第1个回答 2010-10-07
牛顿对光的色散的实验探索与理论研究
（1）设计并进行三棱镜实验
当白光通过无色玻璃和各种宝石的碎片时，就会形成鲜艳的各种颜色的光，这一事实早在牛顿的几个世纪之前就已有了解，可是直到十七世纪中叶以后，才有牛顿通过实验研究了这个问题．该实验被评为“物理最美实验”之一。
牛顿首先做了一个有名的三棱镜实验，他在著作中记载道：“1666年初，我做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它来研究光的颜色．为此，我把房间里弄成漆墨的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来．我又把棱镜放在光的入口处，使折射的光能够射到对面的墙上去，当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时，使我感到极大的愉快．”牛顿的实验设计如下图：通过这个实验，在墙上得到了一个彩色光斑，颜色的排列是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫．牛顿把这个颜色光斑叫做光谱．
（2）进一步设计实验，获得纯光谱
牛顿在上述实验中所得到的光谱是不纯的，他认为光谱之所以不纯是因为光谱是由一系列相互重叠的圆形色斑的像所组成．牛顿为了获得很纯的光谱，便设计了一套光学仪器进行实验，其实验设计如图所示：
用白光通过一透镜后照亮狭缝S，狭缝后放一会聚透镜以便形成狭缝S的像I．然后在透镜的光路上放一个棱镜．结果光通过棱镜因偏转角度不同而被分开，以至在白色光屏上形成一个由红到紫的光谱带．这个光谱带是由一系列彼此邻接的狭缝的彩色像组成的．若狭缝做得很窄，重叠现象就可以减小到最低限度，因而光谱也变得很纯．
（3）牛顿提出解释光谱的理论
牛顿为了解释三棱镜实验中白光的分解现象，认为白光是由各种不同颜色光组成的，玻璃对各种色光的折射率不同，当白光通过棱镜时，各色光以不同角度折射，结果就被分开成颜色光谱．白光通过棱镜时，向棱镜的底边偏折，紫光偏折最大，红光偏折最小．棱镜使白光分开成各种色光的现象叫做色散．严格地说，光谱中有很多各种颜色的细线，它们都及平滑地融在相邻的细线里，以至使人觉察不到它的界限．
（4）设计实验验证上述理论的正确性
为了进一步研究光的颜色，验证上述理论的正确性，牛顿又做了另一个实验．实验设计如图所示：
牛顿在观察光谱的屏幕DE上打一小孔，再在其后放一有小孔的屏幕de，让通过此小孔的光是具有某种颜色的单色光．牛顿在这个光束的路径上再放上第二个棱镜abc，它的后面再放一个新的观察屏V．实验表明，第二个棱镜abc只是把这个单色光束整个地偏转一个角度，而并不改变光的颜色．实验中，牛顿转动第一个棱镜ABC，使光谱中不同颜色的光通过DE和de屏上的小孔，在所有这些情况下，这些不同颜色的单色光都不能被第二个棱镜再次分解，它们各自通过第二个检镜后都只偏转一定的角度，而且发现，对于不同颜色的光偏转的角度不同．
通过这些实验，牛顿得出结论：白光能分解成不同颜色的光，这些光已是单色的了，棱镜不能再分解它们．
（5）单色光复合为白光的实验
白光既然能分解为单色光，那么单色光是否也可复合为白光呢”为此牛顿进行实验．如图55所示，把光谱成在一排小的矩形平面镜上，就可使光谱的色光重新复合为白光．调节各平面镜与入射光的夹角，使各反射光都落在光屏的同一位置上，这样就得到一个白色光班．
牛顿指出，还可以用另一种方法把色光重新复合为白光．把光谱画在圆盘上成扇形，然后高速旋转这个圆盘，圆盘就呈现白色．这种实验效果一般称为“视觉暂留效应”．眼睛视网膜上所成的像消失后，大脑还可以把印象保留零点几秒种．从而，大脑可将迅速变化的色像复合在一起，就形成一个静止的白色像．在电视屏幕上或电影屏幕上，我们能够看到连续的图像，其原因也正在于利用了人的“视觉暂留效应”．
（6）牛顿对光的色散研究成果．
牛顿通过一系列的色散实验和理论研究，把结果归纳为几条，其要点如下：
①光线随着它的折射率不同而颜色各异．颜色不是光的变样，而是光线本来就固有的性质．
②同一颜色属于同一折射率，反之亦然．
③颜色的种类和折射的程度为光线所固有，不因折射、反射和其它任何原因而变化．
④必须区别本来单纯的颜色和由它们复合而成的颜色．
⑤不存在自身为白色的光线．白色是由一切颜色的光线适当混合而产生的．事实上，可以进行把光谱的颜色重新合成而得到白光的实验．
⑥根据以上各条，可以解释三棱镜使光产生颜色原因与虹的原理等．
⑦自然物的颜色是由于该物质对某种光线反射得多，而对其他光线反射得少的原因．
⑧由此可知，颜色是光（各种射线）的质，因而光线本身不可能是质．因为颜色这样的质起源于光之中，所以现在有充分的根据认为光是实体．
（7）牛顿对于光的色散现象的研究方法的特点．
从以上可看出牛顿在对光的色散研究中，采用了实验归纳——假说理论——实验检验的典型的物理规律的研究方法，并渗透着分析的方法（把白光分解为单色光研究）和综合的方法（把单色光复合为白光）等物理学研究的方法．
光的色散说明了光具有波动性。因为色散是光的成分（不同色光）折射率不同引起的，而折射率由波的频率决定。
光具有粒子性最典型的例子就是光电效应。
色散力
由于分子中电子和原子核不停地运动，非极性分子的电子云的分布呈现有涨有落的状态，从而使它与原子核之间出现瞬时相对位移，产生了瞬时偶极，分子也因而发生变形。分子中电子数愈多、原子数愈多、原子半径愈大，分子愈易变形。瞬时偶极可使其相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极，且两个瞬时偶极总采取异极相邻状态，这种随时产生的分子瞬时偶极间的作用力为色散力(因其作用能表达式与光的色散公式相似而得名)。虽然瞬时偶极存在暂短，但异极相邻状态却此起彼伏，不断重复，因此分子间始终存在着色散力。无疑，色散力不仅存在于非极性分子间，也存在于极性分子间以及极性与非极性分子间。
色散力存在于一切分子之间。色散力与分子的变形性有关，变形性越强越易被极化，色散力也越强。稀有气体分子间并不生成化学键，但当它们相互接近时，可以液化并放出能量，就是色散力存在的证明。
这3种分子间力统称为范德华力。它是在人们研究实际气体对理想气体的偏离时提出来的。分子间力有以下特点：①分子间力的大小与分子间距离的6次方成反比。因此分子稍远离时，分子间力骤然减弱。它们的作用距离大约在300～500pm范围内。分子间既保持一定接触距离又“无”电子云的重叠时，相邻两分子中相互接触的那两个原子的核间距之半称原子的范德华半径。氯原子的范德华半径为180pm，比其共价半径99pm大得多。②分子间力没有方向性和饱和性。③分子间力作用能一般在2～20kJ·mol-1，比化学键能(100～600kJ·mol-1)小约1～2数量级。
卤素分子物理性质很容易用分子间力作定性的说明：F2，Cl2，Br2，I2都是非极性分子。顺序分子量增大，原子半径增大，电子增多，因此色散力增加，分子变形性增加，分子间力增加。所以卤素分子顺序熔、沸点迅速增高，常温下F2，Cl2是气体，Br2是液体而I2则是固体。不过，HF，H2O，NH3 3种氢化物的分子量与相应同族氢化物比较明显地小，但它们的熔、沸点则反常地高，其原因在于这些分子间存在氦键。
折射率
色光 折射率
紫 1.532
蓝 1.528
绿 1.519
黄 1.517
橙 1.514
红 1.513
介质的折射率等于光在真空中的速度跟在这种介质中的速度之比。各色光在真空中的速度是一致的，都等于c，它们在同一介质（例如玻璃）中的折射率不同，表明它们在同一介质中的速度不同，红光的折射率比其他色光小，表明红光在介质中的速度比其他色光大。波长较短的波容易被散射，波长较长的波不容易被散射。