Лекция 2 2012

Международный светотехнический словарь (МСС) [6] дает два определения понятия цвет. Первое – это «цвет (воспринимаемый); цветовое ощущение – аспект зрительного восприятия, позволяющий наблюдателю отличать один объект от другого, если различие между ними обусловлено только различием спектрального состава исходящего от них света. Описывается наименованиями: красный, желтый, зеленый и др. Зависит от условий наблюдения, предварительной цветовой адаптации, яркости и цветности фона и других факторов». Второе – «цвет психофизический» или «цвет в колориметрии».

Свет – электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом.

Одной из основных характеристик колебаний является длина волны — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обычно длина волны обозначается греческой буквой λ. Измеряется в единицах расстояния (метры, сантиметры и т.п.). В оптике обычно используют единицу длины «ангстрем», равную 10^-10м. Длину световых волн принято измерять в нанометрах (нм), 1 нанометр равен 10^-9 метра (одна миллиардная доля метра).

Скорость света – абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c». Скорость света в вакууме – фундаментальная физическая постоянная, равная 299 792 458 м/с.

В физике свет изучается в разделе оптика, может рассматриваться либо как электромагнитная волна, ее скорость распространения в вакууме постоянна (волновая теория), либо как поток фотонов – частиц, обладающих определённой энергией и нулевой массой покоя (корпускулярная теория).

К началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Заслуга в этом принадлежит английскому физику Томасу Юнгу и французскому физику Огюстену Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений.

Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что свет имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином «корпускулярно-волновой дуализм".

Цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения диапазона длин волн, в котором это излучение воспринимается глазом, так называемого, видимого диапазона. Видимый диапазон (световые волны) включает длины волн от 380 до 760 нм. Оптический диапазон помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения включает инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение (соответственно, с длинами волн приблизительно от 1 мм до 1 нм, рис. 3.1).

Рис. 3.1 Электромагнитное излучение оптического и видимого диапазонов

В зависимости от того, попадает в глаз излучение от источников света или от несамосветящихся объектов, даже при одинаковом относительном спектральном составе потоков излучения, восприятия цвета различаются. Однако обычно для обозначения цвета этих двух разных типов объектов используют одни и те же термины. К самосветящимся объектам относят солнце и различные источники света.

В состав видимого света входят монохроматические волны (электромагнитные волны одной определенной и строго постоянной частоты) с различными значениями длин волн. В излучении нагретых тел (нить лампы накаливания) длины волн непрерывно заполняют весь диапазон видимого света. Такое излучение называется белым светом. Свет, испускаемый, например, газоразрядными лампами и многими другими источниками, содержит в своем составе отдельные монохроматические составляющие с некоторыми выделенными значениями длин волн. Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром. Белый свет имеет непрерывный спектр, излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеет дискретный спектр.

3.2 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Оптические свойства – свойства вещества, связанные с взаимодействием их со светом, например, отражение, поглощение, преломление, дисперсия и другие. Причин, вызывающих различные цветовые явления, много. Например, К. Нассау считает, что их 15. В [24] он обсуждает фундаментальные вопросы взаимодействия света с веществом и цветовые явления биологических систем, атмосферы, жидких кристаллов, эмалей, стекла, глазури, драгоценных камней, обусловленные преломлением, поляризацией, интерференцией, дифракцией, рассеянием, нелинейными эффектами колорантов различных типов.

Отражение (пропускание) света. Основную часть объектов, вызывающих цветовые ощущения, составляют несамосветящиеся предметы, которые лишь отражают или пропускают свет, излучаемый источниками. И для получения цветового ощущения в этом случае необходимы: источник света, цветной объект и наблюдатель (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Основные составляющие, приводящие к цветовому ощущению

Свет источника попадает на объект, который влияет на него – отражает, пропускает, поглощает. Цвет объекта определяется спектральным распределением энергии отраженного (пропущенного) им света.

Одной из самых важных характеристик объекта является коэффициент отражения (ρ) для непрозрачных и пропускания (τ) для прозрачных веществ. Определяются как отношение интенсивности отраженного (пропущенного) объектом света к интенсивности падающего на него света.

Спектр окрашенных поверхностей определяется как зависимость коэффициента отражения ρ от длины волны λ, для прозрачных материалов - коэффициента пропускания τ от длины волны, а для источников света - интенсивности излучения от длины волны. Спектр отражения – это основная характеристика объекта, от которой зависят его цветовые характеристики. Представляется в табличном виде или в виде графика, где по оси ординат откладывается длина волны, а по оси абсцисс - интенсивность отраженного света. У большинства объектов довольно сложный спектральный состав, то есть в нем присутствуют излучения самых различных длин волн. По форме спектральной кривой можно судить о цвете излучения, отраженного от поверхности предмета или испускаемого самосветящимся источником света. Чем более эта кривая будет стремиться к прямой линии, тем более цвет излучения будет казаться ахроматическим. Чем больше будет амплитуда спектра, тем цвет излучения или предмета будет более ярким. Если спектр излучения равен нулю во всем диапазоне за исключением определенной узкой его части, мы будем наблюдать чистый спектральный цвет, соответствующий излучению, испускаемому в очень узком диапазоне длин волн. Такое излучение называется монохроматическим.

Примеры спектров отражения некоторых красок приведены на рис. 3.3.

Рис. 3.3 Спектры отражения различных цветных красок: изумрудной зелени, красной киновари, ультрамарина

Преломление света – изменение направления распространения оптического излучения (света) при его прохождении через границу раздела двух сред.

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется коэффициентом преломления среды. Показатель преломления среды n = c / v , где с – скорость света в вакууме, а v – скорость света в данной среде, скорость v зависит от плотности среды. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Рис. 3.4 Преломление света

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n = n₂ / n₁.

Так, коэффициент преломления стекла равен примерно 1,5 (зависит от сорта стекла), то есть, свет в стекле замедляется примерно на треть по сравнению со скоростью его распространения в вакууме. Скорость света в любом веществе меньше, чем в вакууме.

Дисперсия света (разложение света) – это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света. Один из самых наглядных примеров дисперсии – разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, вследствие этого пучок белого света призмой разлагается в спектр.

Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе (в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Чем меньше длина волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней.

Вывод:

• у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления;

• у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Рис. 3.5 Дисперсия света в призме

Однако в некоторых веществах (например, в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают.

Дифракция света – явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий (огибание препятствий). При определенных условиях свет может заходить в область геометрической тени. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, то есть, отклонение от законов геометрической оптики.

Дифракция наблюдается при распространении света в среде с резко выраженными неоднородностями. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или узкие отверстия), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец (максимумов и минимумов интенсивности света). Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Обычно дифpакция сопpовождается появлением максимумов и минимумов интенсивности света, то есть, интеpфеpенцией. При этом само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн). Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны. Наиболее сильно они проявляются при размерах неоднородностей сравнимых с длиной волны. При размерах неоднородностей существенно превышающих длину волны (на 3-4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь. В последнем случае распространение волн с высокой степенью точности описывается законами геометрической оптики.

Теорию дифракции (независимо от Томаса Юнга) создал французский физик Огюстен Жан Френель (1788 – 1827 гг.), положив в основу принцип Гюйгенса и дополнив его фундаментальной идеей об интерференции элементарных волн.

Пpи пpактическом использовании дифpакции света большой интеpес пpедставляет дифpакционная pешетка. Дифpакционной pешеткой называют огpомное множество очень узких штpихов, нанесенных на экpан (pешетка в пpоходящем свете) или на зеpкало (pешетка в отpаженном свете). Дифpакционная pешетка используется как спектpальный пpибоp и как измеpитель длины волны света высокой степени точности. Дифpакция тем яpче выpажена, чем уже щель и чем больше длина волны. Расстояние, через которое повторяются штрихи на решетке, называют периодом дифракционной решетки. Хорошую решетку изготовляют с помощью специальной делительной машины, наносящей на стеклянную пластину параллельные штрихи. Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1 мм; общее число штрихов может превышать 100000.

В результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее белый свет разлагается на спектр (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр является сжатым в красной части и растянутым в фиолетовой области. Он располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому. Дифракционный спектр – равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному. Призмы и дифракционные решетки – важнейшие элементы цветоизмерительных приборов, позволяющие получать монохроматический спектр.

Рис. 3.6 Дифракция света на ткани и CD диске

Интерференция света – явление взаимного усиления или ослабления света до полной темноты (гашения) при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний.

Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лабораторных условиях принадлежит Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

Рис. 3.7 Кольца Ньютона

Теория Юнга позволила объяснить интерференционные явления, возникающие при сложении двух монохроматических волн одной и той же частоты. Интерференция возникает, когда два когерентных источника света, то есть, испускающие полностью однородные лучи света с постоянной разностью фаз, расположены очень близко друг от друга (сложение когерентных колебаний). Такими источниками света являются, например, два зеркальных изображения одного источника света. У двух разных источников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют.

Интерференция возникает также при разделении первоначального луча света на два луча при его прохождении через тонкую плёнку, например плёнку, наносимую на поверхность линз у просветлённых объективов. Отражённые лучи будут иметь постоянную разность фаз, равную удвоенной толщине плёнки, станут когерентными и возникнет интерференция. Полное гашение лучей произойдет при толщине пленки равной четверти длины волны: . Если λ = 550 нм, то толщина плёнки равняется 550:4=137,5 нм. Лучи соседних участков спектра по обе стороны от λ = 550 нм интерферируют не полностью и только ослабляются, отчего плёнка приобретает окраску

Явление интерференции наблюдается в тонком слое несмешивающихся жидкостей (керосина или масла на поверхности воды), в мыльных пузырях, на крыльях бабочек, в цветах побежалости.

Рис. 3.8 Интерференция света

Часто все эти оптические явления присутствуют одновременно. Например, в радуге, которая наблюдается в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Радуга – это не то, что находится в определенном месте. Радуга – это то, что можно видеть в определенном направлении (под углом около 42° к оси). Объяснения теории были даны Р. Декартом в 1637 г., И. Ньютоном, английским астрономом Дж. Эри (1836 г.) и в конце 19 века развита австрийским геофизиком Й. М. Пернтером. Эта теория основана на расчете явлений дифракции и интерференции, сопровождающих встречу солнечных лучей с решеткой, образуемой дождевыми каплями. В то же время факт появления разноцветной радуги объясняется дисперсией. Солнечный свет испытывает преломление в каплях воды, взвешенных в воздухе. Эти капли по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате чего белый свет разлагается в спектр.

* Излучение с определенными цветовыми характеристиками, попадающее в глаз и вызывающее ощущение цвета, называется цветовым стимулом.

 Цвета любых двух излучений, создающих в смеси белый цвет, называют дополнительными цветами.

23