Поглощение света что это?
Что такое поглощение света, процессы, оптические свойства
Поглощение света — это процесс, при котором энергия света преобразуется в другую форму энергии. Посредством различных процессов свет может поглощаться в различных средах. Это означает, что оптическая энергия преобразуется в какую-либо другую форму энергии (иногда обратно в оптическую энергию). В большинстве случаев энергия в конечном итоге преобразуется в тепловую энергию.
Термин поглощение используется не только для процессов поглощения, но и часто для связанных величин. Например, вместо коээфициента поглощения — логарифмическая мера для распределенного поглощения в среде. Достаточно сильное поглощение может сделать объект непрозрачным или, по крайней мере, ввести некоторый уровень непрозрачности.
Процессы поглощения
Общее различие заключается в внутреннем и внешнем поглощении. Внешнее поглощение возникает из–за вещей, которых в принципе можно было бы избежать. Например, из-за примесей и структурных дефектов, которые могут отсутствовать в чистом высококачественном материале. Внутреннее поглощение является результатом основных свойств чистого материала.
Процессы внутреннего поглощения
В собственном линейном поглощении света могут быть задействованы следующие физические процессы:
- В изоляционном материале (диэлектрике) или полупроводнике, имеющих определенную энергию запрещенной зоны, сильное линейное поглощение света происходит, когда энергия фотонов света превышает энергию запрещенной зоны (что часто возможно только в ультрафиолетовой области спектра). Каждое поглощение фотона вызывает возбуждение одного электрического носителя через запрещенную зону, так что получается один дополнительный носитель в зоне проводимости и одна дырка в валентной зоне. Энергия электронного возбуждения впоследствии может быть преобразована в тепло (т.е. в несколько фотонов) или частично в флуоресцентный свет, часто в течение наносекунд или даже быстрее.
- Массивное линейное поглощение в ионных кристаллах и в стеклах возможно на длинных (инфракрасный) длинах волн благодаря связи с оптическими фононами. При несколько более коротких длинах волн обычно получается значительное многофононное поглощение. Например, в плавленом кремнеземе это происходит для длин волн за пределами инфракрасного края поглощения примерно на 2 мкм.
- Иная ситуация наблюдается в металлах, где зона проводимости заполнена не полностью. Из-за сильного отражения поглощение света может происходить только в тонком поверхностном слое, который, тем не менее, может быть значительным в определенных областях длин волн. Поглощающие свойства также могут зависеть от шероховатости поверхности и иногда намеренно изменяются путем наноструктурирования.
Существует также много случаев, когда материал содержит некоторое количество поглощающей примеси, в то время как сам материал-носитель проявляет лишь незначительное поглощение. Это относится к твердотельным (легированным изоляторам) средам усиления.
Внешние процессы поглощения
Различные типы процессов, которых в принципе можно было бы избежать, приводят к внешнему поглощению, например, в оптических стеклах, в нелинейных кристаллических материалах и в лазерных кристаллах:
- Могут быть ионные примеси, которые вносят поглощение, основанное на электронных переходах. Обычно это либо редкоземельные материалы, либо материалы с переходными металлами. В зависимости от типа элементов (Cr, Cu или Fe), их зарядового состояния и химического окружения (лигандов) их спектры поглощения могут быть совершенно разными. Линии поглощения в видимом спектральном диапазоне приводят к появлению цвета, если поглощение достаточно сильное.
- Аналогичным образом, полупроводниковые нанокристаллы могут приводить к поглощению, в этом случае связанному с межзонными переходами для энергий фотонов выше энергии запрещенной зоны. Такие полупроводниковые нанокристаллы часто образуются только при вторичной термообработке, детали которой могут существенно влиять на характеристики поглощения.
- Металлические наночастицы, помимо рассеяния, также вызывают поглощение.
- Различные типы дефектов решетки также могут вносить поглощение.
Примеси также могут изменять свойства внутреннего поглощения – например, сдвигать энергию запрещенной зоны и соответствующую границу поглощения при образовании полупроводникового соединения.
Линейное и нелинейное поглощение
Линейное поглощение означает, что коэффициент поглощения не зависит от оптической интенсивности. Существуют также нелинейные процессы поглощения, где коэффициент поглощения является линейной функцией интенсивности или более высокого порядка. Например, двухфотонное поглощение — это процесс, при котором два фотона поглощаются одновременно, а коэффициент поглощения линейно возрастает с интенсивностью. Процессы многофотонного поглощения более высокого порядка часто участвуют в лазерно-индуцированных повреждениях, вызванных интенсивными лазерными импульсами.
Насыщаемое поглощение также можно рассматривать как разновидность нелинейного поглощения. Здесь, однако, коэффициент поглощения снижается под воздействием интенсивного света, например, из-за истощения начального электронного уровня для поглощения света.
Влияние на поглощающую среду и ее оптические свойства
Поскольку свет несет энергию, поглощение света связано с отложением энергии в поглощающей среде. В большинстве случаев эта энергия в основном преобразуется в тепло, хотя иногда значительное количество полученной энергии излучается в виде флуоресценции. При сверхкоротких световых импульсах выделение энергии может привести к сильно неравновесным состояниям и, следовательно, не только к простому нагреву.
Процессы поглощения света, например, в твердых материалах, обычно возникают в результате взаимодействия электромагнитной волны с электронами, возбуждая их до уровней возбужденной энергии. После этого требуется некоторое время (время термализации электронной решетки) для передачи этой энергии атомным ядрам, т. е. энергии колебаний. Обычно это происходит в течение пары пикосекунд, а затем требуется гораздо больше времени, чтобы распределить это тепло по некоторому объему среды.
Это означает, что термализация, не говоря уже о теплопроводности, может занять гораздо больше времени, чем длительность импульса фемтосекундного лазера. Это имеет важные последствия для лазерной обработки металлов с помощью сверхбыстрых лазеров, где задействованные процессы нельзя понимать как простой нагрев материала. Вместо этого мы имеем дело с сильно неравновесными состояниями вещества, которые могут привести к быстрому нанесению материала, в то время как находящийся совсем рядом другой материал, на который непосредственно не попадает лазерное излучение, даже существенно не нагревается. Возникающее в результате возбуждение может сильно увеличить поглощение света.
Кроме того, измененная популяция электронных состояний может существенно изменять поглощение на длине волны поглощаемого света, а также на других длинах волн. Выше уже упоминалось, что поглощение может быть насыщенным. В других случаях поглощение света сильно увеличивается из-за изменений состояния вещества, вызванных светом.
Это часто используется при лазерной обработке материалов, где начальное поглощение, например, металлом слабое, но сильно увеличивается, когда материал сильно возбужден (аномальное поглощение). В различных материалах можно получить поглощение в возбужденном состоянии на длинах волн, на которых материал обычно не поглощает. В полупроводниках при высоких интенсивностях происходит поглощение свободных носителей. Неоднородный нагрев за счет поглощения света приводит к механическому напряжению.
Если поглощение света вызывает нагрев поглощающей среды, это впоследствии приведет к тепловому расширению. Нагрев часто сильно неоднороден; например, он может происходить внутри сфокусированного лазерного луча. Локальное тепловое расширение затем приводит к механическому напряжению в среде, которое может даже привести к разрушению, когда осажденная тепловая мощность или энергия достаточно высоки. Кроме того, температура вызывает небольшую локальную модификацию показателя преломления, которая (вместе с эффектами, связанными со стрессом) может вызывать эффекты теплового линзирования.
Поглощение света также может иметь электрические эффекты. Например, существуют фоторезисторы, в которых электрическое сопротивление уменьшается за счет поглощенного света. В фотодиодах и фототранзисторах используется внутренний фотоэлектрический эффект, связанный с возбуждением электрических носителей за счет поглощения света. В некоторых случаях поглощение света приводит к охлаждению, а не к нагреву.
В некоторых особых случаях почти весь поглощенный свет вызывает флуоресценцию, а не тепло, и может быть даже эффект чистого охлаждения. Может даже случиться так, что на некоторых (обычно более длинных) длинах волн можно получить лазерное усиление для достаточно сильного возбуждения среды, обычно с инверсией неселенности. Затем среда может генерировать лазерное излучение, которое может удалять значительную часть осажденной энергии.
Если свет поглощается атомами или молекулами газа, световые силы, связанные с поглощением, могут стать актуальными. Их можно использовать, например, для доплеровского охлаждения.
Физические свойства поглощения
Поглощение в полупрозрачной среде обычно определяется количественно с помощью коэффициента поглощения, указывающего, какая доля оптической мощности теряется на единицу длины. Величина, обратная коэффициенту поглощения, называется длиной поглощения. Поглощение материала заданной длины (например, пластины определенной толщины) может быть количественно определено с помощью коэффициента поглощения.
Если поглощение вызвано какой-либо поглощающей примесью, вклад в поглощение на атом или ион примеси часто количественно определяется с помощью поперечного сечения поглощения. Поскольку коэффициенты поглощения зависят от длины волны, часто получают спектры поглощения, показывающие коэффициент поглощения как функцию длины волны или оптической частоты.
Непрозрачным объектам можно приписать поглощающую способность, которая представляет собой долю падающего света, которая поглощается, а не передается, отражается или рассеивается.
Коэффициент поглощения
Поглощение света на единицу длины в среде часто количественно определяется с помощью коэффициента поглощения α, также называемого коэффициентом ослабления. Для короткой длины распространения коэффициент составляет приблизительно 1 − αz. Для более длинных длин распространения коэффициент пропускания равен exp(− αz). (Предполагалось, что другие процессы, приводящие к рассеянию или отражению света, не происходят.) Внимание: коэффициенты поглощения для амплитуд поля в два раза меньше!
Обратите внимание, что иногда коэффициенты поглощения используются для амплитуд поля вместо оптических мощностей или интенсивностей. Они в два раза меньше, чем соответствующие коэффициенты поглощения интенсивности, поскольку интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды поля.
В некоторых случаях используется декадный коэффициент поглощения, который меньше в 10 раз, так что поглощение — это просто коэффициент, умноженный на длину оптического пути.
Обратите внимание, что экспоненциальное уменьшение интенсивности света может быть результатом не только поглощения, но и отражения, что наблюдается, например, для металлов. Тогда коэффициент экспоненциального затухания не следует называть коэффициентом поглощения.
Если поглощение вызвано поглощением атомов или ионов (например, ионов легирующей примеси в каком−либо прозрачном стекле или кристаллическом материале), коэффициент поглощения представляет собой произведение плотности легирования (в единицах м -3 ) и поперечного сечения поглощения (в единицах м2 ) на соответствующей оптической длине волны.
Длина поглощения
Когда свет поглощается в однородной среде с определенным коэффициентом поглощения α, оптическая интенсивность экспоненциально уменьшается пропорционально exp (− αz), где z — расстояние распространения. (Предполагается, что на интенсивность не влияет расходимость или сходимость луча.) Длина поглощения определяется как величина, обратная коэффициенту поглощения. После этой длины распространения интенсивность уменьшается до 1 / e (≈37%) от ее первоначального значения. После четырех длин поглощения остается только ≈1,8% от начальной интенсивности.
Среда усиления лазера с оптической накачкой часто изготавливается с длиной, которая составляет примерно от 2 до 3 длин поглощения на длине волны накачки, так что поглощение накачки является достаточно эффективным.
Термин глубина проникновения часто используется в том же значении, что и длина поглощения, но его следует рассматривать как более общий термин, поскольку ограниченное проникновение в материал может быть результатом не только поглощения света, но и отражения. Это типичная ситуация, например, для металлов, где быстрое снижение интенсивности происходит в основном из-за отражения.
Генерация квантового шума посредством поглощения
Даже простые линейные процессы поглощения вносят некоторое количество квантового шума. Это можно интуитивно понять, если учесть, что часть падающего фотона случайным образом удаляется, в то время как другие фотоны остаются в световом луче. Таким образом, изначально совершенно регулярный поток фотонов будет преобразован в случайный поток фотонов, проявляющий некоторый шум интенсивности.
Если падающий свет находится в когерентном состоянии, демонстрируя стандартный уровень шума выстрела, дополнительного шума, добавляемого за счет линейного поглощения, достаточно, чтобы поддерживать остаточный свет на уровне шума выстрела (который относительно сильнее для более слабого света). Нелинейные процессы поглощения могут изменять свойства квантового шума более сложными способами.
Физика. 11 класс
§ 32. Излучение и поглощение света атомом. Спектры испускания и поглощения
Модель атома Бора позволяет описать процессы излучения и поглощения света атомом. Как это происходит? Как фотон «появляется на свет»? Что меняется в атоме после поглощения фотона?
Вследствие того что энергия атома квантована, она характеризуется определенным набором энергетических уровней En. Испускание излучения происходит при самопроизвольном переходе атома с высших энергетических уровней Ek на один из низших энергетических уровней En (Ek > En) Атом излучает фотон (квант электромагнитной энергии) с энергией .
Частота излучения при этом:
Подчеркнем, что наряду с прямым переходом атом может переходить из возбужденного состояния в основное поэтапно, через промежуточные состояния. При этом излучаются соответствующие промежуточным переходам кванты света. Набор таких частот образует линейчатый спектр излучения атома.
Поглощение света — процесс, обратный испусканию. Атом, поглощая фотон h ν kn = E n — E k переходит из низшего k состояния в более высокое n (Ek < En) состояние. Частота поглощенного фотона:
Подобные переходы дают линейчатый спектр поглощения атома.
Подчеркнем, что частоты переходов с испусканием и поглощением, происходящие между одними и теми же энергетическими уровнями, совпадают.
Таким образом, спектры атомов позволяют определять изменения энергии атома при испускании или поглощении ими излучения.
Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Они бывают трех типов: линейчатые, полосатые и сплошные.
Линейчатые спектры имеют все вещества в газообразном атомарном состоянии. Обычно (например, при нормальных условиях) атомы газа находятся в основном состоянии и не излучают света. Если такой газ нагревается, некоторые атомы переходят на более высокие энергетические уровни. Именно эти атомы при переходе в более низкие энергетические состояния и испускают фотоны. В результате атомарные спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, разделенных темными промежутками (рис. 199).
Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.
Полосатые спектры имеют газы, состоящие из молекул. Для объяснения молекулярных спектров необходимо принимать во внимание большую сложность структуры молекул. В молекулах, кроме движения электронов, происходят колебательное движение ядер около положения равновесия и вращательное движение молекулы как целого. Согласно квантовой механике энергия всех видов движения может принимать только определенные дискретные значения (квантуется). Полная энергия молекулы определяется тремя видами ее внутренних движений. Электронному, колебательному и вращательному движениям молекулы соответствуют три типа уровней энергии: электронные, колебательные и вращательные. При соединении атомов в молекулы каждый атомный уровень превращается в ряд близких уровней, соответствующих колебательным и вращательным движениям. Так как расстояние между этими уровнями очень мало, особенно в случае вращательных уровней (характерное расстояние между уровнями составляет эВ), то в результате переходов между этими уровнями возникает множество очень близких спектральных линий.
В таких спектрах в отличие от атомных спектров совокупность тесно расположенных спектральных линий образуют полосы, разделенные темными промежутками (рис. 200). Спектры молекул можно использовать для идентификации молекул и их структуры.
Непрерывные (сплошные) спектры имеют нагретые тела, находящиеся в твердом и жидком состоянии, а также газы при высоком давлении и плазма. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса (рис. 201).
Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения (рис. 202).
Так, вещество в газообразном состоянии поглощает наиболее сильно свет тех длин волн, которые оно испускает в нагретом состоянии.
Это означает, что темные линии в спектре поглощения будут находиться как раз в тех местах, где находятся светящиеся линии в спектре испускания данного химического элемента. Эти строго установленные закономерности в линейчатых спектрах дают возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.
Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом. Это самый быстрый и простой способ определения состава различных химических соединений.
Спектр поглощения атома водорода при нормальных условиях содержит только одну серию линий, частоты которых находятся в ультрафиолетовой области.
Наиболее изученным спектром поглощения является спектр Солнца. Его сплошной спектр содержит значительное количество черных линий. Эти линии являются линиями поглощения, возникающими при прохождении света через газовую оболочку Солнца и атмосферу Земли. Они получили название фраунгоферовых линий, так как Фраунгофер впервые наблюдал спектр Солнца и установил, что закономерность их расположения не случайна и линии поглощения (темные линии) появляются всегда только на определенных местах.
Основатели спектрального анализа немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, исследуя спектры паров соединений щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах. У рубидия — красная линия, у цезия — синяя.
Спектральный анализ базируется на двух основных положениях:
1) каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
2) интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.
К достоинствам спектрального анализа исследования можно отнести:
— высокую чувствительность (обнаруживает элементы с относительной концентрацией , т. е. один атом вещества на сто миллионов других атомов);
— малое время измерения;
— малые количества исследуемого вещества (достаточно г и даже до г) вплоть до возможности детектирования отдельных молекул;
— дистанционность измерений (можно проводить исследования, например, состава атмосферы далеких планет).
По спектрам определяют, из каких химических элементов состоит вещество и в каких количествах.
Белорусский физик академик Михаил Александрович Ельяшевич разработал основы теории колебаний многоатомных молекул и их колебательных спектров. Он внес значительный вклад в теорию спектров редкоземельных элементов и низкотемпературной плазмы.
СПЕКТР
СПЕКТР, расположение ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, упорядоченное по длине ВОЛНЫ или по ЧАСТОТЕ. Спектр видимого света является последовательностью цветов (красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового). Каждый цвет соответствует различной длине волны. Спектр можно увидеть в радуге или, когда белый свет проходит сквозь призму. Явление, наблюдаемое, когда видимый свет проходит сквозь ДИФРАКЦИОННУЮ РЕШЕТКУ, создает непрерывный спектр, в котором присутствуют все длины волн (в пределах определенных границ). Спектры, состоящие из ярких линий или полос на темном фоне, называются спектрами испускания. Они возникают, когда вещество сильно нагревается или подвергается бомбардировке электронами.Спектры поглощения, состоящие из темных участков на ярком фоне, получаются, когда белый свет проходит сквозь полупрозрачную среду, которая поглощает некоторые частоты. Линейчатый спектр является спектром, в котором появляются только определенные длины волн, или «линии». Полосатый спектр состоит из линий, сгруппированных в полосы. Спектры испускания и поглощения индивидуальны для каждого вещества, поэтому их применяют для идентификации веществ в науке СПЕКТРОСКОПИИ. Спектры являются результатом переходов ЭЛЕКТРОНОВ между различными энергетическими уровнями в атомах или молекулах вещества, что приводит к испусканию или поглощению электромагнитного излучения.
Существуют два основных типа линечатого спектра: спектр испускания и спектр поглощения Испускание(А) является результатом возбуждения вещества, что заставляет электроны вещества перемещаться на более высокий энергетический уровень. Фотоны света испускаются тогда, когда электроны возвращаются к своему первоначальному состоянию. И наоборот, поглощение спектра (В)возникает, когда фотоны света поглощаются, поднимая электроны атома на более высокий энергетический уровень. Вещество, испускающее свет на определенной частоте, поглощает его на той же частоте. Когда белый свет проходит через вещество (С), можно увидеть поглощающий спектр — это непрерывный спектр (кроме темных линий) с длинами волн, которые вещество испускало бы, светясь само.
Синонимы слова «СПЕКТР»:
Смотреть что такое СПЕКТР в других словарях:
СПЕКТР
СПЕКТР, -а, м. (спец.). 1. Совокупность всех значений какой-н.величины, характеризующей систему или процесс. Оптический с. Акустический с.2. Совокупность цветовых полос, получающихся при прохождении светового лучачерез преломляющую среду. Солнечный с. Все цвета спектра. II прил.спектральный, -ая, -ое. С. анализ. смотреть
СПЕКТР
спектр м. 1) Совокупность цветовых полос, получающаяся при прохождении светового луча через призму или иную преломляющую среду. 2) Совокупность всех значений какой-л. величины, характеризующей систему или процесс.
. смотреть
СПЕКТР
спектр м. физ.spectrum (pl. -ra)
СПЕКТР
спектр сущ., кол-во синонимов: 3 • радиоспектр (1) • раманспектр (1) • рентгеноспектр (1) Словарь синонимов ASIS.В.Н. Тришин.2013. . Синонимы: радиоспектр, раманспектр, рентгеноспектр. смотреть
СПЕКТР
СПЕКТР колебаний, совокупность простых гармонич. колебаний, на к-рые может быть разложено данное сложное колебат. движение. Математически такое движе. смотреть
СПЕКТР
СПЕКТР (от лат. spectrum — представление, образ) в физике, совокупность различных значений, к-рые может принимать данная физич. величина. С. могут бы. смотреть
СПЕКТР
прямой и обратный спектр в категории Прямым спектром в категории наз. семейство объектов с индексами из направленного множества и семейство морфи. смотреть
СПЕКТР
оператора- совокупность чисел для к-рых оператор не имеет всюду определенного ограниченного обратного. Здесь А — линейный оператор в комплексном б. смотреть
СПЕКТР
м.spectrum (мн. spectra)- абсорбционный спектр- автоионизационный спектр- адронный спектр- активационный спектр- акустический спектр- амплитудно-частот. смотреть
СПЕКТР
СПЕКТРэлектромагнитного излучения, упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Типичный пример спектра — хорошо известная всем радуга. Возможность разложения солнечного света на непрерывную последовательность лучей разных цветов впервые экспериментально показал И.Ньютон в 1666. Направив на трехгранную призму узкий пучок света, проникавший в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне окна, он получил на противоположной стене изображение окрашенной полоски с радужным чередованием цветов, которая была названа им латинским словом spectrum. Проводя опыты с призмами, Ньютон пришел к следующим важным выводам: 1) обычный «белый» свет является смесью лучей, каждый из которых имеет свой собственный цвет; 2) лучи разных цветов, преломляясь в призме, отклоняются на различные углы, вследствие чего «белый» свет разлагается на цветные составляющие. Со временем ньютоновская интерпретация природы света завоевала всеобщее признание, поскольку хорошо согласовалась с экспериментальными данными, а сам эксперимент был принят учеными за основу научного подхода к изучению явлений природы.Видимый свет — это лишь малая часть широкого спектра электромагнитного излучения, включающего радиоволновое, микроволновое, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Каждый вид излучения представляет собой волну из взаимно перпендикулярных электрической и магнитной компонент, периодически меняющихся с определенными частотами (иначе говоря, волна имеет определенную длину). Волны, которые воспринимаются глазом человека, принадлежат видимой области; именно к ней в свое время относился введенный Ньютоном термин «спектр». В современной науке этот термин распространен на весь диапазон электромагнитного излучения.Спектральные исследования сыграли ключевую роль в познании Вселенной. С их помощью удалось понять строение не только атомов и молекул, но и таких астрофизических объектов, как Солнце, звезды, планеты, и получить подробную информацию об их движении. Разработанная теория спектров и накопленные эмпирические данные позволили создать метод спектрального анализа для качественного и количественного определения состава химических веществ. См. также ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ; РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ; СВЕТ.Классификация спектров. Все спектры делятся на два основных класса: спектры испускания (или эмиссионные) и спектры поглощения. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на непрерывные (сплошные), полосатые и линейчатые спектры. Поясним эту классификацию на примере видоизмененной схемы опыта Ньютона (которая, заметим, была применена лишь столетие спустя). Основное нововведение в этой схеме состояло в том, что круглое отверстие в ставне было заменено коллиматором — узкой щелью и линзой перед призмой. Вторая линза помещалась за призмой и предназначалась для проецирования спектра на экран, как это делал сам Ньютон в своих более поздних опытах. Если на щель простого спектроскопа (как теперь называется устройство, состоящее из щели, линз и призмы) направить свет от лампы накаливания, то на экране возникает непрерывный спектр со следующим порядком чередования цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Если же щель осветить пламенем, в которое внесена крупинка поваренной соли (хлорида натрия NaCl), то спектр будет фактически состоять из двух близко расположенных ярких желтых линий. Аналогично, если щель осветить красным светом неоновой рекламной трубки, то на экране появится ряд ярких красных линий. Здесь каждая линия — это изображение щели спектроскопа, образованное светом определенной длины волны, а полученный спектр называется линейчатым спектром испускания. Существуют спектры, состоящие из групп линий, расположенных настолько тесно, что каждая группа выглядит как узкий участок непрерывного спектра. Такие спектры называются полосатыми.Линии Фраунгофера. В 1802, изучая непрерывный спектр Солнца, У.Волластон заметил в нем множество тонких темных линий. Двенадцатью годами позже Й.Фраунгофер, заменив зрительную трубу в спектроскопе Волластона трубой теодолита, точно измерил угловое положение темных линий. В честь него эти линии теперь называются фраунгоферовыми линиями солнечного спектра. См. также СОЛНЦЕ.Исследования Кирхгофа. В 1859 Г.Кирхгоф сформулировал свой знаменитый закон, связывающий поглощение и испускание. Суть его заключается в том, что любое вещество хорошо поглощает излучение именно тех длин волн, которое само интенсивно испускает. На основании этого закона Кирхгоф следующим образом объяснил появление фраунгоферовых линий в непрерывном солнечном спектре. Газ, находящийся во внешних, наиболее холодных слоях солнечной атмосферы, избирательно поглощает из сплошного спектра ярко светящейся фотосферы Солнца излучение тех длин волн, которые соответствуют линиям испускания возбужденного газа. Поэтому на отдельных участках непрерывного солнечного спектра резко падает интенсивность и появляются темные линии.Одно из самых важных открытий физической оптики состоит в том, что каждый атом и каждая молекула испускают характерный только для них линейчатый спектр. Многие исследователи, работавшие после Фраунгофера, были близки к этому открытию, но лишь Кирхгоф смог четко сформулировать его и применить на практике. Он понял, что характеристические спектры и закон, связывающий поглощение и испускание, позволяют спектральным методом определить химический состав солнечной атмосферы и, более того, что они являются универсальным инструментом, дающим возможность в лабораторных условиях обнаруживать и анализировать различные элементы (так, к примеру, были открыты рубидий и цезий). Его работы, выполненные совместно с Р.Бунзеном, заложили основы современной спектроскопии. См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.См. также:СПЕКТР: СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. смотреть
СПЕКТР
СПЕКТРлат. spectrum, франц. spectre. а) Призрак. b) Спектр солнечный: продолговатое изображение солнца, состоящее из семи поперечных разноцветных полос. смотреть
ЦВЕТ
Цвет — это жизнь, и мир без красок представляется нам мертвым.
Как пламя порождает свет, так свет порождает цвет.
Цвет — это дитя света, и свет — его мать.
Свет, как первый шаг в создании мира, открывает нам через цвет его живую душу.
Иоханнес Иттен
Мир, в котором мы живем, чрезвычайно разнообразен и богат, и представляется человеку в двух главных формах — как вещество и свет. Основное восприятие вещественных предметов происходит при воздействии света на орган зрения — глаз, который позволяет человеку с помощью света оценить два важнейших качества предметов: форму и цвет.
Так что же такое цвет? За те годы, что существует наука о цвете давались многочисленные оценки феномена цвета и цветового видения, однако все из них можно свести к одному простому определению: цвет — это ощущение (психофизиологическая реакция), возникающее в головном мозге в ответ на свет, попадающий в глаз человека. Свет, например, белый солнечный, падая на окрашенные предметы, изменяется (модифицируется) и, воздействуя на глаз наблюдателя, вызывает ощущение того или иного цвета. Таким образом, человек имеет возможность видеть окружающие его предметы и воспринимать их цветными за счет света — понятия физического мира, но сам цвет уже не является понятием физики, поскольку это есть субъективное ощущение, которое рождается в нашем сознании под действием света. Следовательно, цвет является результатом взаимодействия света, объекта и наблюдателя.
В данной главе рассказывается о причинах различий в восприятии цвета, о том, какие факторы влияют на наше цветоощущение, и что происходит в процессе изменения этих факторов. Разъясняется вклад каждого из них в происхождение такого комплексного и многогранного явления как «цвет».
Но прежде, чем мы сможем перейти к рассмотрению факторов влияния на цвет, мы должны установить операционное определение видимого света.
Излучение, свет и цвет
Видимый свет — это энергия, находящаяся в форме излучения. Это электромагнитное излучение имеет волновую природу, т.е. распространяется в пространстве в виде периодических колебаний (волн), совершаемых им с определенной амплитудой и частотой. Если представить такую волну в виде кривой, то получится синусоида. Расстояние между двумя последовательными пиками этой синусоиды называется длиной волны и измеряется в нанометрах (нм). Вместе с видимым светом существуют также прочие формы энергонасыщенного излучения: космические лучи, рентгеновское и тепловое излучения, микроволны, радиоволны и т. д. Поместив длины волн в график рядом с соответствующими типами излучений, мы получим изображение электромагнитного спектра (Рис. 1).
Электромагнитный спектр показывает все длины волн, характеризующие тип электромагнитного излучения, от коротких гамма-лучей до длинных, таких как радиоволны. Среди прочих, в электромагнитном диапазоне присутствует небольшая часть, соответствующая видимому излучению. Таким образом, видимый свет — это одна из форм электромагнитного излучения, занимающая небольшую часть спектра электромагнитных излучений.
На рисунке 2 длины волн обозначены в нанометрах. Один нанометр — это одна миллиардная часть метра. Диапазон от 400 до 700 нанометров охватывает всю гамму воспринимаемых человеческим глазом цветов. Совокупность этих цветов в результате формирует восприятие белого света. Излучения до 380 и выше 760 нм мы не видим, но они могут восприниматься нами посредством других механизмов осязания (как например, инфракрасное излучение) либо регистрироваться специальными приборами.
Спектр видимого излучения
Видимый спектр можно получить, разложив луч белого солнечного света в стеклянной призме на цветные монохроматические составляющие (Рис. 3). Преломление света в призме (изменение направления распространения) тем больше, чем меньше его длина волны. Наиболее сильно отклоняются синие и фиолетовые лучи. Этот эксперимент впервые правильно объяснил Ньютон, подчеркнув, что лучи света разной длины волны только интерпретируются нами как цветные. При невысокой яркости мы уверенно выделяем в видимом непрерывном спектре солнечного света, например в радуге дождя, семь цветов (при условии, что каждый из них является фоном для других): красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Их легко запомнить по первым буквам слов в мнемонической фразе — Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан. На самом деле различимых цветов видимого спектра значительно больше, и при достаточной яркости человек путем сравнения выделяет около ста тридцати спектральных цветов.
В диапазоне длин волн от 700 до 660 нм мы воспринимаем оттенки красного цвета, от 540 до 500 нм оттенки зеленого цвета, от 450 до 470 нм оттенки синего цвета и так далее. При этом количество оттенков каждого цвета различается. Например, в синем диапазоне наибольшее количество оттенков — около 23, в красном диапазоне наименьшее количество оттенков — около 6 (Рис. 4).
Более точное соответствие длины волны и воспринимаемыми нами оттенками того или иного цвета представлено в данной таблице:
Весь спектр можно разделить на две части: на теплые цвета — красный, оранжевый, желтый, желто-зеленый, которые ассоциируются у нас с цветом огня, и холодные цвета — зеленый, голубой, синий, фиолетовый, которые мы связываем с цветом льда и воды.
Так как цвет является результатом взаимодействия трех факторов — источника света, объекта и наблюдателя — следует рассказать о них более подробно.
Первый фактор, влияющий на цвет, — это источник освещения. Один и тот же предмет, рассматриваемый при разном освещении, выглядит по-разному. Например, желтый предмет в свете лампы накаливания будет выглядеть
Причина различий в том, что два источника света имеют разный спектр излучения: в спектре дневного света пик излучения приходится на синюю область; в спектре лампы накаливания максимальное значение — в красном и желтом диапазонах спектра, а минимальное — в синем и фиолетовом.
Электромагнитное излучение, производимое источником освещения, также можно представить в виде кривой излучения. В такой диаграмме ось Y будет обозначать излучаемую энергию в значениях от 0 до 100%. При рассмотрении источников освещения процент излучения (эмиссии) по данной длине волны берется от общей интенсивности излучаемого света.
При сравнении различных источников освещения очень важно обращать внимание на распределение энергии по всему излучаемому спектру, иными словами, на форму спектральной кривой излучения (Рис. 6). Общее количество излучаемой различными источниками освещения энергии может сильно различаться. Рассмотрим несколько примеров, изучив спектры распространенных источников освещения.
Непосредственным источником дневного света является Солнце, излучение которого за пределами атмосферы очень близко к излучению абсолютного черного тела с температурой 6560 К. Проходя через атмосферу, солнечный свет претерпевает значительные изменения в спектральном составе из-за избирательного поглощения и рассеивания. Свет, освещающий земную поверхность, складывается из прямого солнечного света и света, рассеянного небосводом.
На рисунке 7 — кривая излучения солнечного света. Мы видим, что кривая имеет выраженный пик в синей части спектра. Это указывает на то, что солнечный свет несколько синеват.
Лампы накаливания
В лампах накаливания светящимся телом является раскаленная нить из вольфрама. По цветовой температуре излучение вольфрама близко к излучению абсолютного черного тела. Цветовая температура излучения этих ламп равна 2850 К. К лампам накаливания относятся обыкновенные осветительные лампы, лампы-вспышки, предназначенные для фотографирования, кинопроекционные и т.д. Короткий срок эксплуатации этих ламп объясняется тем, что раскаленный вольфрам испаряется, происходит разрыв нити, и лампа перегорает.
Сравним солнечный свет с излучением лампы накаливания (Рис. 8). Очевидно, что спектр излучения лампы накаливания имеет пик в красной зоне спектра. Это логично, так как лампа накаливания излучает свет, производимый раскаленной спиралью. Наибольшая же часть энергии излучается в инфракрасном диапазоне, что воспринимается нами как тепло.
Флуоресцентные лампы (свет)
Зайдя в какое-либо производственное помещение, мы замечаем, что наша кожа и одежда приобретают зеленоватый оттенок. Это результат флуоресцентного освещения. Флуоресцентная лампа поглощает излучение определенной длины волны электромагнитного спектра и переводит его на другую длину волны уже в видимой части спектра, где и происходит излучение. Большинство флуоресцентных ламп наполнены газом, который ионизируется благодаря подаче напряжения электропотенциала на ее электроды. Большая часть энергии излучается в ультрафиолетовой части спектра, но, как показано на рисунке 9, присутствуют также пики на некоторых длинах волн видимого спектра.
Ультрафиолетовые волны, излучаемые газом, улавливаются флуоресцентным покрытием на колбе лампы и вновь излучаются уже в границах видимого спектра. Это хорошо видно на диаграмме излучения, когда каждому пику предшествует провал.
Тип использованного флуоресцентного покрытия определяет форму кривой излучения. Холодные белые лампы излучают больше энергии в голубой части видимого спектра. Лампы теплых цветов имеют пик в его красной области. При сравнении ламп одного типа, но разных производителей, заметна разница в толщине и химическом составе флуоресцентного слоя, что приводит к появлению хорошо заметной разницы кривых излучения. Поэтому для работы с цветом необходимо указывать не только тип, но и производителя флуоресцентных ламп.
Натриевые лампы
Широко распространены также натриевые газоразрядные лампы. Они часто используются для освещения улиц, паркингов, заводов и прочих больших территорий благодаря их экономичности. Объекты, освещенные такими лампами, приобретают оранжевый оттенок.
На рисунке 10 видно, что спектр натриевой лампы имеет два резких пика в желто-оранжевой части диапазона видимого света. Объекты выглядят оранжевыми потому, что такой источник освещения излучает энергию в красно-желтом диапазоне.
Поскольку разные источники света излучают уникальные сочетания длин волн (спектр), то цвет предметов зависит и от типа осветителя. В связи с этим цветовые измерения следует производить при определенных условиях. Для этого в 1931 году были установлены три стандартных источника белого света: А, В и С. Спектральный состав их излучения точно известен и характеризуется через спектр излучения Абсолютно Черного Тела (АЧТ).
АЧТ — это тело, поглощающее любое излучение, упавшее на него. В качестве АЧТ может служить теплоизолированная полость (шаровая, цилиндрическая или коническая) из материала хорошо поглощающего излучение. Эта полость имеет небольшое отверстие для выхода излучения.
Излучательная способность АЧТ по длинам волн (его спектр излучения), как эталонного источника точно определяется только его абсолютной температурой в градусах по шкале Кельвина (К) (Рис. 11).
Стандартный источник света типа А воспроизводит условия освещения солнечным вечерним светом с помощью вольфрамовой лампы накаливания. Источник А имеет спектр излучения АЧТ, нагретого до 2856 К. Эта температура называется цветовой температурой источника света А.
Таким образом, цветовая температура источника света — это температура АЧТ, при которой АЧТ излучает свет того же цвета, что и источник света. Источник света типа B с цветовой температурой около 4874 К воспроизводит прямой солнечный свет. Источник света типа C с цветовой температурой около 6774 К воспроизводит рассеянный солнечный свет.
В дальнейшем были добавлены еще два типа стандартных источников света D и Е. Два таких источника D50 и D65 воспроизводят определенные фазы света после восхода солнца и соответствуют цветовой температуре 5000 К и 6500 К соответственно. Источник типа Е — это гипотетический источник с равномерным распределением энергии по спектру.
Основное применение источников света — создание правильной освещенности рабочего места для адекватной оценки цветов и оттенков красок, вне зависимости от времени суток, погоды, наличия окон и т.д.
«Лампы колориста» обеспечивают более производительную и быструю работу при подборе цвета. Источники D50 или D65 применяются в качестве базовых ламп для работы по анализу образцов.
Ультрафиолетовая лампа необходима для приближения спектрального состава ламп к естественному дневному свету, поэтому рекомендуется использовать ее одновременно с базовым светом. Кроме того, эта лампа необходима для сравнительного анализа светлых образцов на содержание белых пигментов. Практический эффект основан на возникновении люминесценции (свечения) белых красителей под воздействием ультрафиолетового излучения.
Для использования в лампах выбраны пять источников для максимально точного воспроизведения дневного спектра:
Тип А-30: один час до (или после) восхода (захода) солнца (прим. 6 или 2021 ч.). Источник: вольфрамовая галогенная лампа 2950 К или люминесцентная лампа Extra High Color2800 К.
Тип CW40: утренний или вечерний свет (прим. 8-9 или 18-19 ч.). Источник: вольфрамовая галогенная лампа со специальным фильтровым стеклом 4200 К или люминесцентная лампа Extra High Color 4000 К Cool White Fluorescent.
Тип Daylight D50: прямой солнечный полуденный свет — стандарт «Noon Sky Daylight» (12-14ч.). Источник: вольфрамовая галогенная лампа со специальным фильтровым стеклом 5300 К или люминесцентная лампа Extra High Color 5400 К.
Тип Daylight D65: полуденный дневной свет в тени — стандарт «Average North Sky» (ASTM). Источники: люминесцентные лампы Extra High Color 6500 К, соответствующие типуD65 или типу С, или галогенная лампа со специальным стеклом.
Ультрафиолетовая лампа ближнего диапазона UV-A — тип BLB.
Объект является вторым фактором, влияющим на цветовосприятие. Свет, попадая на поверхность предмета, отражается, пропускается и поглощается. Отраженный свет «отскакивает» от объекта; пропускаемый свет изменяется, преломляется во время своего прохождения через толщину поверхности, а поглощенный свет более не выходит за границы поверхности объекта (Рис. 13).
Способность тела отражать и поглощать свет характеризуется коэффициентом отражения. Цвет поверхности зависит от того, лучи какой длины от нее отражаются. Отношение светового потока, отраженного поверхностью, к световому потоку, падающему на него, носит название спектрального коэффициента отражения (выражается в процентах) и является количественным выражением цвета.
Если по оси абсцисс отложить длины волн, а по оси ординат — коэффициенты отражения, то получим кривые, которые называются кривыми спектрального отражения и характеризуют способность тела отражать и поглощать свет разных длин волн, т.е. его цвет.
На рисунке 14 приведены кривые спектрального отражения поверхностей, окрашенных в белый (1), черный (2), желтый (3), зеленый (4), красный (5) и синий (6) цвета. Видно, что зеленая поверхность хорошо отражает зеленые лучи (длина волны которых лежит в пределах 510-550 нм), хуже — голубые (480-510 нм) и желтые (575585 нм), и почти не отражает остальные. Синяя поверхность хорошо отражает синие и фиолетовые лучи, несколько хуже — голубые и красные и совсем не отражает остальные. Для красных поверхностей максимум отражения приходится на красную и фиолетовую области, а для желтых — на желтую и оранжевую. Иначе говоря, цветные поверхности обладают избирательной отражающей способностью.
Отражение света белой поверхностью, как видно из рисунка, представляет собой прямую. Белые поверхности в равной степени отражают волны всех длин, т.е. обладают неизбирательной отражающей способностью. Все поверхности, не изменяющие спектральный состав падающего на них света и имеющие коэффициент отражения более 60%, называются белыми.
Черная поверхность поглощает все падающие на нее лучи. Так же как белая, черная поверхность обладает неизбирательной поглощающей способностью и на графике спектрального отражения может быть представлена в виде прямой, параллельной оси абсцисс. Поверхность тем черней, чем ближе эта прямая будет расположена к оси абсцисс. К черным относятся все поверхности, имеющие коэффициент отражения менее 10%.
Цвет поверхности предмета определяется спектральным составом отраженного от него светового потока, регистрируемого каким-либо прибором. Прибор, применяемый для измерения коэффициента спектрального отражения, называется спектрофотометр. Наиболее чувствительным из всех известных в настоящее время оптических «приборов», способных различать множество цветов, является человеческий глаз. В данном разделе речь пойдет об обозревателе — человеке.
Человеческий глаз
Инструментом зрительного восприятия человека является глаз (Рис. 15). Нервные окончания человеческого глаза, расположенные в сетчатке, улавливают отраженный объектом свет. Сетчатка имеет два типа сенсоров: палочки и колбочки.
Палочки и колбочки различаются между собой содержанием в них светочувствительных веществ. Вещество палочек — родопсин (зрительный пурпур). Максимальноесветопоглощение родопсина соответствует длине волны примерно 500 нм (зеленый свет). Значит, палочки имеют максимальную чувствительность к излучению с длиной волны 500 нм (Рис. 16).
Предполагают, что светочувствительное вещество колбочек (йодопсин) состоит из смеси трех веществ, каждое из которых имеет свое максимальное поглощение, а, следовательно, и максимальную светочувствительность в коротко-, средне- и длинноволновой зонах спектра. Самая длинная часть спектра стимулирует красно-чувствительные колбочки (все оттенки от пурпурного до оранжевого), средняя — зе-леночувствительные (от изумрудного до желтого), короткая — синечувствительные (от голубого до ультрамаринового). Когда все три вида клеток получают раздражение одинаковой силы, человек видит белый цвет. При хорошем освещении глаза могут четко различить до 10 млн. оттенков, которые получаются при смешении трех основных цветов.
Под действием света молекулы светочувствительных веществ диссоциируют 1 на положительно и отрицательно заряженные ионы. Это создает в нервном волокне импульс, который распространяется по направлению к мозгу со скоростью до 100 м/с. Он передается в кору головного мозга и вызывает восприятие цвета. Реакции светового распада родопсина и йодопсина обратимы, т.е. через некоторое время после того, как под действием света они были разложены на ионы, происходит их восстановление в своей первоначальной чувствительной к свету форме. Таким образом, в глазу устанавливается непрерывный цикл разрушения и последующего восстановления светочувствительных веществ. Это обеспечивает нормальную работу глаза в течение продолжительного времени.
Зависимость цвета от интенсивности света
Одним из самых примечательных свойств зрения является способность глаза адаптироваться к темноте. Когда из ярко освещенной комнаты мы входим в темную, то некоторое время ничего не видим, но затем начинаем различать предметы, которые в первые мгновения не видели. Это в работу включаются палочки. При очень слабом освещении предметы кажутся лишенными окраски, например, сильно окрашенная бумага кажется бесцветной, красный лист — черным, а голубой и фиолетовый — серыми. В слабо освещенном помещении человек становится цветослепым. Из-за того, что зрение в условиях темновой адаптации осуществляется с помощью палочек, а в условиях яркого света — с помощью колбочек, возникают интересные следствия: обесцвечивание предметов в слабом свете, а также отличие в относительности яркости двух предметов, окрашенных в разные цвета.
Объяснить эти следствия можно с помощью кривых спектральной чувствительности палочек и колбочек. Максимальная чувствительность палочек (пунктирная кривая) лежит в области зеленого спектра, а колбочек (сплошная кривая) — в области желтого (Рис. 17).
Палочки реагируют на синий участок спектра лучше, чем колбочки. Но в то же время колбочки лучше воспринимают красный диапазон спектра. Поэтому красный предмет, хорошо видимый при ярком свете, не виден в темноте. Из кривых спектральной чувствительности палочек и колбочек следует, что при хорошем освещении красный предмет гораздо ярче синего, а в полутьме синий кажется ярче красного. Это явление называется эффектом Пуркинье. Например, днем алые цветы на клумбе кажутся ярче темно-зеленых листьев. В сумерки и поздно вечером этот контраст совершенно противоположен: цветы кажутся теперь немного темнее листьев.
Если красный и голубой цвета днем представляются одинаково яркими, то в сумерках можно обнаружить, что голубой цвет становится ярче до такой степени, что кажется, будто краска светится.