Что такое спектр света в физике кратко
Обновлено: 05.07.2024
Виды излучений
Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.
Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.
Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.
Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света.
Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Спектры
Полосатые спектры
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектральный анализ
Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Простейший спектральный аппарат - спектрограф.
Схема устройства призменного спектрографа
Фраунгоферовы линии
Вскоре выяснялось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г.Кирхгоф и Р.Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.
Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.
Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а 1861 году — рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).
Принцип работы
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.
Спектр электромагнитных излучений
Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.
Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.
Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.
Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738 - 1822 гг.). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасными лучами.
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.
С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, от красного до фиолетового света.
Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
Ультрафиолетовое излучение. В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 - 1810), исследуя спектр, открыл, что за
его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложения хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.
Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека - загару.
В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.
Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.
Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение ( -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.
Как всякая волна, свет излучается и поглощается физическими телами. Свет излучается нагретыми или иначе находящимися в возбужденном состоянии телами и веществами.
Как физическое явление, Свет изучается в физике, в разделе оптика. Причем Свет это не одиночная волна с определенными характеристиками, а поток волн, разной длины и частоты.
Из школьного курса физики мы знаем, что как всякие другие волны, свет может быть разложен на составляющие его волны при помощи дифракционной решетки (дифракция) или при помощи призмы (дисперсия). После такого разложения мы получаем спектр волн разной длины, при этом большой участок этого спектра будет невидим человеческим глазом.
Дифракционный и дисперсионный спектры имеют некоторые различия.
Дифракция, это явление отклонения от прямолинейного направления движения волны при прохождении ее через препятствия (щель, отверстие, стержень), размер которого соизмеримы с длиной волны. В случае дифракции, мы получаем картинку, имеющую несколько максимумов, не растянутую ни в какой из областей спектра (нормальный дифракционный спектр).
Нормальный дифракционный спектр равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн.
Дисперсия это физическое явление, связанное с распространением волн разной длины с разной скоростью в данном веществе. Коэффициент, полученный в результате таких опытов, называют коэффициентом преломления среды.
Дисперсионный спектр сильно сжат в области волн имеющих большую длину, и сильно растянут в области волн имеющих меньшую длину волны. Дисперсионный спектр располагается в порядке убывания длин волн.
Видимая часть спектра называется оптическим диапазоном спектра.
Цвет и спектральные цвета
Что такое цвет? Физика дает следующий ответ на этот вопрос: Цвет, это качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. [1.1]
Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света и не светящимися объектами. [1.1]
В непрерывном световом спектре, в котором одни цвета плавно переходят в другие так, что определить точно границы каждого цвета и связь его с определенной длиной волны сложно принято различать следующие цвета в зависимости от длины волны [3.1]:
| № п/п | Название цвета | | Длина волны (нм) |
| От | До | ||
| 1 | Фиолетовый | 380 | 440 |
| 2 | Синий | 440 | 480 |
| 3 | Голубой | 480 | 510 |
| 4 | Зеленый | 510 | 550 |
| 5 | Желто-зеленый | 550 | 575 |
| 6 | Желтый | 575 | 585 |
| 7 | Оранжевый | 585 | 620 |
| 8 | Красный | 620 | 780 |
Диапазон волн от 0 нм до 380 нм, принято считать невидимым и называть ультрафиолетовой областью оптического излучения.
Диапазон волн от 780 нм до 1 мм, принято считать невидимым и называть инфракрасной областью оптического излучения.
Непрерывный оптический спектр
На рисунке 1 приведен главный максимум дифракционного цветового спектра.
Органы зрения живых существ воспринимают свет, отраженный от физических объектов и предметов. Цвет предмета, воспринимаемый органами зрения будет соответствовать длинам волн, отражаемых данными объектами. На пример, листва нам кажется зеленой по тому, что зеленую составляющую спектра лист отражает, а все другие составляющие, наоборот, поглощает. Или другой пример: апельсин оранжевый, по тому, что именно оранжевая составляющая светового спектра отражается апельсином.
Чувствительность органов зрения живых существ не постоянна в зоне видимого светового спектра. Для человека, на пример, на основании данных [3.2] чувствительность органов зрения приведена на Рисунке 2.
Спектральная чувствительность палочкового зрения (рисунок 2, кривая 2 — глаз адаптирован к ночным яркостям) характеризует работу глаза при столь малом количестве света, что его не хватает даже для частичного возбуждения колбочек. Кривая относительной спектральной чувствительности глаза имеет максимум на длине волны в 507 нм.
Для глаза, адаптированного к дневным яркостям V(λ) (рисунок 2, кривая 1), на длинах волн 510 нм и 610 нм характерно двукратное снижение чувствительности. Если же глаз адаптирован к ночным яркостям V’(λ) (рисунок 2, кривая 2), то снижение чувствительности в два раза наблюдается на длинах волн 455 нм. и 550 нм.
Рисунок 2. Относительная спектральная чувствительность глаза человека
Максимумы на кривых 1 и 2 на рисунке 2, равные единице, относительны. Дело в том, что палочковый аппарат ночного зрения человека намного чувствительнее, и для восприятия предельно малого светового сигнала (например, едва видимой точки на темном фоне) палочкам необходима примерно в пятьсот раз меньшая мощность, чем колбочкам. При этом палочки, действующие при периферическом (боковом) зрении, не позволяют определить цвета точки, в то время как колбочки, фиксирующие точку при прямом зрении, дают возможность увидеть и ее цвет [3.3].
Кроме этого, чувствительность человеческого глаза неодинакова к разным цветовым компонентам света. Чувствительность максимальна при 555 нм (желто-зеленый свет) и сводится к минимуму при более длинных (красный свет) и коротких (синий свет) длинах волн. Чувствительность человеческого глаза к воздействию красного излучения (650 нм) составляет всего 10% от максимальной чувствительности. Иными словами, чтобы добиться ощущения той же яркости, что и у желто-зеленого света, интенсивность красного света должна быть в десять раз больше [4.1].
Если соединить видимые красный и синий диапазон спектра, то мы получим цветовой круг Рисунок 3. Цветовой круг это способ представления непрерывности цветовых переходов в видимой части спектра. Сектора круга окрашены в различные цветовые тона, размещенные в порядке расположения спектральных цветов, причем пурпурный цвет связывает крайние красный и фиолетовый цвета.
Рисунок 3. Цветовой круг и триады цветов, дающие при смешивании белый цвет.
Цветовой круг впервые был предложен Исааком Ньютоном в 1704 году. Цветовой круг имеет большое значение для понимания законов смешивания спектральных цветов. Так на пример, вершины треугольника, вписанного в цветовой круг, однозначно указывают на триады цветов, которые при смешивании дадут белый цвет.
Рисунок 4. Цветовое поле видимого спектра.
В общем случае, оттенки цветов получаемые при смешивании простых спектральных цветов представлены на Рисунке 4.
Не спектральные цвета и смешивание цвета
Для восприятия цвета очень важно такое явление, как метамерия, особенности глаза и психики. [1.2]. Метамерия, это свойство зрения, при котором свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. Иначе метамерией можно назвать восприятие двух окрашенных образцов одинаково окрашенными под одним источником освещения, но различно окрашенными под другим источником освещения. Это можно объяснить разными спектральными характеристиками источников освещения и разными наполняющими цветами в красочных покрытиях рассматриваемых образцов.
Физиологически метамерия зрения основана на строении периферического отдела зрительного анализатора биологического объекта. В соответствии с теорией происхождения видов, предки человека получили органы зрения от рыб. Эта гипотеза получила в настоящее время, как множество подтверждений, так и не меньшее число опровержений.
У человека, как и у карпа, роль периферического отдела зрительного анализатора выполняет сетчатка, в которой за восприятие цвета отвечают особые клетки, называемые колбочками.
В общем случае, можно создать такие условия, при которых пучок оранжевого спектрального цвета, пучок оранжевого не спектрального цвета (полученный смешением желтого и красного спектральных цветов) и пучок пурпурного не спектрального цвета (полученный смешением синего и красного спектральных цветов) могут восприниматься зрительным анализатором наблюдателя, как пучки одинакового цвета.
Однако если пропустить эти три пучка через дисперсионную призму, то мы получим:
Для оранжевого спектрального цвета: одну полоску, соответствующую длине волны первичного светового пучка.
Для оранжевого не спектрального цвета (полученного смешением желтого и красного спектральных цветов): две полоски, соответствующие длинам волн составляющих желтого и красного спектральных цветов первичного светового пучка.
Для пурпурного не спектрального цвета (полученного смешением синего и красного спектральных цветов): две полоски, соответствующие длинам волн составляющих синего и красного спектральных цветов первичного светового пучка.
В общем случае, результирующие цвета получаемые при смешивании цветов иллюстрирует Рисунок 5.
Рисунок 5. Результирующие цвета, получаемые при смешивании спектральных цветов
Данное наблюдение представляется мне важным при создании цвета красителя для окрашивания насадки.
Теории восприятия цвета
Множество проводимых исследований подтвердили предположения этих двух теорий, так например колбочки у приматов существуют всего трех типов: воспринимающие цвет в фиолетово-синей, зелено-жёлтой, в желто-красной частях спектра. Каждый вид колбочек интегрирует поступающую лучистую энергию в довольно широком диапазоне длин волн, и диапазоны чувствительности трех видов колбочек перекрываются, различаясь лишь диаграммой величины чувствительности.
Человеческое зрение, таким образом, является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.
В животном мире известны четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, так что цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными так, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминисценции компонентов их мочи.
Характеристика органов зрения карпа
Как уже говорилось выше, в соответствии с теорией происхождения видов, предок человека унаследовал органы зрения от низших позвоночных, или от рыб, что вызывает большое сомнение у некоторых, уважаемых в научных кругах, авторов [5]:
«. Если принять как факт, что цветовое зрение мы унаследовали от низших позвоночных (рыб), что доказывается анатомическим, физиологическим, химическим и структурным сходством строения сетчатки, то эволюцию цветового зрения следует изучать не на приматах, а начиная с рыб. Тогда рассуждения об эволюции цветового зрения от протонопии до тритонопии (С.В.Кравков) нельзя признать обоснованной. Ведь уже у карпа имеются все три типа колбочек и даже детекторов оппонентного типа, хотя и находятся эти детекторные клетки еще в самой сетчатке, а не в латеральном коленчатом теле, как у приматов и человека (Пэдхем Ч., Сондерс Ж., 1978). Хотя карп обладает повышенной чувствительностью в красно-оранжевой, а не зелено-желтой области спектра, диапазоны частот реагирования рецепторов карпа и человека почти не различаются по ширине.
Из сказанного становится ясным, что максимум цветового восприятия карпа обыкновенного лежит в красно-оранжевой области светового спектра, что находит свое подтверждение в большом количестве работ других авторов.
Автор считает, что диапазон чувствительности в области видимого спектра карпа обыкновенного и человека почти не различается по ширине, что противоречит данным некоторых других источников.
Кроме этого, автор считает функцию распознания цвета, в частности карпом, не отделимой от функций размножения, питания и выживания, то есть от всего биологического цикла. Это пожалуй самый ценный для нас вывод, для нас — рыбаков, осуществляющих ловлю этой умной рыбы, маскируя насадку под привлекающую ее, рыбу, пищу.
Справедливости ради, нужно отметить, что в результате биофизических исследований органов зрения рыб, пресноводных, пресмыкающихся, приматов, человека, были получены другие, очень интересные факты, способные поставить под сомнение приведенные выше заключения.
Учитывая эти данные, мы можем усомниться в утверждении о равенстве ширины светового спектра воспринимаемого органами зрения карпа и человека.
Имеются данные о наличии в сетчатке костистых рыб фоторецепторов с пиком чувствительности в ультрафиолетовой области спектра (Neumeyer, Arnold, 1989). Не ясна роль этих рецепторов в цветовом зрении рыб ввиду того, что оптическая система камерного глаза этих животных не пропускает ультрафиолетовые лучи. Однако, имеются данные о влиянии активности рецепторов этого типа в различение цветов в синей области спектра (Neumeyer, Arnold, 1989).
У рыб и амфибий хорошо развита система ретино-тектальных зрительных проекций, что обусловливает сложный характер обработки цветового сигнала уже на уровне нейрональных структур сетчатки. В этой ситуации сетчатка этих животных может служить моделью для изучения принципов цветокодирования, реализуемых у приматов центральными отделами зрительного анализатора. . "
Анализируя приведенные выше исследования, с высокой степенью достоверности, можем предположить следующее:
Имеются данные о наличии у рыб рецепторов, помогающих им различать цвета в области синего цвета, а также в значительном диапазоне инфракрасной зоны спектра.
Выводы
1. Сетчатки глаза карпа и человека очень похожи по функционированию и строению, а по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминают мозг.
2. Диапазон чувствительности в области видимого спектра органов зрения карпа и человека значительно различается по ширине, что дает карпу возможность видеть объекты в синей части спектра и в невидимой области инфракрасного цвета, предположительно до длин волн около 865 нм. Это, в свою очередь, объясняет то, как карп может найти пищу в условиях практически полной темноты, например, ночью.
3. Максимум цветового восприятия карпа лежит в красно-оранжевой области светового спектра.
5. Карп способен отличать белый спектральный цвет от какого-либо другого цвета.
6. Во время распознавания объекта, карп более склонен ориентироваться на цвет объекта, чем на его форму.
7. Функцию распознания цвета у карпа не отделима от функций размножения, питания и выживания, то есть от всего биологического цикла.
Заключение
Сделанные мною и приведенные выше, выводы, не претендуют на научную ценность и вполне могут быть ошибочными. Но в своих экспериментах с окрашиванием насадок я придерживаюсь следующих, изложенных мною ниже правил.
Мои насадки имеют преимущественно оранжевый спектральный цвет, оранжевый не спектральный цвет, пурпурный не спектральный цвет и белый не спектральный цвет. Они обязательно яркие и отчетливо выделяются на фоне окружающих предметов.
Насадки дают обильное, легко различимое облако мути имеющее тот же цвет, что и насадка.
В свои насадки я пытаюсь включать энзимы, способные поднять температуру поверхности насадки, по сравнению с температурой окружающей среды, хотя бы на один градус. Это позволяет выделить насадку на фоне окружающих ее объектов (заставляет насадку светиться изнутри) и делает ее более привлекательной и легко распознаваемой рецепторами инфракрасного зрения зрительного аппарата рыбы.
1. Википедия. Свободная энциклопедия.
3.1. Цвет и длина волны.
3.2. Чувствительность органов зрения человека.
3.3. Максимумы ночного и дневного зрения.
Автор: Саваченко Григорий
Мы часто говорим о таком понятии как свет, источниках освещения, цвете изображений и объектов, но не совсем хорошо себе представляем, что такое свет и что такое цвет. Пора разобраться с этими вопросами и перейти от представления к понимаю.
Мы окружены
Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.
От света к цвету и обратно
Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.
Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.
Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.
Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).
Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.
Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения
Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.
Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения
Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).
Цветовой тон (hue)
– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.
Яркость (Brightness)
Светлость (Lightness)
– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный — малиновый — розовый — бледно-розовый — белый.
– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.
Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).
Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.
Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop
Цвет объектов
Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.
Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.
— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.
— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.
— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.
Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).
Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра
Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.
Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра
Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.
Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра
Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.
В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета — цветовой температуре.
В 1666 году Исаак Ньютон засиделся допоздна за решением научной задачи. На следующий день он проснулся поздно, когда был уже полдень. Через щели закрытых ставень пробивались солнечные лучи, которые попадали на противоположную стену. И она была украшена весёлыми солнечными зайчиками. Ньютон обратил внимание, что один солнечный зайчик был особенно красив — он был раскрашен во все цвета радуги. Он обнаружил, что лучик, от которого образовался цветовой солнечный зайчик, на своём пути проходил через стеклянный бокал.
Читайте также: