Re: [請益] 關於光學問題=_=

[butterbread (徵愛吐槽快嘴)]

關於這個問題可以從兩個部分去著手，

第一為眼睛對光的反應，第二則為物體對光線的吸收與反射。

在此我專注於第一點的說明。

(1)眼睛的構造：

人的眼睛只能感受波長範圍在4000埃～7000埃的光波，因此將此波段的光稱為可見光。

波長比7000埃長的電磁波稱為紅外光，波長比4000埃短的電磁波則稱為紫外光。

波長比紫色光短的紫外線，以及更短的x射線等，該電波人眼不僅無法辨識，

甚至也會對人體造成相當程度的傷害；

而波長較長的紅外線、微波等，除非以特殊的電子儀器，否則眼睛也是無法作出判讀。

外來的光線經過眼角膜、瞳孔、水晶體、玻璃體等透明的構造，

會產生偏折而聚焦在視網膜上。

視網膜的色素層，經由光化學及光電反應  (見第(3)點的說明)，

刺激錐狀細胞及桿狀細胞，使光波轉變成電波。

此電波沿視神經傳入大腦，再由大腦辨識由眼球傳入的訊息，而將物體看出來。

其中，一般人眼中有三種不同的錐狀細胞，負責辨視色彩：

第一種主要感受紅色，它的最敏感點在6650埃左右；

第二種主要感受綠色，它的最敏感點在5350埃左右；

第三種主要感受藍色，其最敏感點在4450埃左右。

桿狀細胞只有一種，負責辨視明暗，其受到光線刺激的強度有一定的極限。

雖然在較暗的環境底下，可經由瞳孔的縮放來控制進入眼球的光量，

但光線強度若低於某一數值，桿狀細胞便無法作出反應。

當然，若進入眼球的光線強弱反差過大時，桿狀細胞亦無法同時作出正確的反應。

另一種情況是，當光線長時間的剌激，或快速閃爍，桿狀細胞亦無法作出正常的反應。

在兩種細胞的合作下，眼睛便能對「明暗」及「色彩」作出適當的反應。

(2)色彩感覺的產生

雖然只有三種能分辨不同波段(顏色)的細胞，

但是配合細胞感光的強弱，使我們能分辨多種顏色的光。

當不同波長的光進入眼睛時，就會給這三種細胞不同強度的刺激。

例如當一束波長6650埃的光線進入眼睛時，不僅可以被紅錐狀細胞接受，

其他錐狀細胞也可以產生一定強度的信號，只是紅色錐狀細胞所能感受的強度最強，

綠色錐狀細胞次之，藍色錐狀細胞最少，

所有這些信號的組合就是人眼能夠區分的顏色的總和。

而這訊號經視神經的進入大腦後，就產生一個紅色的反應。

若是有5800埃的光線射入眼睛，則紅色與綠色錐狀細胞對此光線大約有相同感受，

而藍色錐狀細胞則感受強度最弱，於是腦海中浮現黃色的影像。

最後，若同時有6000埃與5500埃的光束同時進入眼中，

則眼睛細胞和5800埃光線射入時有類似的感受，

於是腦海中也是出現黃色的影像。

因此我們可以說，人的眼睛基本上分不出來純的黃光(5800埃)和紅綠混合的黃光。

(3)光與感光細胞的交互作用

光是經由電磁波的形式傳遞能量，而電磁波是由電荷振動所產生的，

因此當光線照射到物質上的時候，會迫使物質上的電子開始振動，

也就是產生所謂的共振現象，

所以受光線照射的物質會如何反應，決定於入射光的頻率以及該物質內電子的固有頻率。

以玻璃為例來說明電子與光線的交互作用：

玻璃內電子的固有頻率與紫外光相近，所以當紫外光打在玻璃上時，狀況像是這樣：

～～～～～       |●       ●       ●|             ○

(我是紫外光)   (我們是玻璃內的電子三兄弟)   (我是麵包，搬椅子來看戲)

       ～～～～～|((((●)))●       ●|

               (電子會跟紫外光一起振動)

因為共振的關係，使得電子大哥振動的很劇烈，因此有機會跟二哥產生碰撞，

將能量轉變成熱能，

紫外光的能量便因此而散失，無法傳遞出去，所以玻璃對紫外光而言是不透明的。

(注意：上面的敘述有瑕疵，如果有高手發現的話，請鞭小力一點   ^^||||  )

而可見光打在玻璃上時，狀況像是這樣：

～～～            | ●       ●       ●|            ㊣

(我是可見光)    (我們是玻璃內的電子三兄弟)  (我是CCO，我是正妹不給你電話)

            ～～～|(●)      ●       ●|            (L)

       (電子大哥會跟可見光一起振動)      (我是L版，死亡筆記本原本要找我去拍)


                  |(●)～～～●       ●|            (B)

    (電子振動就會產生電磁波)  (我是B版，吃葡萄不吐葡萄皮，不吃葡萄倒吐葡萄皮)


                  |● ～～～(●)      ●|            (嫩)

                (電子二哥會跟可見光一起振動)  (我是小嫩，不要搶我的101推)

                  |●       (●)～～～●|               (蕾)

              (電子振動就會產生電磁波)  (我是Rebecca，其實我比較想當無敵鐵金剛)


如同接力賽一般，電子依序將光傳遞過去，

所以玻璃對於可見光而言是透明的，而且光在玻璃中的速度比較慢。


RmanR老師的猜測方向沒錯，因為人眼感光細胞內電子的固有頻率

與紅、綠、藍三種頻率的光相近，所以只對這三種顏色的光有反應。

但為何只對這三種顏色的光有反應，這部份的詳細資料我就查不到了，

或許目前的研究只停留在這裡而已。


參考資料：

1. http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/everydayPhysics/color.html

2. http://blog.xuite.net/jjpong/material/8802452

3. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%A2%9C%E8%89%B2

4. http://www.clinico.com.tw/eye1/eye12/eye126/I126b.htm

5. 觀念物理IV，作者：Paul G. Hewitt，天下文化出版

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→ RmanR:感謝麵包哥哥 讓我知道三個細胞決定顏色分辨的機制
→ RmanR:我原本以為只靠一種細胞的反應來辨識顏色