光让世界变彩色
作者: 李名扬 / 8733次阅读 时间: 2013年6月20日
来源: 《科学人》杂志 标签: 电磁波 颜色
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光让世界变彩色

文:李名扬

苹果绿、象牙白、酒红、水蓝……世界上的颜色千百种,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?

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)。

发光物发出的三原色是红、绿、蓝,红光和绿光合起来为黄色光,绿光和蓝光合起来为青色光,蓝光和红光合起来为洋红色光,三色光合起来就成为白色光。

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

除了被动反射光线外,物质受热后也会主动发光。当气体原子或分子之间彼此作用力很小的时候(即并非处于密度很大的状态),个别原子或分子受热后,电子会向上跃迁到较高能阶,然后向下跃迁并放出光子。由于每一种原子或分子的电子能阶是固定的,所以电子跃迁只有固定的几条路径,放出的光子只有固定那几种,呈现出的颜色也就是固定那几种;人眼只会看见这些颜色混合而成的单一颜色,但光谱仪可以将这些颜色分辨出来。由于每种气体都有自己独特的光谱,所以光谱可以当成是气体的「身分证」。

但若物质原子或分子间的束缚力很强(例如固体、液体或一团密度很高的气体),则受热发光的原理就不是电子跃迁,而是因原子或分子的原子核和电子受热产生振动,原子核和电子分别带正电和负电,带电物质振动会产生电磁波,若这电磁波波长正好落在可见光的波长范围,就发光了。

任何温度在绝对温度0度(0K)以上的物体都会因原子核和电子的振动而放出电磁波,电磁波波长只与物体表面的温度有关,而与物体的种类无关。人体在室温时放出的电磁波为红外光,所以我们的眼睛看不到人体发光,但靠近别人时,会感觉到体温(就是人体发出的红外光),而且用红外线夜视镜也可看到人影;温度升高时,电磁波波长越来越短,到1000K时,电磁波开始进入可见光范围,物体表面发出暗红色的光;白炽灯的色温约24002900K,呈明亮的黄色;到了10000K,电磁波已偏移到以紫外光为主,此时肉眼看到的光以蓝光为主,这就是天文学家用来辨识恒星表面温度的方法,越红的星光温度越低,越蓝的温度越高。

颜色的科技

人类早在几千年前就开始追逐颜色,最早是利用天然物的特有颜色来为布料染色,或是为脸部上妆;各种颜色的烟火出现于宋朝,原理是不同金属原子在受高热气化后,会发出「气体身分证」的独特颜色;到了元朝,彩色印刷术问世。

现代彩色印刷或电脑列印用的油墨是四色,除了「减的三原色」青、洋红、黄之外,还加了黑色,这是因为目前的技 术无法制造出完全标准的青、洋红、黄三色,所以不但不能印出所有颜色,也没办法印出纯黑色,才另加黑色油墨。

印刷时是将四种颜色的油墨,以「网点」(细微小点)的形式分四次印到纸张上,由于网点非常小,肉眼无法分辨(肉眼大约只能分辨一公分长度内的40条线),四种颜色的网点依一定密度、规律排列,混合后看起来就好像某一种颜色(见右图)。

将「EasyLearn」的「n」的尾巴放大后,可以看出浅橘色的色块是由黄色和洋红色的网点及白色的底色共同构成,黄色和洋红色网点重叠起来的部份就形成红色;的颜色则是黄色、洋红色和黑色网点构成,白色底色的部份因被洋红色和黄色全部涂满而看不见了。

现代科技的彩色萤幕显像技术也很类似,每个微细点(像素)都会发出红、绿、蓝三色光(加的三原色),三种色光强度不同,人眼看起来就混合成某种单一颜色;当一个像素完全不发光时,就呈现黑色。

印刷或彩色萤幕显像时,必须巧妙运用色彩的三个属性:色相(hue)、明度(brightness)、彩度(saturation),才能让观看者最有感觉。色相就是「色彩的相貌」,也就是区别不同色彩的名称,如红、橙、黄、绿、象牙白、祖母绿、柠檬黄等都是不同的色相。

不同色相会给人不同感觉,蓝绿色为「冷色」,给人冷静、后退、重量轻、收缩、消极、密度低的感觉,黄橙色为「暖色」,给人温馨、冲动、前进、重量重、膨胀、积极、密度高的感觉。

明度就是「色彩的明暗程度」,在无色彩中以白色明度最高,黑色明度最低,任何颜色若加入白色调合就会提高明度,反之若加入黑色调合则会降低明度。在不同色相中,以黄色明度最高,紫色最低。高明度的色彩会使人感觉快活、轻柔,低明度则感觉朴素、沉默。

为何天空是蓝的、晚霞是红的?

太阳光是以接近平行光的形式照向地球,就好像夜晚时,有人从远处拿一盏大探照灯照向你,你看探照灯虽然很刺眼,但探照灯以外的地方却仍是漆黑一片;那为何白天时,我们朝着太阳以外的方向看,看到的不是黑暗的宇宙,而是蓝天一片?

原因是大气中的气体分子和悬浮微粒把光线弹开而向四面八方射出去,称为「散射」。 光散射的特征是波长越短的光散射越强,所以当包含了各种色光的白色太阳光穿过大气层时,短波长的蓝光较容易被散射出去,因此天空看起来是蓝的。

清晨或傍晚的太阳看起来偏红色也是相同原因,此时太阳光在照到我们的眼睛之前,在大气层中走过较长路径,大部份蓝光都被散射掉了,剩下较多的是红光,因此太阳看起来偏红色,靠近太阳的天空也因散射剩下来的红光而出现晚霞。

彩度是指色彩的鲜艳度、纯粹度或饱和度,任何色彩的纯色都是彩度最高的颜色,若加入白色,虽然明度提高,但因该色彩被白色稀释,彩度也就下降。

科技不断进步,各种萤幕显示、电脑列印技术越来越进步,但和天然美景比起来,总没有办法做到完全一样,因为从380780奈米,每一种不同波长的光,都代表一种不同的颜色,而人类的科技还没办法用有限种类的人工色光或颜料组合出全部的颜色,这也是资讯、家电大厂不断努力研究的目标。

李名扬《科学人》杂志采访部主任

延伸阅读

《生活与化学2》,余岳川著,众光文化,2002

《从绿叶到激光光盘:颜色与化学》,袁渭康、田禾、陈孔常着,牛顿图书,2001

《光的颜色:牛顿的故事》,胡伯(MEREDITHHOOPER)着,三民编辑部译,三民,1999高三课本

《物理》上册、下册

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