煙火顏色五彩繽紛是因為不同種類的金屬粉末在受高熱氧化後,會發出代表各自「氣體身分證」的特有顏色。

光讓世界變彩色

【科學Easy Learn】光讓世界變彩色 文/李名揚(2008/05)


蘋果綠、象牙白、酒紅、水藍……世界上的顏色千百種,人的眼睛如何能分辨這麼多種不同的顏色?電視畫面生動鮮豔,彩色圖書豐富華麗,人類又是如何製造出這麼多種不同的顏色?

顏色的源起是光,但又不絕對由光決定顏色,因為光必須經由人的眼睛接收後,經過大腦的認知處理,才會成為所謂的「顏色」。

光是電磁波的一種,人的眼睛只能看到波長介於約380~780奈米之間的電磁波,所以這段波長範圍的電磁波稱為「可見光」。例如太陽光就包含了所有頻譜的可見光,當太陽光經過空氣中水滴的反射和折射,因為不同波長的光折射率不同,所以白光中的各種色光就分開來,形成彩虹的「紅橙黃綠藍靛紫」,也就是波長由長到短的可見光(紅光波長最長,紫光波長最短)。

可見光有兩種來源,一種是發光物直接發出的光,例如太陽光、燈光、火焰,另一種則是不會發光的物體所反射的光線,我們的眼睛接收到的可見光,大多數都是由物體反射而來。

人的眼睛能看到可見光,是因為眼睛的感光細胞中,有能接受可見光頻段電磁波的三種錐細胞,分別負責感受紅、綠、藍三種顏色,但不是只能接受紅、綠、藍三色光,而是這三種錐細胞接收可見光的範圍,分別以紅、綠、藍為主。眼睛接收光波後,會把訊號傳給大腦,以產生視覺。

被眼睛騙了

當眼睛接收到不同波長(即不同顏色)的可見光時,神經系統會把錐細胞接收到的訊號組合起來,成為我們大腦認知的顏色;例如當我們的眼睛看到合在一起的紅光和綠光時,我們會以為看到了黃光,其實是被自己的眼睛騙了,我們不論看到「真正的黃光」或是「紅光和綠光混合」,都會以為自己看到黃光。

以人工製造色光時,就是利用大腦這種「會自動組合色光」的特性,只要將三種色光依適當比例組合,就會讓我們以為看到了各種色彩。這三種色光就是常聽到的「光的三原色:紅(red, R)、綠(green, G)、藍(blue, B)」,和我們的三種錐細胞主要能辨別的色彩一樣,三種色光合起來就是白光(white, W)。

若兩種光混在一起後呈現白色,我們稱這兩種光「互補」,例如紅光和青光(cyan, C)混合後成為白色,就代表紅光和青光互補;由於紅、綠、藍三色光合起來也會成為白色,因此很顯然地,青光就是紅光以外另兩種原色光綠光和藍光的混合。同樣地,綠光的互補色洋紅色光(magenta, M)是紅光和藍光的混合,而藍光的互補色黃光(yellow, Y)則是紅光和綠光的混合。

不會發光的物體所形成的顏色,正好和發光物形成顏色的原理相反,它不會自己發出某種顏色的光,而是吸收了某些顏色的光後,將其他的光反射出來。若以白光照射一個物體,它只把綠光反射出來,而吸收了其他顏色的光,那看起來就是綠色的;但若用紅光照射這個物體,因為紅光會被吸收,沒有光反射出來,看起來就變成黑色。

光的三原色稱為「加的三原色」,因為看到的顏色是由不同色光相加所得到的結果;而不發光物體(例如顏料)的三原色是青、洋紅、黃,稱為「減的三原色」,也就是加的三原色紅、綠、藍的互補色。

為什麼稱做「減的三原色」?若用以紅、綠、藍三色光合成的白光照射青色顏料,青色顏料會把白光中的紅光(青的互補色)吸收,而把綠色和藍色反射出來,合起來眼睛就看到青色;若把青色和洋紅色顏料混合,青色顏料會吸收紅色,洋紅色顏料會吸收綠色(洋紅色的互補色),結果只把剩下來的藍色反射出來,所以青色和洋紅色顏料混合後會呈現藍色,是因為白色中的紅色和綠色被「減」掉的緣故。

若把青、洋紅、黃三色的顏料合起來,由於紅、綠、藍光都被吸收了,沒有光線能反射出來,所以看起來就呈現黑色。

電子躍遷產生顏色

為什麼不同的物體會反射不同顏色的光?中山大學化學系退休教授余岳川指出,關鍵在於物體的原子或分子結構。分子由原子組成,原子分為原子核和繞核電子,每個電子在原子中有一定的軌域和能量,稱為「基態」;當電子吸收一特定能量後,會從原本的能階跳到一個能量較高的能階,也就是從原本的軌域跳到具有較高能量的軌域,稱為「躍遷」,此時的電子處於「激發態」。

不同顏色的可見光是具有不同波長的電磁波,其光子具有不同能量,光子能量與波長成反比:波長越長的光,單一光子具有的能量越低。

構成特定物質的原子或分子,其電子只能吸收某幾種特定能量的光子(能量必須正好等於高、低能階的能量差),也就是說,物質只會吸收特定幾種波長的光,不被吸收的光子就會穿透或反射,成為我們看到的物質顏色。

當這種物質吸收了具有特定能量的光子(特定波長的光)後,電子會躍遷到較高能階,但所有物質都有一共同的特性,就是趨向最低能量的狀態,因此這多出來的能量會以不同形式例如發熱或是使化學鍵斷裂,將能量消耗掉,電子則回到較低能階。

但有些物質的電子不會回到原來能階,若電子是以放出光子的形式來將能量消耗掉,當它跳到另一不同的較低能階時,其所放出的光子,會和所吸收的光子具有不同能量,這種物質就會發出和原來不同的色光,就是螢光。

螢光最常見的例子是日光燈。日光燈管中有水銀蒸氣,兩端放電,高速電子撞擊水銀蒸氣,使水銀原子的電子躍遷到較高能階,當這些電子跳回原來能階時,會發出紫外光;紫外光再照射到塗在燈管內壁的螢光物質,螢光物質的電子吸收紫外光光子躍遷到較高能階又跳回較低能階時,會放出可見光光子。由於日光燈管內壁所塗的螢光物質是由多種會放出不同波長可見光的螢光物質混合而成,因此放出來的光合起來會變成白光。

會在黑暗中持續發亮的燐光(即俗稱冷光),其實也屬於螢光的一種,只是這些物質在吸收光能使電子躍遷到較高能階後,全部電子並不會同時往下跳到較低能階並放出光子,而會暫時留在激發態,然後陸續跳到較低能階,持續一段時間,所以這種螢光會比較暗,但可維持發亮一陣子。

室溫下的金屬不會發光,但以白光照射時,多會呈現銀白色的光澤,這種反射也涉及電子躍遷。余岳川表示,金屬不像非金屬只會吸收某一特定波段的光,而將其他光反射出來,因為金屬的電子並非固定在某一固定能階,而是存在於涵蓋一段能量範圍的「價帶」;當電子吸收光子而向上躍遷時,並非從原本所在的能階躍遷到另一能階,而是從價帶躍遷到一能量範圍很寬的「傳導帶」。

由於價帶與傳導帶都有一段寬度,因此電子並非只能吸收特定波長的光才會向上躍遷,而會吸收各種波長的光;但因金屬是電的良導體,價帶與傳導帶的能隙幾乎等於0,電子可在價帶與傳導帶間自由流動,因此傳導帶的電子又會馬上向下躍遷,回到價帶,並放出光子。由於放出的光包含各種波長的光,因此會顯出銀白色光澤。

至於有些金屬例如黃金、青銅的光澤並非銀白色,是因為這些金屬會吸收某些波長的光,而只反射其他波長的光,結果就會呈現出特定顏色了。

高熱造成發光

除了被動反射光線外,物質受熱後也會主動發光。當氣體原子或分子之間彼此作用力很小的時候(即並非處於密度很大的狀態),個別原子或分子受熱後,電子會向上躍遷到較高能階,然後向下躍遷並放出光子。由於每一種原子或分子的電子能階是固定的,所以電子躍遷只有固定的幾條路徑,放出的光子只有固定那幾種,呈現出的顏色也就是固定那幾種;人眼只會看見這些顏色混合而成的單一顏色,但光譜儀可以將這些顏色分辨出來。由於每種氣體都有自己獨特的光譜,所以光譜可以當成是氣體的「身分證」。

但若物質原子或分子間的束縛力很強(例如固體、液體或一團密度很高的氣體),則受熱發光的原理就不是電子躍遷,而是因原子或分子的原子核和電子受熱產生振動,原子核和電子分別帶正電和負電,帶電物質振動會產生電磁波,若這電磁波波長正好落在可見光的波長範圍,就發光了。

任何溫度在絕對溫度0度(0K)以上的物體都會因原子核和電子的振動而放出電磁波,電磁波波長只與物體表面的溫度有關,而與物體的種類無關。人體在室溫時放出的電磁波為紅外光,所以我們的眼睛看不到人體發光,但靠近別人時,會感覺到體溫(就是人體發出的紅外光),而且用紅外線夜視鏡也可看到人影;溫度升高時,電磁波波長越來越短,到1000K時,電磁波開始進入可見光範圍,物體表面發出暗紅色的光;白熾燈的色溫約2400~2900K,呈明亮的黃色;到了10000K,電磁波已偏移到以紫外光為主,此時肉眼看到的光以藍光為主,這就是天文學家用來辨識恆星表面溫度的方法,越紅的星光溫度越低,越藍的溫度越高。

顏色的科技

人類早在幾千年前就開始追逐顏色,最早是利用天然物的特有顏色來為布料染色,或是為臉部上妝;各種顏色的煙火出現於宋朝,原理是不同金屬原子在受高熱氣化後,會發出「氣體身分證」的獨特顏色;到了元朝,彩色印刷術問世。

現代彩色印刷或電腦列印用的油墨是四色,除了「減的三原色」青、洋紅、黃之外,還加了黑色,這是因為目前的技術無法製造出完全標準的青、洋紅、黃三色,所以不但不能印出所有顏色,也沒辦法印出純黑色,才另加黑色油墨。

印刷時是將四種顏色的油墨,以「網點」(細微小點)的形式分四次印到紙張上,由於網點非常小,肉眼無法分辨(肉眼大約只能分辨一公分長度內的40條線),四種顏色的網點依一定密度、規律排列,混合後看起來就好像某一種顏色。

現代科技的彩色螢幕顯像技術也很類似,每個微細點(像素)都會發出紅、綠、藍三色光(加的三原色),三種色光強度不同,人眼看起來就混合成某種單一顏色;當一個像素完全不發光時,就呈現黑色。

印刷或彩色螢幕顯像時,必須巧妙運用色彩的三個屬性:色相(hue)、明度(brightness)、彩度(saturation),才能讓觀看者最有感覺。色相就是「色彩的相貌」,也就是區別不同色彩的名稱,如紅、橙、黃、綠、象牙白、祖母綠、檸檬黃等都是不同的色相。

不同色相會給人不同感覺,藍綠色為「冷色」,給人冷靜、後退、重量輕、收縮、消極、密度低的感覺,黃橙色為「暖色」,給人溫馨、衝動、前進、重量重、膨脹、積極、密度高的感覺。

明度就是「色彩的明暗程度」,在無色彩中以白色明度最高,黑色明度最低,任何顏色若加入白色調合就會提高明度,反之若加入黑色調合則會降低明度。在不同色相中,以黃色明度最高,紫色最低。高明度的色彩會使人感覺快活、輕柔,低明度則感覺樸素、沉默。

彩度是指色彩的鮮豔度、純粹度或飽和度,任何色彩的純色都是彩度最高的顏色,若加入白色,雖然明度提高,但因該色彩被白色稀釋,彩度也就下降。

科技不斷進步,各種螢幕顯示、電腦列印技術越來越進步,但和天然美景比起來,總沒有辦法做到完全一樣,因為從380~780奈米,每一種不同波長的光,都代表一種不同的顏色,而人類的科技還沒辦法用有限種類的人工色光或顏料組合出全部的顏色,這也是資訊、家電大廠不斷努力研究的目標。

 

 

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