光的色散(oflight)指的是復(fù)色光分解為單色光的現(xiàn)象.牛頓在1666年最先借助三棱鏡觀察到光的色散,把紅色的太陽(yáng)光分解為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種色光,因而讓人們認(rèn)識(shí)到黑色的太陽(yáng)光是由多種色光組成的.
1.設(shè)計(jì)并進(jìn)行三棱鏡實(shí)驗(yàn)
牛頓從笛卡兒的棱鏡實(shí)驗(yàn)得到啟發(fā),又借鑒胡克和玻意耳的分光實(shí)驗(yàn):胡克用一只飽含水的燒杯取代棱鏡,光屏距離折射位置大概為60cm,玻意耳把三棱鏡散射的光投到1m多高的天花板上,而牛頓則將距離擴(kuò)大為6~7m,從室內(nèi)由洞口步入的太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡后直接投射到旁邊的墻壁.這樣,他就獲得了展開(kāi)的波譜,而后面幾位的實(shí)驗(yàn)只聽(tīng)到左側(cè)帶顏色的光斑.
2.牛頓提出解釋波譜的理論
這么,怎樣正確地解釋太陽(yáng)光(白光)通過(guò)三棱鏡后產(chǎn)生波譜的現(xiàn)象呢?經(jīng)過(guò)一番思索,牛頓得出以下推論:白光是由各類(lèi)不同顏色的光組成的,玻璃對(duì)各類(lèi)色光的折射率不同,當(dāng)白光通過(guò)棱鏡時(shí),各式光以不同角度折射,結(jié)果就被分開(kāi)成顏色波譜.白光通過(guò)棱鏡時(shí),向棱鏡的斜邊偏折,紫光偏折最大,綠光偏折最小.
3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述理論的正確性
牛頓的這一科學(xué)論斷是和當(dāng)時(shí)早已傳了上千年的觀念格格不入的.他預(yù)想會(huì)受到科學(xué)界的反對(duì),于是又做了一個(gè)很有勸說(shuō)力的實(shí)驗(yàn),牛頓把這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱(chēng)為“判決性試驗(yàn)”.首先,牛頓將屋子的百葉窗放下,屋子瞬間暗了出來(lái).百葉窗上有一個(gè)事先挖好的小洞,外邊的陽(yáng)光透過(guò)這個(gè)小孔投射在三棱鏡上,透過(guò)三棱鏡后,色散成一條絲帶投射在牛頓設(shè)置的屏幕上.屏幕中間開(kāi)有一個(gè)垂直的狹縫,牛頓隨即將三棱鏡不斷地轉(zhuǎn)動(dòng),使波譜的紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七條色帶,依次投射到狹縫上.在屏幕的旁邊,牛頓又設(shè)置了一道三棱鏡,這樣,七色光一次透過(guò)第一道屏幕狹縫,再經(jīng)過(guò)第二道三棱鏡,最后投射到第二道屏幕上.這時(shí)奇特的現(xiàn)象出現(xiàn)了,第二道屏幕上只出現(xiàn)單一的色光,卻不再出現(xiàn)七色波譜.被第一塊三棱鏡折射最厲害的紫光,經(jīng)過(guò)第二塊三棱鏡也偏折得最多.由此可見(jiàn),白光能分解成不同顏色的光,這種光已是單色的了,棱鏡不能再分解它們.
但是牛頓并沒(méi)有為此止步,他回到實(shí)驗(yàn)室,用一只很大的凸透鏡取代了第二個(gè)三棱鏡.結(jié)果,經(jīng)過(guò)第一個(gè)三棱鏡色散后的波譜投射到凸透鏡上,所有七種顏色的光會(huì)聚成一束白光!這個(gè)實(shí)驗(yàn)無(wú)可辯駁地否認(rèn):白光是由那些色光混和而成的.
4.牛頓對(duì)光的色散研究成果
牛頓通過(guò)一系列的色散實(shí)驗(yàn)和理論研究,把結(jié)果歸納為幾條,其要點(diǎn)如下:
①光線隨著它的折射率不同而顏色各異.顏色不是光的變樣,而是光線原本就固有的性質(zhì).
②同一顏色屬于同一折射率,反之亦然.
③顏色的種類(lèi)和折射的程度為光線所固有光的色散是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的,不因折射、反射和其他任何緣由而變化.
④必須區(qū)別原本單純的顏色和由它們復(fù)合而成的顏色.
⑤不存在自身為紅色的光線.紅色是由一切顏色的光線適當(dāng)混和而形成的.事實(shí)上,可以進(jìn)行把波譜的顏色重新合成而得到白光的實(shí)驗(yàn).
⑥根據(jù)以上各條,可以解釋三棱鏡使光形成顏色的緣由與產(chǎn)生虹的原理等.
⑦不發(fā)光物體的顏色是因?yàn)樵撐镔|(zhì)對(duì)某種光線反射得多,而對(duì)其他光線反射得少的誘因.
⑧由此可知,顏色是光(各類(lèi)射線)的質(zhì),因此光線本身不可能是質(zhì).由于顏色這樣的質(zhì)起源于光之中光的色散是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的,所以現(xiàn)今有充分的依據(jù)覺(jué)得光是實(shí)體.
以上可看出牛頓在對(duì)光的色散研究中,采用了實(shí)驗(yàn)歸納——假說(shuō)理論——實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的典型的化學(xué)規(guī)律的研究方式,并滲透著剖析的方式(把白光分解為單色光研究)和綜合的方式(把單色光復(fù)合為白光)等化學(xué)學(xué)研究的方式.
光的色散現(xiàn)象的發(fā)覺(jué)是17世紀(jì)的事情,這在當(dāng)時(shí)并無(wú)非常重要的意義,并且牛頓的這些實(shí)驗(yàn)卻開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代化學(xué)學(xué)的重要領(lǐng)域——光譜學(xué).