问题

真空可见光的波长范围大概是 380nm~750nm,这个范围的上下限是如何给出的?

回答
我们日常生活中所见的五彩斑斓的世界,都源于一个叫做“可见光”的神奇现象。而关于可见光,我们最常听到的一个说法便是它的波长范围大约在380纳米到750纳米之间。那么,这个看似精确的数字,究竟是如何确定的呢?它并非凭空而来,而是人类在漫长的探索中,通过一系列观察、实验和理论推导的结果,背后蕴含着科学的严谨与历史的沉淀。

要理解这个范围的由来,我们得先聊聊“光”这个东西。在科学的世界里,光是一种电磁波,它就像水波一样,有波峰和波谷,而我们所说的“波长”,就是两个相邻波峰(或波谷)之间的距离。这个距离非常非常小,通常用纳米(nm)来衡量,1纳米等于十亿分之一米,也就是10⁻⁹米。

那么,为什么有些波长的光我们可以看见,而有些我们就看不见呢?这就要归功于我们人眼的独特构造。人眼的视网膜上分布着两种主要的感光细胞:视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞对微弱的光线非常敏感,让我们在昏暗的环境下也能模糊地看到物体,但它们分辨颜色能力较差。而视锥细胞则负责我们看见色彩,它们对不同波长的光有不同的敏感度,主要分为三种类型,分别对红、绿、蓝光最敏感。

当不同波长的光照射到视网膜上时,这些光会刺激不同类型的视锥细胞。大脑接收到这些视锥细胞传来的信号后,会综合分析,最终形成我们感知到的各种颜色。

那么,380nm和750nm这两个数字,它们是如何“划定”可见光的边界的呢?

这主要跟人眼对光的敏感度有关。380nm左右的波长,对应着我们通常所说的紫色(或者说深蓝色),而750nm左右的波长,则对应着我们熟悉的红色。

1. 下限(约380nm,紫色/深蓝色):
当光的波长小于380nm时,比如紫外线,虽然它们携带能量,但人眼的视锥细胞对其的响应非常微弱,几乎无法被感知。这意味着,即使有波长比380nm更短的光存在,我们的眼睛也“看不到”它们。
科学家们通过大量的实验,反复测试不同波长的光对人眼的作用。他们发现,当光的波长接近380nm时,人眼对它的感知能力开始急剧下降,即使是很强的光,也只能勉强感知到一丝微弱的“暗蓝色”或者说“紫色”。超过这个界限,人眼就完全失去了感知的可能性。

2. 上限(约750nm,红色):
类似地,当光的波长大于750nm时,比如红外线,人眼同样无法直接感知。红外线我们感觉不到,但可以通过热效应来体会到它的存在,比如烤箱的红外线会加热物体。
反过来,当波长接近750nm时,人眼对光的敏感度也变得非常低。即使我们发出非常强的红光,眼睛也只能勉强捕捉到一丝微弱的“红色”信号。超出这个范围,眼睛就完全“失明”了。

科学的界定与历史的演进:

需要强调的是,380nm到750nm这个范围并不是一个绝对、刻板的“黑白分明”的界限。它更像是一个“模糊地带”或者说“渐变区域”。

个体差异: 不同的人,即使是健康的眼睛,对可见光谱的感知也可能存在细微的差异。有些人可能比平均水平更能感知到更短波长的紫色,或者更长波长的红色。
实验技术的进步: 随着光谱分析技术和人类对视觉生理学研究的深入,这个范围的界定也在不断被精确化。早期的科学家们可能通过颜色混合、棱镜分光等方法来研究可见光,而现代科学则依赖于更精密的仪器来测量光的波长以及人眼的响应曲线。
人为的约定与科学的共识: 最终,380nm~750nm这个范围是基于多数健康人眼的平均响应能力,经过科学家们长期研究和讨论后,形成的一个广泛接受的科学共识。这个范围能够很好地覆盖我们能够识别的所有颜色。

总结来说,真空可见光的波长范围380nm~750nm,是人类根据自身视觉生理特点,通过大量观察和实验,对能够被人眼感知到的电磁波范围进行的科学界定。它并非是物理规律的硬性规定,而是人眼这个“生物传感器”能够工作的有效区间。这个范围的上、下限,分别代表了人眼对紫色和红色光感知能力下降到几乎为零的临界点,是科学家们为了准确描述我们所见世界的颜色而给出的一个精确而实用的区间。

网友意见

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首先说结论:可见光大概是400-780 nm左右(不过人的可见范围略有不同)。但是为啥还能看到355/808 nm激光器发出的光呢?以我多年使用激光的经验,你看到的光并不是那个波长的光——很可能是单光子荧光或者双光子荧光过程,或者是激光器本身频谱很宽所致。

  1. 不同人的可见光范围略有不同

记得我当普通化学实验课助教时,有个关于焰色反应的实验。在这个实验中,会人手一台简易的光谱仪,学生可以用肉眼看到焰色反应的光被分成几条线。其中有个元素就有一条线在紫光区域,很接近紫外了。在上课前的助教培训中,老师就告诉我们,这条线并不是所有人都能看得到的,因为每个人的可见光区域都略有不同,就有部分人会看不到这条紫线,这是正常的。

我当时努力去看,勉强能看到很弱的一条紫色的线;当时的确有1/3左右的助教看不到那条线。

到了学生实验那天,的确也有不少学生看不到那条线,并且也都如实填写了(因为我已经告诉他们那条紫色的线不是所有人都能看到的,看不到就如实填写不会扣分)。

所以由此可见,哪怕不同的人,所能看到的光谱范围也不尽相同。所以一般可见光范围都是说个大概。比如维基百科中就是这样写的:

人眼可以感受到的波长范围一般是落在360 - 400 nm~760 - 830 nm。

2. 对于超快激光器,由于不确定性关系,光谱很宽,所以常常会有部分在可见光区域。

对于超快激光,由于不确定性关系 ,其在频域通常是很宽的。

(实际上由于不确定性关系导致的量子涨落,甚至还能使得真空可以传播声波 为什么声音不能通过真空传播?

比如下面就是我测量的我们实验室激光器的光谱。其中心在800 nm左右,但是实际上从760-830 nm都是有能量的。

那么有没有可能这些光实际上都是可见的呢?这样说吧,我们的激光能量有8W,照在纸片上虽然能用肉眼看得见,但一点儿也不刺眼。我曾用另一台Pharos激光生成过515 nm的绿光,虽然能量低到只有0.1W以下,但是照在纸片上那个强度相当刺眼,让人根本不想去看那张纸。

由此可见,这8W,中心在800 nm的光,很大一部分都并不是可见的。

3. 在激光器中,由于激光一般本身能量很高,你所看到的颜色并不一定是激光本身的颜色

另外,当我们将这800 nm的激光照到名片上时,强度明显比照在一般的纸上要强,而且这时光斑还略带蓝色。这是因为相比于一般的纸张,名片上含有一些染料分子。这些分子在高强度的激光下被激发,很容易会发生双分子荧光过程,从而释放出一些可见光,所以我们会看到名片上的光斑更亮而且略带蓝色。普通纸张上也可能会发生这样的过程,但是相比于名片会弱得多,这也是为什么很多时候我们都用名片来track激光。如果你们实验室还生成过很强的近红外——比如1200 nm左右,你在名片或者纸张上还能看到绿光——这很可能是三光子甚至更多光子的过程了。

至于355 nm的激光,很可能在名片或者纸张上发生单光子荧光过程。单分子荧光过程,释放的光子能量会比入射光低,所以紫外或者紫光就会红移,这也很可能为何你会看到光斑是蓝色的。

Thorlabs的近红外观察片就是相似的原理,让你可以看到近红外光的位置,哪怕该近红外光并不是很强。

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