導讀：之後的幾章內容， 我會分別為大家講關於光學知道的科普， 並提出一些問題。 歡迎探討。 這一章來講光的色散。 這是最基本的。 寫這個文章時候， 我在頭條問了一個問題。 給大家截圖看看， 在沒有看完這篇文章前， 你可以試著回答一下。
3、光的色散
在介紹光的色散的時候， 我們先來瞭解一下光譜。 它的全稱是光學頻譜， 簡稱光譜， 是複色光通過色散系統（如光柵、棱鏡）進行分光後， 依照光的波長（或頻率）的大小順次排列形成的圖案。
光譜中的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的唯一部分，
在這個波長範圍內的電磁輻射被稱作可見光。
光譜並沒有包含人類大腦視覺所能區別的所有顏色，
譬如褐色和粉紅色。
在這裡給大家講一個我看過的故事：在一所著名高等學府的課堂上， 一位學生舉手發言：教授， 我可以請教您一個問題嗎?
教授回答：當然可以。
那位學生站起來說道：教授， 寒冷存在嗎？
教授回答：這是什麼問題？它當然存在。 難道你從不覺得冷嗎？
其他學生紛紛竊笑那位年輕人的問題。
年輕人回答說：教授， 事實上寒冷並不存在。 依據物理定律， 我們之所以會感覺冷， 是因為缺少熱能的緣故。
每個人或物體對能量的獲得或傳送的情況， 都可以測得出來， 而熱能就是這個使人體或物體獲得或傳遞能量的東西。 絕對零度（攝氏零下273度）時完全沒有熱能的存在。 在這個溫度時， 所有物體分子都呈現靜止狀態， 不會發生任何反應。
所以實際上寒冷並不存在， 我們創造這個詞彙是為了描述沒有熱能的感覺。
而回答這個問題的正是我們所知道的偉大物理學家愛因斯坦。
講這個故事， 是要告訴大家， 思想這個東西很奇特， 有一些在我們腦中根深蒂固的詞， 不是客觀的詞。 對於我現在要給大家科普的光的概念， 其實也有必要來知道這一點。
就好像人類可以看見光， 但螞蟻， 蛇， 蝙蝠也能看到我們所看到的光世界嗎？？ 看過動物世界的人， 都知道不同生物眼中世界是不一樣的。 所以光， 顏色在我們要探知光本質的時候， 一定要區分什麼是你需要的， 什麼不是你需要的。
故事中提到的熱其實就是光， 可是你能看到熱嗎？？顯然回到是， 有的熱可以看見， 有的熱看不見。
光譜的範圍，
其實就是電磁波的範圍，
給大家看一個圖，
大家就明白了。
大家應該看到了， 整個電磁波的波普範圍很大， 可見光的範圍是很小的。波長範圍是390到770納米的可見光區。其他都是人眼所不能看見的光譜。
為什麼在講光的色散的時候，要講這個電磁波的波普，想必現在大家就清楚了。因為色散所反映的波長範圍，是電磁波波普範圍的一小部分。
所以瞭解電磁波是什麼對於我們後面的內容，至關重要。電磁波，是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震盪粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。
電磁波伴隨的電場方向，磁場方向，傳播方向三者互相垂直，因此電磁波是橫波。當其能階躍遷過輻射臨界點，便以光的形式向外輻射，此階段波體為光子。
太陽光是電磁波的一種可見的輻射形態，電磁波不依靠介質傳播，在真空中的傳播速度等同於光速。電磁輻射由低頻率到高頻率，主要分為：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。人眼可接收到的電磁波，稱為可見光（波長380~780nm）。
電磁輻射量與溫度有關【上面就已經提到了，細心的同學會注意到這點。】，通常高於絕對零度的物質或粒子都有電磁輻射，溫度越高輻射量越大，但大多不能被肉眼觀察到。
頻率是電磁波的重要特性。按照頻率的順序把這些電磁波排列起來，就是電磁波譜。如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及γ射線。
最重要的一點，大家要知道電磁波是一種能量，是一種物質！ 所以這也是我在上面總結光的全反射的時候說，絕對意義上的全反射是不存在的。
電磁波的能量大小由坡印廷向量決定，即S=E×H,其中s為坡印廷向量，E為電場強度，H為磁場強度。E、H、S彼此垂直構成右手螺旋關係；即由S代表單位時間流過與之垂直的單位面積的電磁能，單位是W/m2。
也就是說能量在運動和轉移的過程中，必然轉化和轉移，雖然總量保持不變，但這意味著，射入的光，和反射出的光之間不是等號。所以全反射不存在。
我們還需要對光譜的產生方式和產生本質進行瞭解：光譜按產生方式，可分為發射光譜、吸收光譜和散射光譜。
有的物體能自行發光，由它直接產生的光形成的光譜叫做發射光譜。
發射光譜可分為三種不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續光譜。線狀光譜主要產生於原子，由一些不連續的亮線組成；帶狀光譜主要產生于分子，由一些密集的某個波長範圍內的光組成；連續光譜則主要產生于白熾的固體、液體或高壓氣體受激發發射電磁輻射，由連續分佈的一切波長的光組成。
吸收光譜是指物質吸收光子，從低能級躍遷到高能級而產生的光譜。吸收光譜可是線狀譜或吸收帶。研究吸收光譜可瞭解原子、分子和其他許多物質的結構和運動狀態，以及它們同電磁場或粒子相互作用的情況。
當光照射到物質上時，會發生非彈性散射，在散射光中除有與激發光波長相同的彈性成分外，還有比激發光波長長的和短的成分，後一現象統稱為拉曼效應。這種現象於1928年由印度科學家拉曼所發現，因此這種產生新波長的光的散射被稱為拉曼散射，所產生的光譜被稱為拉曼光譜或拉曼散射光譜。
按產生本質，光譜可分為分子光譜與原子光譜。
在分子中，電子態的能量比振動態的能量大50～100倍，而振動態的能量又比轉動態的能量大50～100倍。因此在分子的電子態之間的躍遷中，總是伴隨著振動躍遷和轉動躍遷的，因而許多光譜線就密集在一起而形成分子光譜。因此，分子光譜又叫做帶狀光譜。
在原子中，當原子以某種方式從基態提升到較高的能態時，原子內部的能量增加了，原子中的部分電子提升到激發態，然而激發態都不能維持，在經歷很短的一段隨機的時間後，被激發的原子就會回到原來能量較低的狀態。
在原子中，被激發的電子在回到能量較低的軌道時釋放出一個光子，也就是說這些能量將被以光的形式發射出來，於是產生了原子的發射光譜，亦即原子光譜。因為這種原子能態的變化是非連續量子性的，所產生的光譜也由一些不連續的亮線所組成，所以原子光譜又被稱作線狀光譜。
回到我們的副標題，光的色散。雨後出現的彩虹，你知道是怎麼形成的嗎？答案就是“色散”。是太陽光沿著一定角度射入空氣中的水滴所引起的比較複雜的由折射和反射造成的一種色散現象。牛頓做的著名的“三棱鏡”實驗，證明了色散現象的存在。
牛頓是對這個現象做研究的第一個人。在1666年他最先利用三棱鏡觀察到光的色散，把白光分解為彩色光帶（光譜）。色散現象說明光在介質中的速度v=c/n（或折射率n）隨光的頻率f而變。光的色散證明了光具有波動性。
光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的頻率決定的，在可見光區域，紅光頻率最小，紫光的頻率最大，各種頻率的光在真空中傳播的速度都相同，約等於3.0×108m/s。但是不同頻率的單色光，在介質中傳播時由於與介質相互作用，傳播速度都比在真空中的速度小，並且速度的大小互不相同。
紅光速度快，紫光的傳播速度慢，因此介質對紅光的折射率小，對紫光的折率大。當不同色光以相同的入射角射到三棱鏡上，紅光發生的偏折最少，它在光譜中處在靠近頂角的一端。紫光的頻率大，在介質中的折射率大，在光譜中也就排列在最靠近棱鏡底邊的一端。
也就是說，光有複色光和單色光的區別。這種區別是我們看到不同顏色的區別，本質上眼睛的色覺細胞接收到不同頻率的可見光時，感覺到的顏色不同，顏色是不同頻率的光對色覺細胞的刺激而產生的。
由兩種或兩種以上的單色光組成的光（由兩種或兩種以上的頻率組成的光），稱為複色光。不能再分解的光（只有一種頻率），稱為單色光。
紅，綠，藍被稱為光的“三原色”，是因為自然界紅、綠、藍三種顏色是無法用其它顏色混合而成的，而其他顏色可以通過紅、綠、藍光的適當混合而得到的，因此紅、綠、藍三種顏色被稱為光的“三原色”。
大家想想，這意味著什麼？？
這意味著白色光這種電磁波是由7種電磁波“組合”而成。為何要將組合二字加上雙引號，是為了說明這種組合的神奇性。它可能是疊加方式，也可能是融合方式，總之是一件奇妙的事情。
但更奇妙是，在整個電磁波波普中，其實人眼可以的波普段是很小的。其他如x射線，伽馬射線我們並沒有聽說它們可以像白光一樣，也能分解出其他顏色的光。那就說明，它們本身就是“單色”的。但一般不能成為單色光，因為“光”一般指人眼可以看見的波普。
如果我們單單把這種情況看成是宇宙對人類的獨寵，就太大意了。色散的本質我們一般認為當複色光在介質介面上折射時，介質對不同波長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離。所以才分解成彩色光帶。
我們在研究光波的時候，我會發現經常會拿水波形象比喻光波的情況。但就色散而言，我們無法想像，7條單一的水波，匯成一條。顯然複色的光分解為單色的光的本質，從能量上來說，光量子個數相同，那麼振動頻率越大，波長越短，能量越高。
高頻區（高能輻射區）
其中包括x射線，γ射線和宇宙射線。他們是利用帶電粒子轟擊某些物質而產生的。這些輻射的特點是他們的量子能量高，當他們與物質相互作用時，波動性弱而粒子性強。
長波區（低能輻射區）
其中包括長波、無線電波和微波等最低頻率的輻射。它們由電子束管 配合電容、電感的共振結構來產生和接收的，也就是能量在電容和電感之間振盪而形成。它們與物質間的相互作用更多地表現為波動性。
中間區（中能輻射區）
其中包括紅外輻射、可見光和紫外輻射。這部分輻射產生于原子和分子的運動，在紅外區輻射主要產生于分子的轉動和振動；而在可見與紫外區輻射主要產生於電子在原子場中的躍遷。這部分輻射統稱為光輻射，這些輻射在與物質的相互作用中 ，顯示出波動和粒子雙重性。
現在我問大家一個問題：白色光可以分解為7種光，但白色光的能量等於這7種單色光的能量嗎？
我們知道電磁波的光子能量計算公式是：E=hv，這是是光子能量的大小運算式。h為普朗克常數，v為輻射電磁波的頻率。那麼電磁波的能量就是E=nhv。n光量子的個數。
然後根據頻率大的，能量大。我們可以知道紫光比白光能量大！ 這對嗎？？？？ 各位怎麼看？？
答案遠遠不是這麼簡單，各位。我在寫了《變化》的時候，發了一些章節在頭條上，有很多人罵我。但現在，我自己都想罵我自己。一個不精通高等數學的人科普物理，大腦還是真有不夠用的時候。現在就是這個時候了。看著上面麥克斯韋方程組，我只能通過別人翻譯的文字去理解。可是當我要計算一些想法的時候，我就被困住了。所以有時候我會想，霍金為什麼不寫這樣的詳細案例書籍呢。 就比如我現在這個困擾，霍金有沒有想到過。這個問題背後的深意究竟是什麼？
我在對自己提出的這個問題，進行了仔細的審閱之後，發現它可能是個偽命題。
白色光是可以分別出7中顏色的光譜，但這光譜叫彩色光帶。也就說這7種光還可以變回白色光。 彩色光帶和7條光線是不同的概念，也就是說白色光分解為7色光帶，光帶中的每種光，是和光帶是一個整體，無法分離。
這樣的話，能量的守恆就是完整的。如果像我上面所分析的，分解後7色光，按單個光那樣計算能量來和原來的白色光進行對比，竟然會得出能量不守恆的結論。
那就是說白色光所攜帶的能量，和光帶的能量是相同的【光帶能量加上傳播中損耗的能量等於白色光所攜帶的能量！】
強調建議現在的教課書，在高中和大學的時候，可以增加關於光的色散更加量子層面的描述和本質的探索。
另外大家要知道，光的三原色：紅，綠，藍。這三種光組合可以出現其他顏色的光，包括白光。
人的眼睛是根據所看見的光的波長來識別顏色的。可見光譜中的大部分顏色可以由三種基本色光按不同的比例混合而成，這三種基本色光的顏色就是紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三原色光。這三種光以相同的比例混合、且達到一定的強度，就呈現白色（白光）；若三種光的強度均為零，就是黑色（黑暗）。
我相信此刻，你看著這篇文章之後，腦中的問題遠遠比教科書中的答案多。這就是我要給你東西，我們對於光的研究，這些總以為是很清楚的，但事實上呢？？ 拉出來100個大學生，有幾個可以回答上面的問題？？ 這正好說明了，我有科普的必要。
摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》第五章。
可見光的範圍是很小的。波長範圍是390到770納米的可見光區。其他都是人眼所不能看見的光譜。為什麼在講光的色散的時候，要講這個電磁波的波普，想必現在大家就清楚了。因為色散所反映的波長範圍，是電磁波波普範圍的一小部分。
所以瞭解電磁波是什麼對於我們後面的內容，至關重要。電磁波，是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震盪粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。
電磁波伴隨的電場方向，磁場方向，傳播方向三者互相垂直，因此電磁波是橫波。當其能階躍遷過輻射臨界點，便以光的形式向外輻射，此階段波體為光子。
太陽光是電磁波的一種可見的輻射形態，電磁波不依靠介質傳播，在真空中的傳播速度等同於光速。電磁輻射由低頻率到高頻率，主要分為：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。人眼可接收到的電磁波，稱為可見光（波長380~780nm）。
電磁輻射量與溫度有關【上面就已經提到了，細心的同學會注意到這點。】，通常高於絕對零度的物質或粒子都有電磁輻射，溫度越高輻射量越大，但大多不能被肉眼觀察到。
頻率是電磁波的重要特性。按照頻率的順序把這些電磁波排列起來，就是電磁波譜。如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及γ射線。
最重要的一點，大家要知道電磁波是一種能量，是一種物質！ 所以這也是我在上面總結光的全反射的時候說，絕對意義上的全反射是不存在的。
電磁波的能量大小由坡印廷向量決定，即S=E×H,其中s為坡印廷向量，E為電場強度，H為磁場強度。E、H、S彼此垂直構成右手螺旋關係；即由S代表單位時間流過與之垂直的單位面積的電磁能，單位是W/m2。
也就是說能量在運動和轉移的過程中，必然轉化和轉移，雖然總量保持不變，但這意味著，射入的光，和反射出的光之間不是等號。所以全反射不存在。
我們還需要對光譜的產生方式和產生本質進行瞭解：光譜按產生方式，可分為發射光譜、吸收光譜和散射光譜。
有的物體能自行發光，由它直接產生的光形成的光譜叫做發射光譜。
發射光譜可分為三種不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續光譜。線狀光譜主要產生於原子，由一些不連續的亮線組成；帶狀光譜主要產生于分子，由一些密集的某個波長範圍內的光組成；連續光譜則主要產生于白熾的固體、液體或高壓氣體受激發發射電磁輻射，由連續分佈的一切波長的光組成。
吸收光譜是指物質吸收光子，從低能級躍遷到高能級而產生的光譜。吸收光譜可是線狀譜或吸收帶。研究吸收光譜可瞭解原子、分子和其他許多物質的結構和運動狀態，以及它們同電磁場或粒子相互作用的情況。
當光照射到物質上時，會發生非彈性散射，在散射光中除有與激發光波長相同的彈性成分外，還有比激發光波長長的和短的成分，後一現象統稱為拉曼效應。這種現象於1928年由印度科學家拉曼所發現，因此這種產生新波長的光的散射被稱為拉曼散射，所產生的光譜被稱為拉曼光譜或拉曼散射光譜。
按產生本質，光譜可分為分子光譜與原子光譜。
在分子中，電子態的能量比振動態的能量大50～100倍，而振動態的能量又比轉動態的能量大50～100倍。因此在分子的電子態之間的躍遷中，總是伴隨著振動躍遷和轉動躍遷的，因而許多光譜線就密集在一起而形成分子光譜。因此，分子光譜又叫做帶狀光譜。
在原子中，當原子以某種方式從基態提升到較高的能態時，原子內部的能量增加了，原子中的部分電子提升到激發態，然而激發態都不能維持，在經歷很短的一段隨機的時間後，被激發的原子就會回到原來能量較低的狀態。
在原子中，被激發的電子在回到能量較低的軌道時釋放出一個光子，也就是說這些能量將被以光的形式發射出來，於是產生了原子的發射光譜，亦即原子光譜。因為這種原子能態的變化是非連續量子性的，所產生的光譜也由一些不連續的亮線所組成，所以原子光譜又被稱作線狀光譜。
回到我們的副標題，光的色散。雨後出現的彩虹，你知道是怎麼形成的嗎？答案就是“色散”。是太陽光沿著一定角度射入空氣中的水滴所引起的比較複雜的由折射和反射造成的一種色散現象。牛頓做的著名的“三棱鏡”實驗，證明了色散現象的存在。
牛頓是對這個現象做研究的第一個人。在1666年他最先利用三棱鏡觀察到光的色散，把白光分解為彩色光帶（光譜）。色散現象說明光在介質中的速度v=c/n（或折射率n）隨光的頻率f而變。光的色散證明了光具有波動性。
光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的頻率決定的，在可見光區域，紅光頻率最小，紫光的頻率最大，各種頻率的光在真空中傳播的速度都相同，約等於3.0×108m/s。但是不同頻率的單色光，在介質中傳播時由於與介質相互作用，傳播速度都比在真空中的速度小，並且速度的大小互不相同。
紅光速度快，紫光的傳播速度慢，因此介質對紅光的折射率小，對紫光的折率大。當不同色光以相同的入射角射到三棱鏡上，紅光發生的偏折最少，它在光譜中處在靠近頂角的一端。紫光的頻率大，在介質中的折射率大，在光譜中也就排列在最靠近棱鏡底邊的一端。
也就是說，光有複色光和單色光的區別。這種區別是我們看到不同顏色的區別，本質上眼睛的色覺細胞接收到不同頻率的可見光時，感覺到的顏色不同，顏色是不同頻率的光對色覺細胞的刺激而產生的。
由兩種或兩種以上的單色光組成的光（由兩種或兩種以上的頻率組成的光），稱為複色光。不能再分解的光（只有一種頻率），稱為單色光。
紅，綠，藍被稱為光的“三原色”，是因為自然界紅、綠、藍三種顏色是無法用其它顏色混合而成的，而其他顏色可以通過紅、綠、藍光的適當混合而得到的，因此紅、綠、藍三種顏色被稱為光的“三原色”。
大家想想，這意味著什麼？？
這意味著白色光這種電磁波是由7種電磁波“組合”而成。為何要將組合二字加上雙引號，是為了說明這種組合的神奇性。它可能是疊加方式，也可能是融合方式，總之是一件奇妙的事情。
但更奇妙是，在整個電磁波波普中，其實人眼可以的波普段是很小的。其他如x射線，伽馬射線我們並沒有聽說它們可以像白光一樣，也能分解出其他顏色的光。那就說明，它們本身就是“單色”的。但一般不能成為單色光，因為“光”一般指人眼可以看見的波普。
如果我們單單把這種情況看成是宇宙對人類的獨寵，就太大意了。色散的本質我們一般認為當複色光在介質介面上折射時，介質對不同波長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離。所以才分解成彩色光帶。
我們在研究光波的時候，我會發現經常會拿水波形象比喻光波的情況。但就色散而言，我們無法想像，7條單一的水波，匯成一條。顯然複色的光分解為單色的光的本質，從能量上來說，光量子個數相同，那麼振動頻率越大，波長越短，能量越高。
高頻區（高能輻射區）
其中包括x射線，γ射線和宇宙射線。他們是利用帶電粒子轟擊某些物質而產生的。這些輻射的特點是他們的量子能量高，當他們與物質相互作用時，波動性弱而粒子性強。
長波區（低能輻射區）
其中包括長波、無線電波和微波等最低頻率的輻射。它們由電子束管 配合電容、電感的共振結構來產生和接收的，也就是能量在電容和電感之間振盪而形成。它們與物質間的相互作用更多地表現為波動性。
中間區（中能輻射區）
其中包括紅外輻射、可見光和紫外輻射。這部分輻射產生于原子和分子的運動，在紅外區輻射主要產生于分子的轉動和振動；而在可見與紫外區輻射主要產生於電子在原子場中的躍遷。這部分輻射統稱為光輻射，這些輻射在與物質的相互作用中 ，顯示出波動和粒子雙重性。
現在我問大家一個問題：白色光可以分解為7種光，但白色光的能量等於這7種單色光的能量嗎？
我們知道電磁波的光子能量計算公式是：E=hv，這是是光子能量的大小運算式。h為普朗克常數，v為輻射電磁波的頻率。那麼電磁波的能量就是E=nhv。n光量子的個數。
然後根據頻率大的，能量大。我們可以知道紫光比白光能量大！ 這對嗎？？？？ 各位怎麼看？？
答案遠遠不是這麼簡單，各位。我在寫了《變化》的時候，發了一些章節在頭條上，有很多人罵我。但現在，我自己都想罵我自己。一個不精通高等數學的人科普物理，大腦還是真有不夠用的時候。現在就是這個時候了。看著上面麥克斯韋方程組，我只能通過別人翻譯的文字去理解。可是當我要計算一些想法的時候，我就被困住了。所以有時候我會想，霍金為什麼不寫這樣的詳細案例書籍呢。 就比如我現在這個困擾，霍金有沒有想到過。這個問題背後的深意究竟是什麼？
我在對自己提出的這個問題，進行了仔細的審閱之後，發現它可能是個偽命題。
白色光是可以分別出7中顏色的光譜，但這光譜叫彩色光帶。也就說這7種光還可以變回白色光。 彩色光帶和7條光線是不同的概念，也就是說白色光分解為7色光帶，光帶中的每種光，是和光帶是一個整體，無法分離。
這樣的話，能量的守恆就是完整的。如果像我上面所分析的，分解後7色光，按單個光那樣計算能量來和原來的白色光進行對比，竟然會得出能量不守恆的結論。
那就是說白色光所攜帶的能量，和光帶的能量是相同的【光帶能量加上傳播中損耗的能量等於白色光所攜帶的能量！】
強調建議現在的教課書，在高中和大學的時候，可以增加關於光的色散更加量子層面的描述和本質的探索。
另外大家要知道，光的三原色：紅，綠，藍。這三種光組合可以出現其他顏色的光，包括白光。
人的眼睛是根據所看見的光的波長來識別顏色的。可見光譜中的大部分顏色可以由三種基本色光按不同的比例混合而成，這三種基本色光的顏色就是紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三原色光。這三種光以相同的比例混合、且達到一定的強度，就呈現白色（白光）；若三種光的強度均為零，就是黑色（黑暗）。
我相信此刻，你看著這篇文章之後，腦中的問題遠遠比教科書中的答案多。這就是我要給你東西，我們對於光的研究，這些總以為是很清楚的，但事實上呢？？ 拉出來100個大學生，有幾個可以回答上面的問題？？ 這正好說明了，我有科普的必要。
摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》第五章。