自孩童时起，

我们便用手中的蜡笔，

(资料图)

去描绘这个多彩的世界。

春日园中盛放的花朵、

夏日雨后高挂的彩虹、

秋日田间金黄的麦穗、

冬日枝头洁白的雾凇……

图2牛顿三棱镜色散实验

太阳光正是这样的一束光，它包含了可见光波段的几乎（注意是几乎！）所有波长的光。于是，便有了我们耳熟能详的牛顿三棱镜色散实验——用三棱镜将阳光分解成不同色光。然而，这个实验已经被我们的大自然无数次做过，实验结果便是那一道道象征着美好的彩虹，以及我们不经常提起的霓与晕。

图4虹与霓|图片源自[1]

如果阳光穿过的不是小水滴，而是在高空云层中的小冰晶，也会经过类似的折射形成彩色的光环，称为日晕。

图5日晕

讲到这里，我们可能产生了一种想法：只要是七彩的便是色散现象的结果。可惜，事情并不这样简单。

02彩虹色并非色散独有

如果你经常刷各个平台的文章或视频，很可能看过“七彩祥云”的报道。这种彩云的成因是光的衍射现象。

图6七彩祥云

光具有波动性，当它经过与其波长相当甚至更小的物体时，可以改变原来的直线传播方向从而绕转到遮挡物的背后，称为衍射。比如日光在经过小水滴时就可能发生衍射现象。这种行为在定量上是与波长有关的，因此不同波长的光如果遇到了同一水滴，其衍射行为存在差异，因此也会起到区分的效果。彩云的形成原理便是日光通过云层时由于在小水滴周围发生衍射而呈现出七彩的颜色。

图8可见光光谱

光谱的概念正源自色散。当复色光（即多种波长的混合光）经过色散系统后得到不同波长的光，再将这些光按照波长顺序排列就形成了光谱。最完整的光谱应该指电磁波谱，而可见光谱对应着其中人眼可看见的部分。

图9太阳光谱

按照这样的思路，我们自然可以将太阳光的不同波长的组分排列起来形成光谱，并称为太阳光谱。上图就是这样得到的太阳光谱。可是……为什么很多波长的位置是“暗线”？这意味着太阳光丢失了一些特定波长的光！如果我们相信太阳发出的光是连续的，那么有一种可能就是，这些特定频率的光被阳光传播路径上的某些物质吸收掉了。

图10能级跃迁示意

根据当今量子物理的理论，我们认为每个原子的核外电子都具有不同的能级。电子可以吸收特定频率的光而跃迁到更高能量的能级，也可以发射出特定频率的光从而跃迁到更低能量的轨道。对于原子组成的分子，也同样具有类似的能级概念，称为分子轨道。需要强调的是，每种不同的原子或者分子的轨道能量是有独特性的，而吸收或者发出的光的频率也是有特征性的，因此我们可以通过检测它吸收或者发出了什么频率的光来确定原子或者分子的类型。

图12红宝石

再进一步想，假设有一种透明的材料，那么太阳光会先经过该物质的内部而后到达人眼。该物体的颜色取决于什么呢？如果某个波长被吸收了，那么就到不了人眼；如果某个波长的光被发射出来，那么就可以到达人眼。综合这两种效应，诸如宝石这种透明的材料，其颜色正是取决于发射光（若有）与非吸收光的叠加。比如红宝石可以吸收蓝绿光、紫光而不吸收红光以及部分蓝光，因此呈现红色或紫红色。

图14蓝天、白云与太阳

散射现象是指传播中的辐射（如光线）受到局部的作用而改变直线轨迹的行为，局部作用被称为散射中心。如果形象点说，传播中的辐射就像足球，当它与某个物体发生碰撞（如撞在球门上）就会改变路线。散射有很多种，其中包括瑞利散射和米氏散射等。

图15阳光散射示意

瑞利散射的特征是，强度与光的频率f的四次方成正比，这意味着频率高的蓝紫光的散射会显著高于频率低的红光。阳光穿过大气层时，会发生瑞利散射，频率较低的红光会基本沿直线传播，而频率较高的蓝紫光会被散射向四面八方。我们看向天空相当于并不直视太阳，因此看到的会是被散射的部分，应为蓝紫光。又由于紫光易被大气吸收，很难到达人眼，这就解释了为何天空是蓝色。

图20叶片主要成分对光的吸收

折射与色散、衍射与散射、吸收与发射、透射与反射，正是这样丰富的光学现象使我们的世界变得绚烂多彩。于是，我们无论何时何地看向任何一个方向，几乎都能感受到颜色带给我们的震撼或温度。

--《中科院物理所》