牛顿研究光的色散
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牛顿研究光的色散
牛顿是
一位科学巨匠。他不仅在力学上有伟大的成就，在数学、天文学、化学以至光学上
都有杰
出的贡献。
单就光学方面的工作，
就足以被后人敬为科学上的伟
人。
和力学方面的综合工
作不同，牛顿在光学方面的工作多是奠
基性的实验研究，其中尤以色散的研究最为突出。
色散现象的早期研究
色散也是一个古老的课题，最引人
注目的是彩虹现象。早在
13
世纪，科学家就对彩虹的
成因进行了探讨。德国有一位传教士叫西奥多里克（
Theodoric
）
，
曾在实验中模仿天上的彩虹。
他用阳光照射装满水的大玻璃球壳，
观察到了和空中一样的彩虹，<
/p>
以此说明彩虹是由于空气中水
珠反射和折射阳光造成的现象。
不过，
他的进一步解释没有摆脱亚里士多德的教义，
继续认为各
种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。
光的四种颜色：
红、
黄、
绿、
蓝，
处于白与黑之间，
红色接近白色，比较明
亮，蓝色接近黑色，比较昏暗。阳光进入媒质（例如水），从表面区域折
射回来的是红色
或黄色，
从深部折射回来的是绿色或蓝色。
雨后天空中充满水珠
，
阳光进入水珠
再折射回来，人们就看到色彩嫔纷的景象。
笛卡儿对彩虹现象也有兴趣，他用实验
检验西奥多里克的论述。在他的《方法论》（
1637
年）中还
有一篇附录，专门讨论彩虹，并且介绍了他自己做过的棱镜实验，如图
4-7
。他用三棱
镜将阳光折射后投在屏上，
发现彩色的
产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成。
因为不论光照
在棱镜
的那一部位，折射后屏上的图象都是一样的。遗憾的是，
笛卡儿的屏离棱镜太近
（大概只
有几厘米），他没有看到色散后的整个光谱，只注意到光带的两
侧分别呈现蓝色和红色。
1648
年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是浓缩了
的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各
种
不同的颜色。
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世纪正当望远镜、显微镜问世
，伽利略运用望远镜观察天体星辰，胡克用显微镜观察
微小物体，激起了广大科学界的兴
趣。
然而，当放大倍数增大时，
这些仪器不可避免地都会出现<
/p>
象差和色差，
使人们深感迷惑。
人们不理
解，
为什么在图象的边缘总会出现颜色？这和彩虹有没
有共同之
处？这类现象有什么规律性？怎样才能消除？
这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗（
I
saac
Barrow
，
1630<
/p>
—
1677
），对光学很有研究。牛顿听
过他讲光学，还帮他编写《光学讲义》。牛顿很喜欢做
光学实验，
还亲自动手磨制透镜，
想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。
这个愿望
激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨。
牛顿对色散现象的思考
牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过：“运动慢的光线比运动快的< p>
光线折射得更厉害，
”
胡克描述过肥皂泡的颜色变
化，
认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的
不同印象。
红色和蓝色是原色，
其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。
牛顿注意到这些说
法的合理成分，同时也提出许多疑问。
在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问和思考，
例
< br>如，他问道：
如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？
为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快？
为什么水比水蒸汽更清晰？
为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？
牛顿不满意前人（包括他的老师）对光现象的解释，就自己动
手做起了一系列实验。
牛顿的色散实验
< br>牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发，又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充
< br>满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约
60
厘米，玻意
耳把棱镜散射的光投到
1
米多高的天花
板上，而牛顿则将距离扩展为
6
—
7<
/p>
米，从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面
的墙上
。这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。牛顿高
明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能，
只有拉长距离才能分解
开不同
折射角的光线。
为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能，牛顿用棱镜做了如下的实验。
如图
4
－<
/p>
8
，
在一张黑纸上画一条线
opq
，
半边
op
为深蓝色，
半边
pq
为
深红色，
经棱镜
adf
观看，
只见这根线好象折断了似的，
分界处正是红蓝之交，
蓝色部分
rs
比红色部分
st
更靠近棱
脊
ab
。
可见蓝光比红光受到更大的折射。
为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同
颜色具有不同的折射性，牛顿又做了一个实验。
他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不一
样，如图
4
－
9
。倘若颜色的
分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性，
那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散
性。
可是实验结
果是，
原来分散的各种颜色，
经过第二个棱镜后又还原成白光，
形状和原来一样。
再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色。由此
证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，
又可
使不同成分合
成为白光。
牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。
他预料会遭到科学界的反
对，于是又做了一个很有说服力的实验。牛顿把这个实验称为“
判决性实验”，如图
4
－
10
。
他拿两块木板，
一块
DE
放在窗口
F
紧贴棱镜
ABC
处，
光从
S
平行进入
F
后经棱镜折射穿过
小孔
G
，各种颜色以不同的角度射向另一块木板
de
。
de
离
DE
约
4
米远，板上也开有小孔
g
，在
g
后面也放有一块三棱镜
abc
，使穿过的光再折射后抵达墙壁
MN
。
牛顿手
持第一块棱镜
ABC
，缓缓绕其轴旋转，这样使第二块木板上的
不同颜色的光相继穿
过
g
到达三棱镜<
/p>
abc
。实验结果是：被第一块棱镜折射得最厉害的紫光，经第二
块棱镜也偏折得
最多。由此可见，白光确是由折射性能不同的光组成。
< br>
在色散实验的基础上，牛顿总结出了几条规律，即：
1.
光线随其折射率不同，色也不同
。色不是光的变态，而是光线原来的、固有的属性。