关于光的色散问题牛顿没有完成全部工作我们还有很多疑问

1、导读：之后的几章内容，我会分别为大家讲关于光学知道的科普,并 提出一些问题。欢迎探讨。这一章来讲光的色散。这是最基本的。写 这个文章时候,我在头条问了一个问题。给大家截图看看,在没有看 完这篇文章前，你可以试着回答一下。m 腕島 科字 科晋修改标签白色光可以分解为7种光，那么白色光的能量等于这7 种光的能量之和吗？光的色散问题，白色光可以分解为7种光.另吆白色光的能量等于这7种光的能js之和吗.需要数学计算说明.也就是从电磁波能星计算公式出发说明.晟大的问题是光豊子个数的问题.也就是白色光分解其他其中光后，毎种光的光量子是多少.是和白色光一样吗。有物理大神可以计算说明一下吗？3.光的色散在介绍

2、光的色散的时候，我们先来了解一下光谱。它的全称是光学频 谱,简称光谱，是复色光通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光后, 依照光的波长（或频率）的大小顺次排列形成的图案。光谱中的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的唯一部分，在这个 波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。紫蓝绿黃橙红可地光10伽玛射线x光紫於绘/红外线 |46 oooa 7 oooa多线电波a110010 000淤来（入）在这里给大家讲一个我看过的故事：在一所著名高等学府的课堂上, 一位学生举手发言:教授,我可以请教您一个问题吗？教授回答：当然可以。那位学生站起来说道:教

3、授,寒冷存在吗？教授回答：这是什么问题？它当然存在。难道你从不觉得冷吗？其他学生纷纷窃笑那位年轻人的问题。年轻人回答说:教授z事实上寒冷并不存在。依据物理定律，我们之 所以会感觉冷，是因为缺少热能的缘故。 每个人或物体对能量的获得或传送的情况，都可以测得出来，而热能 就是这个使人体或物体获得或传递能量的东西。绝对零度（摄氏零下 273度）时完全没有热能的存在。在这个温度时，所有物体分子都呈 现静止状态，不会发生任何反应。所以实际上寒冷并不存在,我们创造这个词汇是为了描述没有热能的 感觉。而回答这个问题的正是我们所知道的伟大物理学家爱因斯坦。讲这个故事,是要告诉大家，思想这个东西很奇特，有一些在

4、我们脑 中根深蒂固的词，不是客观的词。对于我现在要给大家科普的光的概 念，其实也有必要来知道这一点。就好像人类可以看见光，但蚂蚁,蛇，蝙蝠也能看到我们所看到的光 世界吗？ ？看过动物世界的人，都知道不同生物眼中世界是不一样 的。所以光,颜色在我们要探知光本质的时候,一定要区分什么是你 需要的，什么不是你需要的。故事中提到的热其实就是光，可是你能看到热吗？ ？显然 的热可以看见，有的热看不见。就像要说的光谱一样。我们人眼可以看见的光谱，就是可以看见的热；看不见的光谱，自然是看不见的热。但我们可以通过其他手段和技术检测出来。光谱的范围，其实就是电磁波的范围,给大家看一个图大家就明白to可见光波谱1

5、0*10*汕1 1i<rjl(f v0</>fmi lm无ww1 1 (f10s110: 1泌11"110*k(m)频率增大2）波长变长（x）soom波长（/纳米）700大家应该看到了，整个电磁波的波普范围很大，可见光的范围是很小 的。波长范围是390到770纳米的可见光区。其他都是人眼所不能 看见的光谱。为什么在讲光的色散的时候，要讲这个电磁波的波普,想必现在大家 就清楚了。因为色散所反映的波长范围，是电磁波波普范围的一小部 分。所以了解电磁波是什么对于我们后面的内容，至关重要。电磁波，是 由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是 以波动的形式

6、传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波伴随的电场方向,磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电 磁波是横波。当其能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射,此阶段波体为光子。太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态,电磁波不依靠介质传播,在 真空中的传播速度等同于光速。电磁辐射由低频率到高频率,主要分 为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波，称为可见光（波长380-780nm ）。灵遁者亠亠 >id电磁辐射量与温度有关【上面就已经提到了，细心的同学会注意到这 点。,通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射,温度越高辐 射量越大，但大多不能被肉眼观察到。频

7、率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来, 就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们 是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线及y射线。最重要的一点,大家要知道电磁波是一种能量,是一种物质！所以 这也是我在上面总结光的全反射的时候说，绝对意义上的全反射是不 存在的。电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定,即s=exhz其中s为坡印廷矢 量，e为电场强度，h为磁场强度。e、h、s彼此垂直构成右手螺旋 关系；即由s代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能,单位 是 w/m2。也就是说能量在运动和转移的过程中，必然转化和转移虽然总量保 持不变，但这意味着,射入

8、的光，和反射出的光之间不是等号。所以 全反射不存在。马克斯普朗克max planck1858 - 1947”就子就是一个纯粹的假设而我并没有考虑太多” quanta were a purely formal assumption to which i really did not give much thought*我们还需要对光谱的产生方式和产生本质进行了解：光谱按产生方式,可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱。有的物体能自行发光,由它直接产生的光形成的光谱叫做发射光谱。发射光谱可分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光 谱。线状光谱主要产生于原子,由一些不连续的亮线组成;带状光谱

9、主要产生于分子，由一些密集的某个波长范围内的光组成；连续光谱 则主要产生于白炽的固体、液体或高压气体受激发发射电磁辐射，由 连续分布的一切波长的光组成。吸收光谱是指物质吸收光子,从低能级跃迁到高能级而产生的光谱。 吸收光谱可是线状谱或吸收带。硏究吸收光谱可了解原子、分子和其 他许多物质的结构和运动状态，以及它们同电磁场或粒子相互作用的 情况。当光照射到物质上时,会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光 波长相同的弹性成分外,还有比激发光波长长的和短的成分，后一现 象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现， 因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光

10、谱或拉曼散射光谱。按产生本质,光谱可分为分子光谱与原子光谱。在分子中,电子态的能量比振动态的能量大50 100倍，而振动态 的能量又比转动态的能量大50 100倍。因此在分子的电子态之间 的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁的，因而许多光谱线就密 集在一起而形成分子光谱。因此，分子光谱又叫做带状光谱。在原子中,当原子以某种方式从基态提升到较高的能态时，原子内部 的能量增加了，原子中的部分电子提升到激发态，然而激发态都不能 维持,在经历很短的一段随机的时间后，被激发的原子就会回到原来 能量较低的状态。在原子中，被激发的电子在回到能量较低的轨道时释放出一个光子， 也就是说这些能量将被以光的形式发

11、射出来，于是产生了原子的发射 光谱,亦即原子光谱。因为这种原子能态的变化是非连续量子性的, 所产生的光谱也由一些不连续的亮线所组成，所以原子光谱又被称作 线状光谱。回到我们的副标题,光的色散。雨后出现的彩虹，你知道是怎么形成 的吗？答案就是"色散"o是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴 所引起的比较复杂的由折射和反射造成的一种色散现象。牛顿做的著 名的"三棱镜"实验，证明了色散现象的存在。牛顿是对这个现象做硏究的第一个人。在1666年他最先利用三棱镜 观察到光的色散，把白光分解为彩色光带（光谱）。色散现象说明光 在介质中的速度v二c/n （或折射率n ）

12、随光的频率f而变。光的色散证明了光具有波动性。光波都有一定的频率/光的颜色是由光波的频率决定的/在可见光区 域,红光频率最小，紫光的频率最大，各种频率的光在真空中传播的 速度都相同,约等于30xl08m/s。但是不同频率的单色光，在介质 中传播时由于与介质相互作用，传播速度都比在真空中的速度小,并 且速度的大小互不相同。红光速度快,紫光的传播速度慢,因此介质对红光的折射率小,对紫 光的折率大。当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上,红光发生的 偏折最少，它在光谱中处在靠近顶角的一端。紫光的频率大，在介质 中的折射率大,在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边的一端。也就是说,光有复色光和单色光的区别。这

13、种区别是我们看到不同颜 色的区别,本质上眼睛的色觉细胞接收到不同频率的可见光时，感觉 到的颜色不同，颜色是不同频率的光对色觉细胞的刺激而产生的。由两种或两种以上的单色光组成的光（由两种或两种以上的频率组成 的光），称为复色光。不能再分解的光（只有一种频率）,称为单色 光。红，绿，蓝被称为光的三原色，是因为自然界红、绿、蓝三种颜 色是无法用其它颜色混合而成的,而其他颜色可以通过红、绿、蓝光 的适当混合而得到的，因此红、绿、蓝三种颜色被称为光的三原色 o大家想想,这意味着什么? ?这意味着白色光这种电磁波是由7种电磁波组合而成。为何要将 组合二字加上双引号，是为了说明这种组合的神奇性。它可能是叠加

14、 方式,也可能是融合方式，总之是一件奇妙的事情。但更奇妙是,在整个电磁波波普中，其实人眼可以的波普段是很小的。其他如x射线,伽马射线我们并没有听说它们可以像白光一样,也能 分解出其他颜色的光。那就说明，它们本身就是单色的。但一般 不能成为单色光,因为光一般指人眼可以看见的波普。如果我们单单把这种情况看成是宇宙对人类的独宠，就太大意了。色 散的本质我们一般认为当复色光在介质界面上折射时,介质对不同波 长的光有不同的折射率,各色光因所形成的折射角不同而彼此分离。 所以才分解成彩色光带。我们在研究光波的时候，我会发现经常会拿水波形象比喻光波的情 况。但就色散而言,我们无法想象,7条单一的水波,汇成一

15、条。显 然复色的光分解为单色的光的本质，从能量上来说，光量子个数相同, 那么振动频率越大，波长越短,能量越高。高频区（高能辐射区） 其中包括x射线，y射线和宇宙射线。他们是利用带电粒子轰击某些 物质而产生的。这些辐射的特点是他们的量子能量高，当他们与物质 相互作用时,波动性弱而粒子性强。长波区（低能辐射区）其中包括长波、无线电波和微波等最彳氐频率的辐射。它们由电子束管 配合电容、电感的共振结构来产生和接收的,也就是能量在电容和电 感之间振荡而形成。它们与物质间的相互作用更多地表现为波动性。中间区（中能辐射区）其中包括红外辐射、可见光和紫外辐射。这部分辐射产生于原子和分 子的运动,在红外区辐射主

16、要产生于分子的转动和振动;而在可见与 紫外区辐射主要产生于电子在原子场中的跃迁。这部分辐射统称为光 辐射，这些辐射在与物质的相互作用中，显示出波动和粒子双重性。现在我问大家一个问题：白色光可以分解为7种光，但白色光的能量等于这7种单色光的能量吗？ 我们知道电磁波的光子能量计算公式是:e=hvz这是是光子能量的 大小表达式。h为普朗克常数,v为辐射电磁波的频率。那么电磁波 的能量就是e二nhv。n光量子的个数。然后根据频率大的,能量大。我们可以知道紫光比白光能量大！这对吗？ ？ ？ ？各位怎么看？ ？ 答案远远不是这么简单，各位。我在写了变化的时彳唉,发了一些 章节在头条上,有很多人骂我。但现在

17、，我自己都想骂我自己。一个 不精通高等数学的人科普物理,大脑还是真有不够用的时候。现在就是这个时候了。看着上面麦克斯韦方程组，我只能通过别人翻译的文字去理解。可是当我要计算一些想法的时候，我就被困住了。所以有时候我会想,霍金为什么不写这样的详细案例书籍呢。就比如我现 在这个困扰，霍金有没有想到过。这个问题背后的深意究竟是什么？我在对自己提出的这个问题，进行了仔细的审阅之后，发现它可能是 个伪命题。白色光是可以分别岀7中颜色的光谱，但这光谱叫彩色光带。也就说 这7种光还可以变回白色光。彩色光带和7条光线是不同的概念， 也就是说白色光分解为7色光带,光带中的每种光,是和光带是一个 整体,无法分离。这样的话,能量的守恒就是完整的。如果像我上面所分析的，分解后 7色光，按单个光那样计算能量来和原来的白色光进行对比,竟然会 得出能量不守恒的结论。那就是说白色光所携带的能量,和光带的能量是相同的【光带能量加上传播中损耗的能量等于白色光所携带的能量！】强调建议现在的教课书，在高中和大学的时候,可以增加关于光的色 散更加量子层面的描述和本质的探索。另外大家要知道,光的三原色：红，绿，蓝。这三种光组合可以出现 其他颜色的光，包括白光。人的眼睛是根据所看见的光的波长来识别颜色的