阳光穿过棱镜为何会色散？揭秘光的折射与波长差异造就的彩虹原理

阳光穿过棱镜时发生色散，形成彩虹般的彩色光谱，这是由光的折射和不同颜色光（波长）在介质中传播速度的差异共同作用的结果。以下是详细的原理揭秘：

核心原理：光的折射 + 波长依赖的折射率

光的折射：

• 当光从一种介质（如空气）斜射入另一种密度不同的透明介质（如玻璃棱镜）时，它的传播方向会发生改变，这种现象称为折射。
• 折射发生的原因是光在不同介质中的传播速度不同。光在真空中最快，在空气中稍慢，在玻璃、水中更慢。
• 折射的程度（偏折角度）取决于两个因素：
  • 入射角： 光线射入介质表面的角度。
  • 介质对光的折射率 (n): 折射率定义为 n = c / v，其中 c 是真空中的光速，v 是光在该介质中的速度。折射率越大，光在该介质中传播越慢，折射时偏折得越厉害。

色散的关键：折射率依赖于光的波长（颜色）：

• 这是色散发生的核心原因。同一种透明介质（如玻璃），对不同波长（颜色）的光具有不同的折射率 (n)。
• 一般来说，在可见光范围内：
  • 波长较短的光（如紫光、蓝光）在介质中传播时速度降低得更多，因此折射率 (n) 更大。
  • 波长较长的光（如红光、橙光）在介质中传播时速度降低得较少，因此折射率 (n) 较小。
• 简单记忆：紫光偏折强，红光偏折弱。

棱镜中的色散过程：

第一次折射（空气 -> 玻璃）：

• 阳光（白光）斜射入棱镜的第一个界面。
• 白光是由不同波长（颜色）的光混合组成的。
• 由于玻璃对不同波长的光折射率不同：
  • 紫光（短波长，n 大）偏折角度最大。
  • 红光（长波长，n 小）偏折角度最小。
  • 其他颜色的光（橙、黄、绿、青、蓝）偏折角度介于两者之间。
• 在进入玻璃的瞬间，不同颜色的光已经开始轻微地分开了。

在玻璃内部传播：

• 不同颜色的光在玻璃内部沿着略微不同的方向直线传播。由于第一次折射产生的角度差异很小，它们大致还是平行或汇聚的，但路径已经不同。

第二次折射（玻璃 -> 空气）：

• 当这些不同颜色的光线到达棱镜的第二个界面（准备射出棱镜进入空气）时，它们再次发生折射。
• 这次是从玻璃（光速慢）进入空气（光速快）。
• 同样因为折射率依赖于波长：
  • 紫光（n 大，在玻璃中更慢）射出时，偏折角度依然最大。
  • 红光（n 小，在玻璃中相对快）射出时，偏折角度依然最小。
• 第二次折射放大了第一次折射产生的分离效果。当光线最终离开棱镜时，不同颜色的光已经被明显地分开，按照波长（或频率）的顺序排列开来，形成了从红到紫的连续彩色光谱。

图解总结： 白光 -> [进入棱镜界面：第一次折射，不同色光开始分离] -> [在玻璃中传播：色光路径已分开] -> [离开棱镜界面：第二次折射，色光分离被显著放大] -> 出射的彩色光谱（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）。

与彩虹的联系：

彩虹的形成原理与棱镜色散本质相同，都是折射 + 波长依赖的折射率 + 反射共同作用的结果。

水滴的作用： 雨后的空气中悬浮着无数微小的球形水滴，它们相当于一个个微型棱镜。 过程：

• 阳光射入水滴时发生折射（第一次折射），不同色光开始分离。
• 分离后的色光在水滴内部的后壁发生全反射（或一次、两次反射）。
• 反射后的色光在水滴前表面再次发生折射（第二次折射）射出水滴。

色散结果： 第二次折射同样放大了色散效果。对于特定角度的观察者，来自不同水滴的、特定颜色的光会汇聚到眼中，形成以太阳的相反方向为中心的彩色圆弧。红光在上（折射率小，偏折弱），紫光在下（折射率大，偏折强）。

关键结论：

阳光穿过棱镜发生色散的根本原因在于：组成白光的各色光在透明介质（如玻璃）中具有不同的传播速度，导致它们的折射率不同。 当白光在棱镜的两个界面上发生两次折射时，这种折射率的差异被放大，最终将混合的白光分解成按波长（颜色）排列的连续光谱。彩虹则是自然界中水滴对阳光进行类似折射、反射和色散的宏大展现。