• 简述彩虹

  在自然现象中,我们经常可以在有阳光照射的雨雾天气或者是湿度较高的早晨中看到天空中有彩虹,除了自然现象外,我们同样可以人为构造出小彩虹,也许你有这样的经历,将水滴对着太阳光(注:不要直视太阳,我们只需要水滴被太阳光照射到即可),然后我们从某一个特定角度去看水滴,我们可以发现有一条小彩虹。当然,更直接的方法是使用三棱镜,效果好且彩虹带非常清晰。从外观上看去,彩虹不属于那种突变型的颜色带,而是一条渐变色带。

  彩虹带颜色和顺序我们一般引用牛顿分割色谱的七种颜色,分别是红(Red)、橙(Orange)、黄(Yellow)、绿(Green)、蓝(Blue)、靛(Indigo)和紫(Violet)。

颜色示例1

  • 彩虹数学简述

  除了从直观上我们可以大致得出观察点的位置,比如观察的角度等。在数学上我们计算出该观察点的最佳位置,假设我们得知水的折射率n=1.333,彩虹的感知角度为2φ,内部反射角度为2β,入射角为 2βφ

  1. 折射角为β,由斯涅尔定律(Snell's Law)得:sin(2βφ) = n sin β
  2. 求解φφ = 2β − arcsin(n sin β)
  3. 根据微积分,我们设定 / = 0,求解 β

求解 β

  1. 将结果代入到原式,求解得到2φmax ≈ 42°

    太阳光的分解

  从以上计算可以得出观察点的角度在42°左右可以获得较好的视觉效果,同样,在40~42°之间也是彩虹较为强烈的一个角度。

  • 彩虹分类

  除了我们常见的单弧彩虹外,还有多重彩虹,双色彩虹(第一条的颜色和第二条颜色的颜色序列相反,(霓虹和彩虹)),全圆彩虹等。

  • 物理上的颜色

  可见光,热,无线电波和其他类型的辐射有着相同物理性质,它们由一系列的光子流构成,光子或者光量子由爱因斯坦提出(爱因斯坦在1921年获得诺贝尔奖),光子是一种标准的基本粒子之一,属于玻色子家族。光子的基本特征是具有定量形式传输能量的能力,根据公式E = h*f(h为普朗克常数,f为光子频率),其能量决定于光子的频率。
图2 可见光谱
  因此,我们可以发现光子处于无线电波的低频率带中,高能量的光子我们叫做伽马射线(Gamma Rays,伽马射线在医学上得到广泛的使用,比如伽马刀[Gamma Knife])。在下图3中,展示了构成电磁频谱的连续频率范围。当光子以正弦波描述的时候,一个完整的周期叫做光子波长λ,所以光子也可以通过它的频率或者波长进行描述,就有λ = c/f(c为光速)。但是使用“颜色”一次作为频率也是很常见的,因为人类视觉中对颜色的感知实际上就是一个频率函数。然而,正如我们看到的,这其实不是一个严格的物理解释,而是一个测量和解释信息过程的结果,这使得色彩作为另一个理解的范畴,并且由物理中的电磁辐射理论提供支持。

图3 电磁波结构

  但是在解决这个问题之前,我们应该先考虑如何有效检测到光子,要完成这个步骤就需要借助于一个电磁波检测器Antenna,也就是我们常说的天线 ,同时该检测器的大小必须跟光子的波长上相似。

  • 人类色彩感知

  人类的眼睛能看到波长范围为700nm(深红 Deep Red)~400nm(深紫 Violet)的电磁波,也就是说人眼接收这些波长的电磁波需要许多个纳米级别大小的Antenna(天线),但是对于生物来说这其实不是什么大问题,因为复杂的分子的大小就能够满足要求。实际上,人类眼睛的色彩视觉被赋予了三种了类型的光受体蛋白[1],它们处理的颜色响应如下图所示:

图4 视网膜中光感细胞的颜色响应

图5 连续/发射/吸收光谱

  这些类型都在视网膜中对应一种类型的光感细胞[3],这些细胞也称为视锥细胞,如下图6。光受体蛋白位于细胞膜上,当它们吸收光子的时候它们改变形状,打开细胞膜通道并产生离子流。在一个复杂的生物化学反应的后面,一系列的神经脉冲由视网膜细胞产生并通过视神经最终传输到视觉皮层进行最终的信息处理。

图6 视锥细胞

  针对于彩虹而言,彩虹的颜色数量是非常庞大的,但是人类的颜色视觉系统中只能分辨出7种颜色这主要是由于我们的颜色系统中只有三种光受体蛋白,当然这仅仅针对于人类视觉而言。对于其他物种,其所能分辨的颜色远比这些要多,比如蜜蜂和许多其他昆虫能后识别超紫外线(300–400 nm)的频率光子,但是却可能在红光区域中无法识别。

  • 结语

  以上简述了彩虹从产生到识别的过程,最终能看到彩虹颜色取决于人类的视觉系统的视锥细胞类型。哺乳动物一般都只有有限的色彩视觉,甚至还会存在色盲,比如红绿色盲①,只有两种视锥细胞(Cone Cells)。

注:① 色盲并不是指颜色分辨上反转(比如红绿色盲),而是指无法分辨这两类颜色。

References

[1]Cones and Color Vision https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11059/

[2] ISAAC NEWTON, OPTICKS: OR, A TREATISE OF THE REFLEXIONS, REFRACTIONS, INFLEXIONS AND COLOURS OF LIGHT, 1704 https://www.cmog.org/article/isaac-newton-opticks

[3]Wikipedia contributors. (2020, May 6). Photoreceptor cell. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 17:35, May 18, 2020, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photoreceptor_cell&oldid=955171479

[4]Wikipedia contributors. (2020, March 21). Visual phototransduction. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 17:34, May 18, 2020, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Visual_phototransduction&oldid=946674805

[5] The EM spectrum http://labman.phys.utk.edu/phys222core/modules/m6/The%20EM%20spectrum.html

[6] Wikipedia contributors. (2020, May 18). Rainbow. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 03:28, May 19, 2020, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Rainbow&oldid=957439857

[7] Wikipedia contributors. (2020, May 10). Impossible color. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 03:59, May 19, 2020, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Impossible_color&oldid=955833943

[8] Wikipedia contributors. (2020, May 13). Cone cell. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 06:36, May 19, 2020, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cone_cell&oldid=956547077

最后修改:2020 年 05 月 19 日 03 : 06 PM
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