人的眼睛只能感觉到电磁波谱中很窄的一段,这段就是可见光。可见光中不同的频率引起人的不同颜色感觉(红色770～620 nm、橙色620～600 nm、黄色600～580 nm、绿色580～490 nm、蓝色490～450 nm、紫色450～400 nm),因此物体的颜色是由射入人眼的光波频率(或波长)决定的。自然界的物体有丰富的色彩,而形成各种颜色的成因却是个很复杂的问题,下面只从两方面粗略地给以介绍。

发光体的颜色

发光物体即光源,光源可分两大类,一类是热辐射光源,另一类是非热辐射光源。

热辐射光源的颜色

热辐射光源的发射光谱都是连续光谱,而光谱中各种色光成分的组成与发光体的温度有关。温度越高,光谱中高频率部分(可见光中的蓝、紫色光以及紫外线)越多,温度越低,光谱中低频率部分(可见光中的红、橙色光以及红外线)越多;因此热辐射光源的颜色与温度有对应关系。恒星发光就是热辐射,天文学上就按照颜色把恒星分为青、白、黄、红4个等级。炼钢炉里铁水的温度,以前就是老工人根据经验靠眼睛观察颜色来判断的,现在可采用光电比色议等精密仪器,但原理仍然相同。

非热辐射光源的颜色

如在辐射过程中物质内部发生化学变化(如燃烧)的叫化学发光;用外来的光或任何其他辐射不断地或预先地照射物质而使之发光的过程叫光致发光(如荧光、磷光);由电场作用引起的辐射过程叫场致发光(如电弧放电、火花放电、辉光放电);通过电子轰击也可以引起固体(如某些矿物)产生辐射这叫阴极发光。这些非热辐射光源辐射的电磁波的频率,跟物质内分子、原子、电子的能级跃迁有关。所以非热辐射光源的颜色就由能级跃迁时辐射的光子能量(或光的频率)决定。下面只介绍日常生活中常见的光致发光和场致发光颜色的成因。

光致发光的颜色

如将含金属的盐类放入火焰中,会产生激发态的金属原子,根据玻尔原子理论,当激发态的金属原子回到基态时,因为不同的原子有不同的能级排列,所以不同的金属盐类辐射的光子能量不同也就是颜色不同,这就是烟火的各种颜色配方的由来。

还有些物质被激发后再荧光放射,发射出某一特殊的颜色,这是因为物体吸收能量后电子被激发至高能级,物质再以放热和发光(荧光)的形式将能量释出而回到基态所致。例如荧光漆在蓝光照射时,呈现出红色,是因为荧光漆吸收了高能量的蓝光后先放出部分能量,再放出低能量的红色荧光回到基态所造成。

场致发光的颜色

霓红灯、钠汽灯、水银灯、日光灯,都是利用放电(即电子撞击)来激发气体原子,实现原子跃迁发光的。霓虹灯充入不同的气体,而每种气体原子都有自己的特征谱线,所以不同的气体原子跃迁发光的频率各异,从而颜色也就不同。地球南北极的极光现象,是由于太阳黑子产生的太阳风吹向地球,其中一些高能量的粒子(如电子、质子等)在地磁场的作用下以螺旋路径进入南北极,在南北极上空与大气中的氧、氮分子碰撞,氧、氮分裂为原子,并被激发而发光,因此极光现象可视为自然界的霓虹灯。但是像日光灯和马路上的水银灯,这类灯光伴有相当强的紫光及紫外线,因此在灯管壁上涂一层荧光粉,荧光粉可以吸收紫外线而放出较底能量的可见光。不同的荧光粉由不同的原子组成,从而有不同的能级排列,所以涂了不同荧光粉的灯管还会产生不同的颜色。

非发光体的颜色

它与物体本身的性质有关,也与入射光的频率成分有关。当光射到物体上时,某波长的能量与物质内原子的振动能或电子发生跃迁所需的能量相同时,光就易被吸收,其他波长的光就不易被吸收。物质对光的选择吸收决定了物体各自的颜色。吸收光辐射或光能是物质的一般属性。下面具体分析白光照射物体的情况。白光照射到物体表面时,其中一部分光被物体散射或反射(对于透明物体还有一部分透过物体),另一部分光则被物体吸收。所以人们看到的是物体的反射光颜色、散射光颜色、透射光颜色。

反射光的颜色

是指物体表面层对光的直接反射而形成的颜色,这些反射光遵守反射定律。

(1)当光与物质本身没有其他作用即没被吸收全部直接反射时,表面色一般为白色。同一个物体在不同的光源照射下可以呈现不同的颜色,就是由于不同的光源发射的光波频率成分不同且该光被直接反射入人眼而造成的。

(2)复色光(白光)照射时,物体有多种色彩,而使用单色光照射物体,则只能呈现一种颜色或黑色。因为物体表面(特别是一些颜料)在反射过程中有强烈的选择吸收作用,因而表面色为某种特定的颜色。譬如,叶子的绿色是因为叶绿素将白光中的红光和蓝光吸收进行光合作用,而反射出剩余的绿光。染料这种有机化合物在可见光谱区及近紫外和近红外区有明显的吸收特征。染料在阳光照射下,除反射跟它相同的色光以外,还反射一些它的近邻色光。例如黄染料除了反射黄光,还反射一些它的近邻色光橙光和绿光,同时吸收其他色光;蓝染料除了反射蓝光,还反射一些他的近邻色光紫光和绿光,同时吸收其他色光;这两种染料混合在一起,就只反射交叉部分———绿光,其他色光均被吸收,混合染料就呈绿色了。