絢麗多彩的肥皂泡

吹肥皂泡,這是許多人童年時玩過的遊戲。歡出的泡泡大大小小,慢慢升空,在陽光的照射下,一個個肥皂泡色彩瑰色彩斑斕的肥皂泡麗,可好看了。那麼,這些美麗的色彩是從哪兒來的呢?它是白光幹涉的結果。

當太陽光照射在薄膜上時,光線從薄膜上下兩個表麵反射出來。兩條反射光線在空中相遇,發生光的幹涉。幹涉的結果使陽光中某一種色光加強,其他的色光削弱。因此,整體看起來,薄膜就顯示出絢麗的色彩。你還可以發現,當你的頭左右擺動時,薄膜的顏色總在變化,顯示出各種的色彩。

象肥皂膜的這種幹涉叫薄膜幹涉。薄膜幹涉的現象在生活中是常常能見到的。比如,浮在水麵上的油膜、蜻蜓、知了等昆蟲的很薄的、透明的翅膀,在陽光的照射下,都可以看到美麗的彩色花紋。

現代光學裝置中,如攝影機和電影放映機的鏡頭、潛水艇的潛望鏡等,都是由許多光學元件——透鏡、棱鏡等組成的。進入這些裝置的光,在每個元件的表麵上都要受到反射,結果隻有入射光的10~20%通過光學裝置,這時所成的像既暗淡又不清晰。為了清除表麵反射造成的後果,在透鏡和棱鏡的表麵塗上一層薄膜,當薄膜的厚度是入射光在薄膜中波長的1/4時,在薄膜的兩個麵上反射的光的路程差恰好等於半個波長,因而相互抵消,這就大大減少了光的反射損失,增強了透射光的強度。

天空和海水都呈藍色

我國唐朝文學家王勃,在他所寫的一篇叫《滕王閣序》的文章中提到過“秋水共長天一色”;詩人白居易也在他的《憶江南》的詞中提到“春來江水綠如藍”。確實,當我們航行在海上,一眼望去,那無邊無際的碧藍海麵,在遙遠的地方和藍色的天空融合在一起真是美極了。

一束太陽光是由七種顏色的單色光組成的,它們是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。當這七種單色光並肩前進時,人們看不出它們各自的真麵目。

太陽光穿過大氣後,射到地球表麵。天空呈藍色,是由於大氣層中空氣分子與太陽光相互作用的結果。為了理解空氣分子的作用,可將空氣分子看作是微小的光諧振子。我們先考慮相似的聲振動,讓某一特定頻率的聲波直接傳向一個音叉,當音叉的固有頻率與傳來聲波的頻率相接近時,這個音叉的振動較強,同時將吸收的聲能有效地最再發射到各個方向上,即調諧音叉將聲束散射了。當入射波的頻率和音叉頻率相同時,音叉產生的振動最強,散射的聲能也較強;當頻率不匹配時,音叉可能產生受迫振動,但不像諧振時那麼強。所以入射波頻率越接近散射介質的頻率,產生的振動和散射就越強。這不僅對聲波,對於光波也是如此。

我們可以認為大氣粒子象微小的“光學音叉”,微粒越小,固有頻率越高。大氣的主要成分是氮分子和氧分子,它們是很微小的諧振子,它們的固有頻率在電磁波譜的紫外部分,太陽發出的紫外光被大氣中的氮和氧分子散射(多數的紫外線被大氣上層的臭氧層所吸收)。雖然可見的紫光頻率對分子諧振是太低了,但是,它與分子諧振頻率足夠接近,所以能引起明顯的受迫振動和散射。藍光也能以同樣的方式散射,但比紫光弱,綠光又比藍光弱,更低頻的就更弱了。因此,當太陽光進入大氣層的時候,被散射的紫光和藍光較多,而綠的、黃的、橙的和紅的將依次減少。雖然被大氣音叉散射的紫光比藍光多,但我們的眼睛對藍光比對紫光更靈敏,因此,我們看見的天空是藍色的。

當空氣由無數比氮和氧分子明顯大得多的灰塵和其他粒子所充滿的時候,太陽光中較低頻成分的散射會增加,天空看起來就不怎麼藍,而是顯得更加灰白了。但是,在暴雨之後,這些較大的粒子被衝洗後,天空就又呈現較深的藍色。

而大海之所以呈藍色也是由於太陽光的巧手打扮。海水中懸浮著小微粒,這些小微粒充當光諧振子,使藍光頻率附近的光發生散射,再從海水中折射出水麵後進入人眼,所以我們看到海水是藍色的,海水越深,散射後返回的藍光和青光越多,所以海水越藍。

奇妙的鏡子

光是沿著直線傳播的。但是,當它遇到一個光滑的物體的時候,就會被反射回來,這種現象叫光的反射。

在一間黑屋子裏,用手電筒照射一麵鏡子和一張白紙。你會驚奇地發現,鏡子看起來是黑的,白紙反而比鏡子亮。

原來,光滑的鏡麵反射光是有規則的,一束光線遇到鏡麵以後,雖然改變了前進的方向,但是它仍在新的運動方向上整齊前進。如果你的眼睛不在這個方向上,鏡子的反射光就一點也不會進入你的眼裏,所以鏡麵看上去是黑的。隻有把鏡麵轉到某一個角度,使它反射的光正好進入你的眼睛的時候,你才能看到耀眼的光芒。