可见光

物理学

kě jiàn guāng

可见光是电磁波谱中人眼能够探测到的狭窄波段,从红色(约700纳米)到紫色(约400纳米)。

Visualization

Definition

可见光是眼睛能看见的光,由彩虹的所有颜色混合而成:红、橙、黄、绿、蓝、紫,物体本身并没有颜色:一个红苹果之所以看起来是红色,是因为它把红光反射回眼睛,而把其他颜色都吸收了。它是电磁波谱中人眼可以探测到的部分,波长约从 $400\ \text{nm}$(紫色)到 $700\ \text{nm}$(红色),白光是它们全部混合在一起,像所有电磁波一样,在真空中以 $3.00 \times 10^8\ \text{m/s}$ 传播。可见光跨越大约 $1.8$ 到 $3.1\ \text{eV}$ 的光子能量,这正是太阳 $5{,}800\ \text{K}$ 黑体光谱的峰值所在,也是地球大气层透明的波段,考虑到眼睛正是为此演化而来,这并非巧合;在折射率为 $n$ 的介质中,光会减速到 $c/n$,波长缩短为 $\lambda/n$,而频率保持不变,由于 $n$ 随波长变化,棱镜才能把颜色分开,色彩的感知源自三种视锥细胞重叠的敏感度,这使得大多数被感知的颜色都是多种波长的混合,而非单一波长。

Example

阳光看起来是白色的,但一个棱镜或一场阵雨会把它散开成一道彩虹,显露出隐藏在其中的所有颜色;波长 $700\ \text{nm}$ 的红光频率为 $f = c/\lambda = 3.00 \times 10^8 / 7.0 \times 10^{-7} \approx 4.3 \times 10^{14}\ \text{Hz}$,而 $400\ \text{nm}$ 的紫光频率为 $7.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$,几乎是两倍,因此可见光波段的宽度接近一个倍频程。维恩定律给出太阳光谱峰值 $\lambda_{\max} = 2.90 \times 10^{-3}/5800 \approx 500\ \text{nm}$,正好落在绿色区域,而阳光进入玻璃($n = 1.52$)后减速到 $1.97 \times 10^8\ \text{m/s}$,使 $500\ \text{nm}$ 的光在玻璃内部缩短为 $329\ \text{nm}$,尽管它出射时仍被感知为绿色,因为频率从未改变。

Key Insight

蜜蜂能看见紫外线,一些蛇能感知红外线,因此"可见"描述的是人眼,而不是光本身,因为光谱并不在乎人类恰好在哪里停止了看见。太阳看起来并不是绿色的,尽管它的光谱峰值恰好在绿色区域,因为它在整个可见光波段都强烈辐射,眼睛把这种混合积分感知为白色;一颗真正看起来是绿色的恒星,需要一种任何黑体都无法产生的光谱。