就分开来,形成彩虹的「红橙黄绿蓝靛紫」,也就是波长由长到短的可见光(红光波长最长,紫光波长最短)。
可见光有两种来源,一种是发光物直接发出的光,例如太阳光、灯光、火焰,另一种则是不会发光的物体所反射的光线,我们的眼睛接收到的可见光,大多数都是由物体反射而来。
人的眼睛能看到可见光,是因为眼睛的感光细胞中,有能接受可见光频段电磁波的三种锥细胞,分别负责感受红、绿、蓝三种颜色,但不是只能接受红、绿、蓝三色光,而是这三种锥细胞接收可见光的范围,分别以红、绿、蓝为主(见右下图)。眼睛接收光波后,会把讯号传给大脑,以产生视觉。
被眼睛骗了
当眼睛接收到不同波长(即不同颜色)的可见光时,神经系统会把锥细胞接收到的讯号组合起来,成为我们大脑认知的颜色;例如当我们的眼睛看到合在一起的红光和绿光时,我们会以为看到了黄光,其实是被自己的眼睛骗了,我们不论看到「真正的黄光」或是「红光和绿光混合」,都会以为自己看到黄光。
人的眼睛中有三种锥细胞,所含色素不同,最敏感的波长分别约为424奈米、530奈米及560奈米;锥细胞接收到可见光后,经大脑处理,就得出颜色。
以人工制造色光时,就是利用大脑这种「会自动组合色光」的特性,只要将三种色光依适当比例组合,就会让我们以为看到了各种色彩。这三种色光就是常听到的「光的三原色:红(red,R)、绿(green,G)、蓝(blue,B)」,和我们的三种锥细胞主要能辨别的色彩一样,三种色光合起来就是白光(white,W)。
若两种光混在一起后呈现白色,我们称这两种光「互补」,例如红光和青光(cyan,C)混合后成为白色,就代表红光和青光互补;由于红、绿、蓝三色光合起来也会成为白色,因此很显然地,青光就是红光以外另两种原色光绿光和蓝光的混合。同样地,绿光的互补色洋红色光(magenta,M)是红光和蓝光的混合,而蓝光的互补色黄光(yellow,Y)则是红光和绿光的混合(见右下图左)。
不会发光的物体所形成的颜色,正好和发光物形成颜色的原理相反,它不会自己发出某种颜色的光,而是吸收了某些颜色的光后,将其他的光反射出来。若以白光照射一个物体,它只把绿光反射出来,而吸收了其他颜色的光,那看起来就是绿色的;但若用红光照射这个物体,因为红光会被吸收,没有光反射出来,看起来就变成黑色。
光的三原色称为「加的三原色」,因为看到的颜色是由不同色光相加所得到的结果;而不发光物体(例如颜料)的三原色是青、洋红、黄,称为「减的三原色」,也就是加的三原色红、绿、蓝的互补色。
为什么称做「减的三原色」?若用以红、绿、蓝三色光合成的白光照射青色颜料,青色颜料会把白光中的红光(青的互补色)吸收,而把绿色和蓝色反射出来,合起来眼睛就看到青色;若把青色和洋红色颜料混合,青色颜料会吸收红色,洋红色颜料会吸收绿色(洋红色的互补色),结果只把剩下来的蓝色反射出来,所以青色和洋红色颜料混合后会呈现蓝色,是因为白色中的红色和绿色被「减」掉的缘故。
若把青、洋红、黄三色的颜料合起来,由于红、绿、蓝光都被吸收了,没有光线能反射出来,所以看起来就呈现黑色(见下图右)。
不发光物质(例如颜料)的三原色是青、洋红、黄,青色和洋红色合起来为蓝色,洋红色和黄色合起来为红色,黄色和青色合起来为绿色,三种颜色合起来就成为黑色。
电子跃迁产生颜色
为什么不同的物体会反射不同颜色的光?中山大学化学系退休教授余岳川指出,关键在于物体的原子或分子结构。分子由原子组成,原子分为原子核和绕核电子,每个电子在原子中有一定的轨域和能量,称 为「基态」;当电子吸收一特定能量后,会从原本的能阶跳到一个能量较高的能阶,也就是从原本的轨域跳到具有较高能量的轨域,称为「跃迁」,此时的电子处于「激发态」。
不同颜色的可见光是具有不同波长的电磁波,其光子具有不同能量,光子能量与波长成反比:波长越长的光,单一光子具有的能量越低。
一般物质原子或分子的电子能阶为固定值,此例中物质的电子只会吸收绿、蓝、紫光,跃迁到较高能阶,而反射出红、橙、黄光,反射光合起来就成为这种物质的颜色。
构成特定物质的原子或分子,其电子只能吸收某几种特定能量的光子(能量必须正好等于高、低能阶的能量差),也就是说,物质只会吸收特定几种波长的光(见上图),不被吸收的光子就会穿透或反射,成为我们看到的物质颜色。
当这种物质吸收了具有特定能量的光子(特定波长的光)后,电子会跃迁到较高能阶,但所有物质都有一共同的特性,就是趋向最低能量的状态,因此这多出来的能量会以不同形式例如发热或是使化学键断裂,将能量消耗掉,电子则回到较低能阶。
若电子吸收光子跃迁到较高能阶后,并未向下跃迁回到原来能阶,而是跳到不同能阶,就会放出和原来不一样的光子。此例中物质的电子会吸收紫光而向上跃迁,然后向下跃迁并发出绿色萤光。
但有些物质的电子不会回到原来能阶,若电子是以放出光子的形式来将能量消耗掉,当它跳到另一不同的较低能阶时(见右图),其所放出的光子,会和所吸收的光子具有不同能量,这种物质就会发出和原来不同的色光,就是萤光。
萤光最常见的例子是日光灯。日光灯管中有水银蒸气,两端放电,高 速电子撞击水银蒸气,使水银原子的电子跃迁到较高能阶,当这些电子跳回原来能阶时,会发出紫外光;紫外光再照射到涂在灯管内壁的萤光物质,萤光物质的电子吸收紫外光光子跃迁到较高能阶又跳回较低能阶时,会放出可见光光子。由于日光灯管内壁所涂的萤光物质是由多种会放出不同波长可见光的萤光物质混合而成,因此放出来的光合起来会变成白光。
会在黑暗中持续发亮的燐光(即俗称冷光),其实也属于萤光的一种,只是这些物质在吸收光能使电子跃迁到较高能阶后,全部电子并不会同时往下跳到较低能阶并放出光子,而会暂时留在激发态,然后陆续跳到较低能阶,持续一段时间,所以这种萤光会比较暗,但可维持发亮一阵子。
室温下的金属不会发光,但以白光照射时,多会呈现银白色的光泽,这种反射也涉及电子跃迁。余岳川表示,金属不像非金属只会吸收某一特定波段的光,而将其他光反射出来,因为金属的电子并非固定在某一固定能阶,而是存在于涵盖一段能量范围的「价带」;当电子吸收光子而向上跃迁时,并非从原本所在的能阶跃迁到另一能阶,而是从价带跃迁到一能量范围很宽的「传导带」。
由于价带与传导带都有一段宽度,因此电子并非只能吸收特定波长的光才会向上跃迁,而会吸收各种波长的光;但因金属是电的良导体,价带与传导带的能隙几乎等于0,电子可在价带与传导带间自由流动,因此传导带的电子又会马上向下跃迁,回到价带,并放出光子(见下图)。由于放出的光包含各种波长的光,因此会显出银白色光泽。
金属的价带和传导带都有一段宽度,之间几乎无能隙,因此电子可吸收各种波长的光,跃迁到传导带,再放出各种波长的光,回到价带。各种波长的光合起来就呈现出银白色光泽。
至于有些金属例如黄金、青铜的光泽并非银白色,是因为这些金属会吸收某些波长的光,而只反射其他波长的光,结果就会呈现出特定颜色了。
高热造成发光