各種色光都是由三原色光合成的嗎

楊大衛(wèi)

（河北師范大學(xué) 050024）

《國(guó)家中小學(xué)智慧教育平臺(tái)》(https://www.zxx.edu.cn/)播放的〖課程教學(xué)〗初中八年級(jí)物理(人教版上冊(cè))第四章第五節(jié)“光的色散”中授課教師在課堂總結(jié)時(shí)說：“各種不同顏色的光都是由三原色(紅、綠、藍(lán))光按一定比例混合而成的?！?這節(jié)課視頻總時(shí)長(zhǎng)為24 分52 秒，該句出現(xiàn)自23 分43 秒至23 分53秒。)

這種說法源于初中物理課本的敘述：“紅、綠、藍(lán)三種色光按不同比例混合后，可以產(chǎn)生各種顏色的光?！?見圖1 上述平臺(tái)的〖教材〗物理人教版八年級(jí)上冊(cè))

圖1

圖2 人眼縱截面的水平光路圖

圖3 視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)以及視網(wǎng)膜中的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞

這句話應(yīng)糾正為：“紅、綠、藍(lán)三種色光按不同比例混合后，可以產(chǎn)生各種色光的視覺效果?！?/p>

為了說明這一糾正，我們可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和視覺生理分析兩方面進(jìn)行。

不過為了使教材編輯更易于接受這一糾正，我們可以先將“光與視覺”跟同一教材中的“聲與聽覺”相對(duì)比，做些鋪墊。

聲可以傳遞信息和能量，光也能傳遞信息和能量。人教版初中課本的第二章強(qiáng)調(diào)“聲既可以傳遞信息又可以傳遞能量”，還介紹了聽覺器官的構(gòu)造與工作原理，可在第四章卻不談光也能傳遞信息和能量，不講視覺器官的工作原理。這不僅彼此不相呼應(yīng)，而且不符合新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息和能量的學(xué)習(xí)要求。

初中生知道，人接收可聞波靠聽覺器官，接收可見光則靠視覺器官。聲既有響度強(qiáng)弱的區(qū)別，又有音調(diào)高低的差異，響度決定于振幅，音調(diào)決定于頻率。

類似地，可見光也是既有亮度明暗的區(qū)別，又有顏色艷素的差異，亮度亦決定于振幅，顏色亦決定于頻率(表1)。

表1

我們的聽覺既可以識(shí)別可聞波響度的強(qiáng)弱，也可以識(shí)別可聞波的音調(diào)的高低。類似地，我們的視覺既可以覺察可見光亮度的明暗區(qū)別，也可以分辨可見光顏色艷素的區(qū)別。

在對(duì)視覺、聽覺類比的基礎(chǔ)上，我們?cè)龠M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找出二者器官功能的不同。

[實(shí)驗(yàn)一] 由兩支固有頻率不同的音叉混響的聽覺效果，不會(huì)與任何一支具有其他固有頻率的音叉單獨(dú)奏響的聽覺效果相同。

結(jié)論：聲波符合波傳播的獨(dú)立性原理。

[實(shí)驗(yàn)二] 由紅光與綠光混合照射得到的視覺效果，可以與單色黃光照射的視覺效果相同，看起來似乎是紅光與綠光復(fù)合后形成了“黃光”。難道光波不符合波傳播的獨(dú)立性原理？

[實(shí)驗(yàn)三] 由紅光與綠光混合照射所形成的所謂“復(fù)合光”仍可被三棱鏡分解還原為紅光和綠光，其中根本找不到一絲一毫黃光；而單色的黃光無論如何也不會(huì)被分解為紅光和綠光。

結(jié)論：光波亦符合波傳播的獨(dú)立性原理。

實(shí)驗(yàn)證明了無論是人教版初中物理教材所寫“紅、綠、藍(lán)三種色光按不同比例混合后，可以產(chǎn)生各種顏色的光”，還是上述視頻課中所說的“各種不同顏色的光都是這三種色光按一定比例混合而成的”，這兩種說法都是錯(cuò)誤的。

那么，問題出在何處呢？明明看到紅光與綠光混合后產(chǎn)生了“黃光”，難道眼見不為實(shí)嗎？是的，眼見不一定為實(shí)！問題就出在視覺上。由紅光與綠光混合照射后產(chǎn)生的視覺效果是生理效應(yīng)，而不是真正的物理效應(yīng)。

讓我們了解一下視覺器官的生理結(jié)構(gòu)及其工作原理。

視覺器官感受亮度的功能叫做視覺器官的光感，辨別顏色的功能叫做視覺器官的色覺。光感與色覺是由視覺器官中兩套相互獨(dú)立的系統(tǒng)來執(zhí)行的，色盲癥患者雖色覺不全但光感仍可以正常，就說明了這一點(diǎn)。而聽覺器官感受聲強(qiáng)與辨別音調(diào)的是同一個(gè)系統(tǒng)。

光感功能由暗視系統(tǒng)完成，以視網(wǎng)膜中的桿狀視神經(jīng)細(xì)胞為接收器(對(duì)505～510 nm的光最敏感)，在低照度情況，只有桿狀細(xì)胞才能被可見光輻射所觸發(fā)，產(chǎn)生對(duì)照度明暗的視覺；在強(qiáng)光下，桿狀細(xì)胞的靈敏度會(huì)大為降低，故它主要在弱光下工作。

而色覺功能由明視系統(tǒng)完成，以視網(wǎng)膜中的錐狀視神經(jīng)細(xì)胞為接收器(綜合響應(yīng)對(duì)550～555 nm的光最敏感)，主要在較強(qiáng)光下工作。錐狀細(xì)胞又含L、M、S三種，分別對(duì)波長(zhǎng)為664、534和420 nm的光最敏感(大約對(duì)應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)紫色，圖4)。

圖4 三種錐狀細(xì)胞各自的響應(yīng)以及綜合響應(yīng)

這三種響應(yīng)并不是恰好分別覆蓋對(duì)紅色(625～740 nm)、綠色(500～565 nm)和藍(lán)色(440～485 nm)的響應(yīng)，而是可以分別對(duì)三原色(紅、綠、藍(lán))光各自產(chǎn)生不同強(qiáng)度的響應(yīng)。如果L 細(xì)胞受到的刺激略大于M 細(xì)胞，人的感覺是黃色；如果L 細(xì)胞受到的刺激大大高于M細(xì)胞，人的感覺是紅色。將三原色光以不同的比例復(fù)合后，人的眼睛對(duì)復(fù)合光可以形成與該比例對(duì)應(yīng)的某單一頻率的可見光等效的色覺。例如，紅光與綠光按某種比例復(fù)合，對(duì)三種錐狀細(xì)胞刺激后產(chǎn)生的綜合色覺可與視網(wǎng)膜對(duì)單純的黃光的色覺等效。

所以，紅光與綠光混合后并不能生成另一種頻率的新光——黃光，二者的混合光波中的紅光和綠光仍然各自存在，只是其色覺與黃光相同。即由紅、綠混合光對(duì)錐狀視覺細(xì)胞的刺激反映到大腦，跟黃光對(duì)錐狀細(xì)胞的刺激反映到大腦后的效果相同。

所以，把紅、綠、藍(lán)三種色光按不同比例混合后，并不能產(chǎn)生各種顏色的光，只是產(chǎn)生了與某種色光相應(yīng)的視覺效果。”也就是說，所謂色光的“合成”并不是物理效應(yīng)，它只是光頻的生理效應(yīng)。

更進(jìn)一步，揭其本質(zhì)，聽覺之所以不能起到類似的效果(兩支不同頻率的音叉混響的聽覺效果，不會(huì)與某支其他頻率的音叉獨(dú)響的聽覺效果相同)，不僅是由于聽覺的傳感器與視覺的傳感器的構(gòu)造不同，而是由于二者工作原理的不同，后者是復(fù)雜的光化學(xué)原理，而前者僅是簡(jiǎn)單的機(jī)械原理。所以，不會(huì)像“三原色”似的有“三原聲”。

那么所謂的光化學(xué)原理又是什么呢？

對(duì)明暗(黑白)感受具有較高靈敏度的桿狀細(xì)胞，光先通過神經(jīng)結(jié)合處的外層，再到達(dá)這些感受器中的色素物質(zhì)。在桿狀細(xì)胞中有一種叫做視紫質(zhì)(rhodopsin)的色素(其顏色看起來是紫色的)，該色素是一種分子量約為40000 amu 的復(fù)雜蛋白質(zhì)，其吸收曲線如圖5所示。該分子在柱狀細(xì)胞內(nèi)分層排列，大約20 nm 厚500 nm 寬，重量可達(dá)該細(xì)胞凈重的35%。在光輻射的影響下，其中一小片會(huì)脫離，這一小片載色體(chromophore)，是一種維生素A 的衍生物，被稱作視黃醛(retinaldehyde)，其分子量為286 amu。其雙鍵中的一條會(huì)在1皮秒(10-12s)內(nèi)吸收光子從折拐構(gòu)型變?yōu)樨灤?gòu)型(圖6)。

圖5 桿狀細(xì)胞的響應(yīng)曲線

圖6 通過吸收一個(gè)波長(zhǎng)約500 nm的光子，桿狀視覺細(xì)胞中視黃醛的分子構(gòu)型變化

剩下的部分是一種叫做視蛋白(opsin)的無色蛋白質(zhì)。在視紫質(zhì)(rhodopsin)分子分裂過程中的某個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生瞬間的視覺刺激。這種反應(yīng)引起感受細(xì)胞膜對(duì)鈉離子滲透性能的改變，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞電勢(shì)的改變。這一電勢(shì)變化通過神經(jīng)細(xì)胞傳播到大腦。此后，視紫質(zhì)分子會(huì)緩慢地再生。

錐狀細(xì)胞的響應(yīng)大概也有類似的機(jī)制。在錐狀細(xì)胞發(fā)現(xiàn)了一種叫作視青質(zhì)(iodopsin)的色素，這種色素所含的視黃醛基(retinaldehyde group)有三種，各自具有不同的分光靈敏度特性(圖4)，作為比較，錐狀細(xì)胞的綜合靈敏度曲線也一并畫出。

在強(qiáng)光下，桿狀細(xì)胞中的許多視紫質(zhì)分裂為視蛋白和視黃醛，因而其靈敏度大為降低。盡管錐狀細(xì)胞的靈敏度僅為桿狀細(xì)胞最高靈敏度的1%左右，可色視覺還主要是由錐狀細(xì)胞提供的。三種錐狀細(xì)胞的聯(lián)合作用才產(chǎn)生了對(duì)顏色的視覺。在低照度情況，只有桿狀細(xì)胞才能被可見光所觸發(fā)，產(chǎn)生對(duì)(黑白)明暗的視覺。桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞的綜合靈敏度曲線是不同的(圖5和圖4)，前者的峰值大約為505 nm至510 nm，而后者為550 nm至555 nm。

當(dāng)然，上述的光化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)都要通過視神經(jīng)傳遞給大腦。

綜上所述，通過波傳播的獨(dú)立性原理實(shí)驗(yàn)、視覺器官的生理機(jī)制及其光化學(xué)本質(zhì)，說明了各種色光實(shí)際上并不是由三原色光合成的，視覺效果不能代表物理本質(zhì)。