浅析自然现象中的光学原理

我们生活在旖旎多姿的大自然中,因为阳光、水,使地球呈现出如此美不胜收的自然景观,奇异的日食、蔚蓝的天空、红色的落日、绚丽的霞光、美妙的彩虹、神秘的海市蜃楼,勾起人们几多美好遐想,激起心中多少诗情画意,塑造出无数古老、动人的传说。揭示这些自然现象的奥秘,则往往与光的传播以及光与介质相互作用的规律是分不开的。现举例说明。　　

一、蓝天、白云、红日　　

科学研究表明,地球大气中充满了尘埃和其他悬浮微粒,大气并非完全透明。蓝天、白云、红日其实都是太阳光被大气散射的结果,当阳光进入地球的大气层后,空气和水蒸气的分子吸收部分阳光,再向四面八方辐射,这种现象称为散射。具体到某一个大气分子来说,其内部电荷会在太阳光束中的电场作用下振动起来,从而产生某些与原阳光方向不同的散射光,使原光束的能量进一步衰减。由于大气分子的固有频率一般位于光谱的紫外区频率范围,而可见光中除了蓝光、紫光的频率接近这个固有频率外,其他单色光的频率都相对小得多,所以,通过大气的阳光中只有蓝光和紫光引起的大气分子电荷的受迫振动的振幅最大,蓝光、紫光要比其他可见光散射得强烈。大气散射光的颜色是蓝色的,这就是晴空之所以呈蔚蓝色的原因。由此不难想像,如果地球周围没有大气的话,也就没有大气对直线传播的阳光产生散射,那么,在白天除了我们直视太阳之外,不会从天空中接收到一点光线,此时的天空就像夜晚一样群星闪烁、漆黑一团。　　

在晴朗的早晨和傍晚,阳光几乎平行于地平面,如图1所示。阳光要穿过很厚的大气层才能到达地面上的观察者眼里,这时阳光中的蓝光和紫光受到最强烈的散射,加之地面附近的雾珠、尘埃对散射的加强,所以,散射去大部分蓝光和紫光后,看起来太阳是红色的。到了正午,阳光通过的大气要相对薄一些,且空气中的水分减少,大气对阳光的散射相对较弱,故太阳呈白色。同样道理,早晨和傍晚,散去大部分蓝光和紫光的阳光照射到朵朵云块上,再从云块和云块之间透射下来便出现了红色的、桔黄色的彩云和霞光。但是在阴天,由于浑浊的大气和云层中有许多悬浮颗粒,它对所有波长的阳光都有较强的散射作用,所以,天空呈灰白色。

二、虹霓现象　　

“赤橙黄绿青蓝紫,谁持彩练在人间”,虹霓现象是大气中的水滴对阳光折射、色散和全反射所产生的综合效应。当雨后初晴条件具备时,我们背对着太阳可以看到天空中有两个弓形的环形。里面的叫虹,它比较明亮,外侧为红色,内侧为紫色;外面的叫霓,它颜色较淡,且颜色的排列次序恰好与虹相反。若是在飞行的飞机上观察,虹和霓可能是完整的圆环,圆心位于观察者的阴影方向上。　　

水平射来的阳光投射到大气中的某一雨滴上时,会发生多次反射和折射,光线越来越暗,其中跟虹有关的是第三次折射,与霓有关的是第四次折射。法国科学家笛卡儿对其中的数千条光线做细致的分析和计算后证明:如果某种颜色的光入射到一点其偏向最大,那么,与之颜色相同的所有其他光线只要投射到雨滴上此点的附近,它们的光路就与前者极为相近。因此,每一种颜色的光都按这种颜色的最大偏向方向强烈地出射。在太阳光中,如图2所示,红光的最大偏向角是138°,紫光的最大偏向角是140°;其他色光的偏向角介于两者之间。