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常見物理色彩知識
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色彩常用物理光學(xué)知識 一 、物體對光的透射、吸收和反射 在我們周圍，每一種物體都呈現(xiàn)一定的顏色。這些顏色是由于光作用于物體才產(chǎn)生的。如果沒有光，我們就無法看到任何物體的顏色。因此，有光的存在，才有物體顏色的體現(xiàn)。 從顏色角度來看，所有物體可以分成兩類：一類是能向周圍空間輻射光能量的自發(fā)光體，即光源。其顏色決定于它所發(fā)出光的光譜成份；另一類是不發(fā)光體，其本身不能輻射光能量，但能不同程度地吸收、反射或透射投射其上的光能量而呈現(xiàn)顏色。這里，我們主要討論不發(fā)光體顏色的形成問題。 無論哪一種物體，只要受到外來光波的照射，光就會和組成物體的物質(zhì)微粒發(fā)生作用。由于組成物質(zhì)的分子和分子間的結(jié)構(gòu)不同，使入射的光分成幾個部分：一部分被物體吸收，一部分被物體反射，再一部分穿透物體，繼續(xù)傳播（圖2-18）。圖中 為入射光通量； 為透射光通量； 為反射光通量； 為物體吸收的光通量。 （一）、透射 透射是入射光經(jīng)過折射穿過物體后的出射現(xiàn)象。被透射的物體為透明體或半透明體，如玻璃，濾色片等。若透明體是無色的，除少數(shù)光被反射外，大多數(shù)光均透過物體。為了表示透明體透過光的程度，通常用入射光通量 （見圖2-18）與透過后的光通量 之比τ來表征物體的透光性質(zhì)，τ稱為光透射率。 圖2-18 表示為 從色彩的觀點來說，每一個透明體都能夠用光譜透射率分布曲線來描述，此光譜透射率分布曲線為一相對值分布。所謂光譜透射率定義為從物體透射出的波長λ的光通量 與入射于物體上的波長λ的光通量 之比。表示為 通常在測量透射樣品的光譜透射率時，還應(yīng)以與樣品相同厚度的空氣層或參比液作為標(biāo)準(zhǔn)進行比較測量。 （二）、吸收 物體對光的吸收有兩種形式：如果物體對入射白光中所有波長的光都等量吸收，稱為非選擇性吸收。例如白光通過灰色濾色片時，一部分白光被等量吸收，使白光能量減弱而變暗。如果物體對入射光中某些色光比其它波長的色光吸收程度大，或者對某些色光根本不吸收，這種不等量地吸收入射光稱為選擇性吸收。例如白光通過黃色濾色片時，藍(lán)光被吸收，其余色光均可透過。 物體表面的物質(zhì)之所以能吸收一定波長的光，這是由物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定的�？梢姽獾念l率為 不同物體由于其分子和原子結(jié)構(gòu)不同，就具有不同的本征頻率，因此，當(dāng)入射光照射在物體上，某一光波的頻率與物體的本征頻率相匹配時，物體就吸收這一波長（頻率）光的輻射能，使電子的能級躍遷到高能級的軌道上，這就是光吸收。 在光的照射下，光粒子與物質(zhì)的微粒作用，這些物質(zhì)吸收某些波長的光粒子，而不吸收另外一些波長的光粒子，使得不同物質(zhì)具有不同的顏色。例如，油墨的顏色是顏料的分子結(jié)構(gòu)所決定的。分子結(jié)構(gòu)的某些基團吸收某種波長的光，而不吸收另外波長的光，從而使人覺得好像這一物質(zhì)"發(fā)出顏色"似的，因此把這些基團稱為"發(fā)色基團"。例如，無機顏料結(jié)構(gòu)中有發(fā)色團，如鉻酸鹽顏料是 （重鉻酸根），呈黃色；氧化鐵顏料的發(fā)色團是 呈紅色；鐵藍(lán)顏料的發(fā)色團是 呈藍(lán)色。這些不同的分子結(jié)構(gòu)對光波有選擇性的吸收，反射出不同波長的光。 表面覆蓋了涂料的物體 ，對于不透明的涂料來說，顏料顆粒反射回的光還受到顏料連結(jié)料性質(zhì)的影響；如果涂料是透明的，物體的顏色不僅取決于涂料的顏色，還很大程度上決定于涂料層下物體的顏色。 白光投射到非選擇性吸收物體上時，各種波長的光被吸收的程度一樣，所以，從物體上反射或透射出來的光譜成份不變，即這類物體對于各種波長的光的吸收是均等的，產(chǎn)生消色的效果。 光照射到非選擇性吸收的物體上，反射或透射出來的光與入射光的強度相比，有不同程度的減少。反射率不到10%的非選擇性吸收的物體的顏色稱為黑色。反射率在75%以上的非選擇性吸收的物體的顏色稱為白色。非選擇性吸收的物體對白光反射率的大小標(biāo)志著物體的黑白的程度。 （三）、反射 這里所說的反射是指選擇反射，非透明體受到光照射后，由于其表面分子結(jié)構(gòu)差異而形成選擇性吸收，從而將可見光譜中某一部分波長的輻射能吸收了，而將剩余的色光反射出來，這種物體稱為非透過體或反射體。 圖2-19（A）表示了入射光通量 與反射光通量 。不透明體反射光的程度，可用光反射率ρ來表示。光反射率可以定義為"被物體表面反射的光通量 與入射到物體表面的光通量 之比。"可表示為 從色彩的觀點來說，每一個反射物體對光的反射效應(yīng)，能夠以光譜反射率分布曲線來描述。光譜反射率 定義為"在波長λ的光照射下，樣品表面反射的光通量 與入射光通量 之比。表示為 對圖2-19（A）,若用光譜反射率來分析，則可以說在入射白光光譜中，藍(lán)色光和綠色光部分被吸收， 值接近于零；只有紅色光部分的輻射能被反射，具有較大的 值，故該物體表面呈紅色。圖2-19（B）是該物體表面的光譜反射率分布曲線，習(xí)慣上稱為分光反射曲線或簡稱分光曲線。分光反射曲線可以精確地描述物體的顏色，對色彩的定量描述有重要意義。 圖 2-19 物體對光的反射有三種形式，理想鏡面的全反射，粗糙表面的漫反射，及半光澤表面的吸收反射。 理想的鏡面能夠反射全部的入射光，但以鏡面反射角的方向定向反射（圖2-20a）。完全漫反射體朝各個方向反射光的亮度是相等的（圖2-20b）。 實際生活中絕大多數(shù)彩色物體表面，既不是理想鏡面，也不是完全漫反射體,而是居二者之中，稱為半光澤表面。這種性質(zhì)可以用變角光度計測量其表面反射率因數(shù)的分布狀況，從而得到圖2-21所示的分布曲線。圖中從測試樣中心到曲線的半徑距離，表示在該方向上反射率因數(shù)的大��；曲線a是一個半圓，表示完全漫反射體的反射率因數(shù)分布；曲線b是半光澤表面反射率因數(shù)分布，這表示在鏡面反射方向有較強的反射能力。 一些自然現(xiàn)象的解釋 人眼看到的海水的顏色，是海水對太陽反射光的顏色。白光射向海水時，由于海水對白光的選擇吸收和散射，使海水呈現(xiàn)藍(lán)色。光通過介質(zhì)時，光的部分能量被介質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)變成介質(zhì)的內(nèi)能，使得光的強度隨著光穿過的厚度而衰減的現(xiàn)象稱為光的吸收。若某種介質(zhì)在一定波長范圍內(nèi)，對光的吸收程度很小，并且隨波長變化不大，這種吸收稱為一般吸收；若某種介質(zhì)對某些波長的光的吸收特別強烈，且隨波長變化也很大，這種吸收稱為選擇吸收。太陽光射到海水上時，由于海水對紅、黃色光進行選擇吸收，而對藍(lán)、紫色光強烈散射、反射，因而海水看起來呈藍(lán)色。絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對可見光進行選擇吸收的結(jié)果。 海水的顏色主要是由海水的光學(xué)性質(zhì)，即海水對太陽光線的吸收、反射和散射造成的。我們知道：太陽光是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光復(fù)合而成，七色光波長長短不一，從紅光到紫光，波長由長漸短，其中波長長的紅光、橙光、黃光穿透能力強，最易被水分子所吸收。波長較短的藍(lán)光、紫光穿透能力弱，遇到純凈海水時，最易被散射和反射。又由于人們眼睛對紫光很不敏感，往往視而不見，而對藍(lán)光比較敏感。于是，我們所見到的海洋就呈現(xiàn)出一片蔚藍(lán)色或深藍(lán)色了。如果打一桶海水放在碗中，則海水和普通水一樣，是無色透明的。其實海水看上去也不全是藍(lán)色的，而是有紅、黃、白、黑等等，五彩繽紛。因為海水顏色除了受以上因素影響外，還會受到海水中的懸浮物質(zhì)、海水的深度、云層等其他因素的影響。如我國的黃海，看上去一片黃綠，這是因為古代黃河夾帶的大量泥沙將海水“染黃”了。雖然現(xiàn)在黃河改道流入渤海，但黃海北部有寬闊的渤海海峽與之相通，加之它還有淮河等河水注入，故海面仍呈淺黃色。 亞非兩洲之間的紅海，因其水溫很高，海里生長著一種水藻，大批死亡后呈紅褐色，將海水染成紅色。紅海由此而得名。 而黑海，由于多瑙河、頓河、第聶伯河等河水的注入，表層密度很小，深層受地中海高鹽度海水影響，密度很大。這樣，上層密度小，下層密度大，且差異很大，上下層水體難以交換。黑海與地中海之間也僅有 一又窄又淺的土耳其海峽相通，使得它們之間海水也難以大量交換。這樣，黑海下層海水長期處于缺氧環(huán)境，上層海水中生物分泌的穢物和各種動植物死亡后沉到深處腐爛發(fā)臭，大量污泥濁水，使海水變黑了。 北冰洋深入俄羅斯北部的白海，則是因為它的緯度較高，終年寒冷，冰雪茫茫，加之有機物含量少，海水呈現(xiàn)出一片白色，故名白海。 我們看到的天空，經(jīng)常是蔚藍(lán)色的，特別是一場大雨之后，天空更是幽藍(lán)得象一泓秋水，令人心曠神怡，躍躍欲飛。天空為什么是蔚藍(lán)色的呢？ 大氣本身是無色的。天空的藍(lán)色是大氣分子、冰晶、水滴等和陽光共同創(chuàng)作的圖景。 陽光進入大氣時，波長較長的色光，如紅光，透射力大，能透過大氣射向地面；而波長短的紫、藍(lán)、青色光，碰到大氣分子、冰晶、水滴等時，就很容易發(fā)生散射現(xiàn)象。被散射了的紫、藍(lán)、青色光布滿天空，就使天空呈現(xiàn)出一片蔚藍(lán)了。 天為什么是藍(lán)的，而不是綠的或紅的呢? 首先你得明白一個道理：我們周圍的事物之所以顯現(xiàn)出顏色來，僅僅是因為陽光照射著它們。雖然陽光看上去是白色的，但是所有的顏色：赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，在陽光里都存在。 天空里有這么多顏色，為什么我平時看到的只有藍(lán)色呢？你可能會問。 如果你把光線設(shè)想為波浪，你就會猜破這個謎了。光其實是像一個波浪那樣在運動的。我們來設(shè)想一下一滴雨落在一個水洼里的情景。當(dāng)這滴雨落到水面上時，就會產(chǎn)生小波浪，波浪一起一伏地變成更大的圈，向著四面八方擴展開去。如果這些波浪碰上一塊小石子或一個別的什么障礙物，它們就會反彈回來，改變了波浪的方向。 而陽光從天空照射下來，一樣會連續(xù)不斷地碰到某些障礙。因為光所必須穿透的空氣并不是空的，它由很多很多微小的微粒組成。其中百分之九十九不是氮氣便是氧氣，其余則是別的氣體微粒和微小的漂浮微粒，來源于汽車的廢氣、工廠的煙霧、森林火災(zāi)或者火山爆發(fā)出來的巖灰。雖然氧氣和氮氣微粒只是一滴雨水的一百萬分之一，但是它們也照樣能阻擋陽光的去路。光線從這些眾多的小“絆腳石”上彈回，自然也就改變了自己的方向。 可是那么多顏色的光改變了方向，為什么只有藍(lán)色被看到呢？你可能還是不明白。 我們還得回到剛才說的那個水洼里。 水洼里，小的波浪遇到小石子的話，水面便被搞得混亂不堪；但如果是一個“巨浪”，像你用手在水洼邊掀起的那種“巨浪”，它就有可能干脆從石頭上溢過去，并暢通無阻地到達水洼的對面邊緣。那么，就像有大波浪和小波浪一樣，各種各樣顏色的光波也有不同的“波浪”，也就是波長：不過它們可不像水波的波浪，用肉眼是看不出它們的大小的，因為它們小得難以想像，只是一根頭發(fā)的一百分之一！得用很靈敏的測量儀表才可以精確地測定出來。 根據(jù)科學(xué)家的測定，藍(lán)色光和紫色光的波長比較短，相當(dāng)于“小波浪”；橙色光和紅色光的波長比較長，相當(dāng)于“大波浪”。當(dāng)遇到空氣中的障礙物的時候，藍(lán)色光和紫色光因為翻不過去那些障礙，便被“散射”得到處都是，布滿整個天空—天空，就是這樣被“散射”成了藍(lán)色。 發(fā)現(xiàn)這種“散射”現(xiàn)象的科學(xué)家叫瑞利，他是在130年前發(fā)現(xiàn)的，他也是諾貝爾獎獲得者。 用“散射”現(xiàn)象，你就可以解釋下面這些天象了： 比如在你頭頂?shù)奶炜帐撬{(lán)色的，可是在地平線—天地相接的地方，天空看上去卻幾乎是白色的。為什么？就是因為陽光從地平線到你這個地方比起它直接從空中落下來，需要在空氣中走的路程要遠(yuǎn)得多—而在一路上它所擦過的微粒子也自然就要多得多。這些大量的微粒子就這樣多次散射出光，所以它顯得白中透著淡藍(lán)。建議你做一個小實驗來驗證一下：拿一杯水，把它放在一個黑暗的背景里，放進一滴牛奶，再拿一只手電筒照射杯子的一端，并靠近它，手電筒的光在水中即會顯現(xiàn)出淡藍(lán)色。如果你往水里放進的牛奶越多，水就越白，因為光一再地受到這些眾多的牛奶微粒的散射，結(jié)果就是白色的。道理跟在地平線上空是白色的一樣。 太陽落山時的傍晚，天空不顯現(xiàn)藍(lán)色而顯現(xiàn)紅色，正在下落的太陽也變成暗紅色，也是一樣的道理。由于傍晚的光在照射到你這個地方的路上所遇到的眾多的微粒，使得陽光中的紫色的和藍(lán)色的部分往四面八方散射開去，僅留下一點點使你的肉眼看得見的橙紅色光線—因為它們的波長長、“波浪大”，翻過了路上的障礙。 不過，細(xì)心的你會發(fā)現(xiàn)，天穹在落日后也還會在一段時間內(nèi)呈現(xiàn)深藍(lán)色。這也曾經(jīng)是科學(xué)家們關(guān)心的一件怪事，不過幾個物理學(xué)家已經(jīng)在50年前揭開了這個謎：導(dǎo)致黃昏時天空的藍(lán)色，是一種特別的物質(zhì)。這種特別的物質(zhì)在離地球表面20至30公里的高空處聚集成厚厚的一個層面，叫臭氧層。這種氣體對正在下落的太陽光起到像顏色過濾器那樣的作用：它截獲太陽光中的黃色和橙色的部分，卻幾乎無阻攔地讓藍(lán)色的部分通過。當(dāng)最后的少許光消失時，所有的顏色才消失在黑暗的夜色中。 臭氧不僅導(dǎo)致黃昏的藍(lán)色天空，還吞下一種你無法看見的特殊的光線：紫外線的光，或稱紫外線。你一定曾經(jīng)聽說過，紫外線對所有的生物（當(dāng)然也包括對你）有多么危險。如果它在你的裸露的皮膚上照射得太長久，你就會得曬斑。臭氧層到處都有足夠的厚度能截獲盡可能多的紫外線：這對于我們這個星球上的全體生命來說，是極其重要的。 可惜，在今天，這個生命攸關(guān)的保護層在許多地方都已經(jīng)變薄了，在南極上空甚至已經(jīng)形成了一個大的空洞。而破壞臭氧的兇手就是“氟里昂”—一種人們用來噴灑護發(fā)摩絲或用在冰箱和空調(diào)上制冷的物質(zhì)。這是一種對臭氧層特別有害的物質(zhì)，所以許多國家已經(jīng)不再使用這種“臭氧殺手”了。 今天我們學(xué)到了為什么我們眼中的天空是藍(lán)色的。其實從地球以外望過來也是一樣：覆蓋我們地球三分之二面積的海水也散發(fā)著藍(lán)光，陸地上雖然有土地的褐色或森林的綠色，然而上空卻總是藍(lán)色的—從宇宙中看來，整個地球都被裹著一塊輕柔的藍(lán)色面紗。從大氣層外看見過地球的天文學(xué)家報道過這一情況。 所以地球被稱做“藍(lán)色星球”是完全正確的。它那獨特的藍(lán)色，就是生命的顏色。 |
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