探尋光的色彩秘密
自西元前300年,人類便開始找尋『光』的秘密;光點亮了我們的生活,光讓我們有機會可以看見多彩繽紛的世界。1665 年,牛頓(沒錯,他就是聽說有被蘋果打到且熱衷於煉金術的偉大科學家)利用了三稜鏡把太陽光(俗稱的白光)分解成七彩的光線;有趣的是當牛頓把三稜鏡倒轉放在七彩光線後,又能夠把七彩光線結合變回白光。白色光是由不同顏色的光線所組成,這樣的概念就此便奠定下來,再後來數千年的發展中,且一直都被廣泛地運用在生活當中,加以變形。現在我們已經知道,白光或其他顏色的光線都可以很簡單的利用控制三個光原色—紅,綠,藍—的亮度去組合而成,就像我們在畫畫調色一般 。我們眼睛所看見東西的顏色,正代表著那個顏色的光線進入了我們的眼睛。
(From: Wikipedia)
從路面上的七彩油漬,到小朋友最喜愛的泡泡,除了帶給我們美麗的色彩外,裡面還蘊含著有趣且實用的物理原理。
(Photo Credit: John, from Wikimedia)
肥皂泡泡(www.conanthebubbleman.com/interference.shtml)
不論是地面上的油漬還是肥皂泡泡基本上都是由層層的薄膜所組成,光線從一個物質(如:空氣)進到另一個物質(例如:水),在兩個物質的交界面會產生我們都很熟悉的反射(B光線)跟折射(A光線)的現象,而折射的光線(A光線)有可能又會因為到達第二個交界面時被反射,並再次穿透第一個介面;這時候A與B光線會再次組合成C光線。
(From: Wikipedia)
由圖中可以看出組合後的C光線只少有兩種可能性,當發生建設性干涉時,代表C光線的能量最大(光最亮);當發生破壞性干涉時,C光線的能量最小(光最暗),因此可以猜想得到,我們會有機會看到明暗條紋出現;但除此之外,C光線的顏色也會同時被決定,換而言之,當C光線是紅色時,但代表A與B中的紅色光可以相互產生建設性干涉(會有最強的亮度)。所以,地面上的彩色油漬,泡泡膜上的每一個顏色都可以反映出薄膜的厚度,這個現象我們稱為『薄膜干涉現象』。
(From: Wikipedia)
利用『薄膜干涉』的原理,我們可以在玻璃面鍍上單層或多層的薄膜來控制反射光或者穿透光線的顏色,也就是讓特定顏色的光線產生建設性干涉,其他顏色的光產生破壞性干涉。
賽先生科學工廠所推出的X cube就是利用上面所說的薄膜干涉原理製作而成。為什麼叫做X cube呢?我們可以從它的結構來看。X cube是由兩個直角三稜鏡組成,在兩個三稜鏡的斜邊上分別鍍上可以反射紅色光及藍色光的薄膜,所以當由三原色光的白光入射X cube時,紅色光在碰到 ■ 的薄膜時,反射的方向會發生建設性干涉,而藍色光在碰到 ■ 的薄膜時,反射的方向會發生建設性干涉,所做透過交錯式(X結構)的薄膜時,就可以把三原色光分成三個方向分別出射。
X cube的構造與分光。
X cube的結構是由Nikon公司在1997年所提出的專利,主要就是希望可以用在投影機設備上面,讓投影機可以產生出漂亮的畫面色彩,所以如果手邊有壞掉的投影機,可以拆開來看看裡面是不是有一顆小小的 X cube存在喔。另外,我們也可以試著把X cube吊掛在窗邊,隨者太陽的升起降落,我們可以在房間中創造出不同時間的彩色光影變化,是否也非常美麗呢?
其他跟光色彩有關係的小道具:
七彩炫光機:https://www.mr-sai.com/products/七彩炫光機
太陽能彩虹製造機:https://www.mr-sai.com/products/太陽能彩虹製造機-吊掛式