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如何从物理学角度解释“耀眼的光芒”

以下文章来源于中科院半导体所 ,作者颜相宁

当你因为天气晴朗而兴奋,拿起相机拍了几张,却发现很难拍出太阳那最简单的三维圆球留在二维平面的影像,而呈现在相纸上的是看不清边界的太阳和不停向外散发着的 " 耀眼的光芒 "

相信很多小伙伴都发现过这个现象,这次大院 er 就带领大家一起认真思考一下这到底是怎么回事?用物理语言来解读一下 " 耀眼的光芒 "

镜头下的太阳光 ( 来源 :作者手机拍摄)

镜头下的灯光(来源 :作者手机拍摄)

老生常谈:波粒二象性

太阳或灯周围的这些光,有个专有名词——星芒;星芒的物理机制,则是大家耳熟能详的——光的衍射

了解光的衍射现象之前,首先要提到大家差不多都耳熟能详的波粒二象性。光既有波的性质,也有粒子的性质,这是光的基本性质。

光的波动性最早见于荷兰物理学家惠更斯的理论中。但是,这个理论一方面因为无法解释光的衍射现象,一方面碍于牛顿的权威性,一直被搁置。直到双缝干涉实验的现象,以及麦克斯韦方程组在理论推导上的成功,使光的波动性理论逐渐站稳。

光的干涉 (来源:51sole.com)

光的粒子性则可以用光电效应来证明。这个实验描述的现象是:用光束照射金属表面,金属就会发射出电子的现象。当年爱因斯坦老爷子就是凭借光电效应(注意,而非相对论)获得了诺贝尔物理学奖。

老生常谈:光的衍射

通过经典的光的单缝衍射实验,可以很清晰的描述光的衍射。在这个实验中,一束光通过一道细缝后,在屏上会显示出一系列衍射条纹。就像是光在传播过程中遇到了障碍物之后,绕过了障碍物继续传播。

光的单缝衍射 (来源:blog.sciencenet.cn)

这清晰的体现出了光的波动性。而且,这个衍射条纹在缝的宽度和光的波长差不多的时候最为明显。

光的衍射通常分为两类,一类是菲涅尔衍射;一类是夫琅禾费衍射。菲涅尔衍射发生在障碍物与光源和衍射图样的距离都比较近的情况下。而夫琅禾费衍射可以说是菲涅尔衍射的一种特殊情况,这种衍射发生在障碍物与光源和衍射图样的距离都无限远的情况。可以想见,在这种情况下的入射光几乎是平行的了。

光的衍射 (来源:51wendang.com)

光芒如此奇妙

也许很多小伙伴早已记不起光的干涉和光的衍射之间的关系。那就用下面这张截图帮大家回忆一下。

衍射和干涉的区别( 来源:MOOC)

这时候,如果把单缝换成小孔,又会出现什么现象呢?不难想象,这时候的衍射图像就变成了一个个半径越来越大、共享一个圆心而环环相扣衍射圆环。

其实,在狭缝、多边形小孔、小圆孔等形状各不相同的情况下,所产生的衍射图样也五花八门,而且经研究表明这个衍射现象还遵循 "偶数边的小孔产生对应偶数个光刺、奇数边的小孔产生 2* 对应边数个光刺" 的规律。真是奇妙!

正多边形孔的衍射图样(模拟)(来源:文献 [ 1 ] )

圆孔和圆瓶的衍射图样 (来源:51wendang.com)

光芒的物理学解释

了解了光的衍射,下面就可以聊一聊为什么镜头后、屏幕里的太阳、灯的周围,都能看到 " 耀眼的光芒 "?

我们把镜头想象成一个圆孔,把太阳想象成一个点光源。只不过对处于 1.496 亿公里之外的太阳所发出的光,对于地球上的任何东西,大多数情况下都可以被看作是平行入射光束了。在这种情况下,镜头下也就出现了阳光的夫琅禾费衍射

俗话说,物理的尽头是数学,数学的尽头是哲学。当然,美妙的数学语言当然也对衍射条纹的性质也进行了描述,即使在最简单的波动光学理论之中,也体现得淋漓尽致。

假设 a 为单缝的宽度,D 为狭缝到光屏的距离或者透镜的焦距,K 是第几条衍射条纹,△ x 是衍射条纹的宽度,λ 是波长, φ 为衍射条纹与狭缝平面法线的夹角,以上这些参数满足以下公式。通过这些公式,我们可以如先知一般,知晓特定条件下的衍射图样。当然,大家都在高中时,就已经是先知了。

通过这个计算,我们可以发现,光波长 λ 越短,衍射条纹宽度△ x 越小,则这个衍射条纹也越靠近中间区域;而光波长 λ 越长,衍射条纹宽度△ x 越大,那这个衍射图样展开的也越宽。

光谱 (来源:cwwz.net)

基于以上计算,我们再看一下星芒的 " 庐山真面目 "。众所周知,可见光波段是从 380nm 到 750nm 左右。假设一个光源可以同时发出在可见光波段范围内的 750nm 的红光、530nm 的绿光以及 400nm 的紫光,那这个镜头下这个光源周围的衍射图样由内而外的每一级条纹,都将是一个从最中间多种光混合区域,逐渐变化到紫色 - 绿色 - 红色的彩色条纹,也就是一个个五彩斑斓的星芒

光圈及其系数(来源:photo.popart.hk)

相机镜头内的光圈通常为多边形,当我们用相机进行拍摄时,入射光线经过光圈时,就会沿着光圈的边缘发生单边衍射,然后在接收屏上就形成了带有很多 " 耀眼光芒 " 的衍射条纹图样,这些耀眼光芒即星芒。

镜头结构 ( 来源:zhidao.baidu.com )

可能你要问了,如果光圈是圆形的,会不会产生星芒呢?当然不会了,和圆孔衍射一个道理,如果光圈是完美的圆,则星芒会消失,取而代之的则是一个个同心的衍射环。这也是由光的衍射特性所决定的。

当然,由于光圈的构造问题:光圈一般都是由多个叶片所组成的。通过改变叶片的组成,来决定透过光圈、被相机感光元件(CCD 或 CMOS)接收到的光的多少。所以,用相机拍摄太阳这类远光源或者使用小光圈拍摄时,则大概率会产生星芒;而且,星芒还是偶数个哦。

眯眼打开新世界

还有一个相似的现象。当我们文艺、深情地抬起头,却被那并不柔和的灯光刺痛了双眼;而当我们迅速的眯起双眼之后,在眼睛周围,却拉出一条条长长的光线。这又是怎么了呢?

镜头和人眼(来源:文献 [ 1 ] )

不难猜测,这也是因为光的衍射。假设人的眼睛和镜头的光圈一样,如果都比作光的衍射实验中的小孔的话,那人眼睛系统的视网膜,就和相机系统里镜头后的屏幕一样,可以看作是光屏了。

所以,当眼眯成了一条线,上下眼皮就构成了一个狭缝。在我们精密的视觉系统里,就也发生了光的衍射现象。因此,在眼睛周围,尤其是上下两个方向,就会拉出一条条长长的光线。

最后,大院 er 提醒各位小伙伴:灯光、阳光会比较强,长时间的太阳、强光的直射,不仅可能会给相机感光元件带来损害,对眼睛的刺激和伤害更大。所以光圈调好、墨镜戴牢,不直视它们更好!

参考链接:

[ 1 ] 陈耿剑 , 周新宇 , 何春清 , 等 . 由多边形小孔的远场衍射解释灯光的星芒 [ J ] . 物理实验 ,2019,39 ( 03 ) :27-31.

[ 2 ] 辛秀 , 咸夫正 , 孙尚倩 , 韩广兵 , 徐建强 . 基于夫琅禾费衍射的星芒现象探究 [ J ] . 大学物理实验 ,2021,34 ( 01 ) :39-43. [ 3 ] 王莹 , 周渝涵 , 夏往所 . 星芒现象的理论与实验研究 [ J ] . 大学物理 ,2020,39 ( 09 ) :41-46+71.

[ 4 ] 韩佩杉 , 伍泓锦 , 黄博文 , 杨浩林 , 贾欣燕 , 刘其军 , 常相辉 , 魏云 , 樊代和 . 相机底片中星芒现象的研究 [ J ] . 物理与工程 ,2019,29 ( 04 ) :82-87.

[ 5 ] 陈贤钦 , 张志华 , 张睿 . 关于 " 星芒 " 现象的 matlab 仿真模拟实现 [ J ] . 物理与工程 ,2019,29 ( S1 ) :101-105+110.

[ 6 ] 陈嘉富 , 王智勇 , 于斌 , 林丹樱 . 单缝衍射仿真实验设计及分析 [ J ] . 大学物理 ,2020,39 ( 12 ) :67-74.

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