Распространение света. Спектроскопия

Мы со всех сторон окружены различными видами энергии: световой, тепловой, химической и механической. Свет так же необходим нам, как тепловая и химическая энергии,-все они существенны для жизни. Благодаря своим свойствам свет дает нам возможность воспринимать окружающий мир в деталях, поскольку свет представляет собой электромагнитные волны высокой частоты. Если бы люди воспринимали радиоволны, имеющие значительно меньшую частоту, чем свет, то они различали бы вокруг себя деталей не больше, чем их можно увидеть в расплывчатых линиях на экране радиолокатора.

Цвет используют для быстрой передачи простейшей информации. Например, зажигающиеся красные задние фонари на автомобилях сигнализируют «стоп» или «внимание».

Распространение света. Свет, как и звук, распространяется в виде волн. Световая волна представляет собой колебания электрических и магнитных полей, тогда как звуковая волна-это колебания среды, например воды или воздуха. В звуке увеличение амплитуды колебаний приводит к росту громкости, а в свете-к возрастанию яркости.

Свет, подобно звуку, обладает определенным диапазоном частот. В звуке разные частоты означают разные тона, в свете это разные цвета. Голубой цвет, например, имеет большую частоту, чем красный. Свет, можно также характеризовать и длиной волны, т. е. расстояниями между последовательными максимумами и минимумами колебаний; длина волны голубого света короче, чем красного. Частота света очень велика, а длина волны-мала (около 0,000055 см).

Смешение цветов происходит по-разному в зависимости от того, используется ли при этом цветной свет или краски. Световые лучи смешиваются со сложением (А): три первичных цвета- красный, зеленый и синий.-накладываясь друг на друга, дают белый. Вторичные цвета- желтый, голубой и фиолетовый- образуются при равном смешении двух первичных. Цвета красок смешиваются с вычитанием (Б), когда смешению предшествует поглощение одного из цветов.

Наборы красок обычно включают белую и черную краски, хотя строго их нельзя считать цветами. Черный «цвет»- это просто отсутствие света, а следовательно, и цвета; белый же «цвет» состоит из смеси нескольких основных цветов. В этом можно убедиться, пропустив солнечный свет через призму. Белый свет Солнца разделяется на группу цветов, называемую спектром. Солнечный спектр выглядит точно так же, как радуга. И это понятно, поскольку радуга создается каплями дождя, которые, действуя как призмы, разлагают солнечный свет в спектр. Цветные лучи, выходящие из призмы, можно соединить, и тогда мы снова получим белый свет. Все это говорит о том, что белый свет является смесью всех цветов.

Цветовое «дерево» Манселла позволяет производить сравнение любых цветов. Оттенок (основной цвет), окрашенность (количество цвета) и интенсивность (степень освещенности или затемненности) цвета определяют здесь по его положению на «дереве»: оттенок устанавливают по расположению цвета на окружности «дерева», окрашенность-по расстоянию от «ствола», а интенсивность- по расположению на «стволе».

Спектроскопия. Разложение света в спектр имеет большое значение для науки. Газы или пары разных элементов при нагревании или при пропускании через них электрического разряда светятся разным цветом — примером может служить свечение газов в натриевых уличных фонарях или неоновых рекламах. Природу вещества можно определить, пропуская свет его пламени через призму и исследуя получившийся спектр. Этот метод широко используется для анализа веществ, прежде всего для определения химических элементов, имеющихся в составе Солнца и звезд. Раздел науки, который занимается изучением спектров веществ, называется спектроскопией.

Раскаленные твердые тела излучают непрерывный спектр (А). При низком давлении газ дает линейчатый спектр излучения (Б). Свет (В) от внутренних областей (1) Солнца частично поглощается при прохождении через внешние области (2), образуя спектр поглощения (3).

Цвета, которые мы воспринимаем, в основном создаются предметами, имеющими естественную окраску или окрашенными искусственно. При попадании белого света на поверхность красного предмета красный свет отражается, а все другие компоненты белого света поглощаются. Цвет можно получить и по-иному, например, нагреть вещество так сильно, что оно будет светиться цветным пламенем. Люминесцирующие вещества, например, на экране цветного телевизора, светятся под воздействием потока электронов или ультрафиолетового излучения.

Люди (и многие животные) различают цвета благодаря тому, что сетчатка их глаза содержит три вида рецепторов, чувствительных к частотам, соответствующим красному, зеленому и синему цветам. Остальные цвета можно получить, комбинируя эти три основных цвета в разных количествах. Красный и зеленый, смешиваясь, дают желтый цвет, зеленый и синий-темно-синий, а синий и красный-темно-красный. Взятые вместе три основных цвета дают белый свет.

Радуга наглядно демонстрирует смесь цветов, составляющих белый свет. Капли влаги в атмосфере действуют подобно призмам, разлагая свет на составляющие его цвета Наблюдатель видит различные цвета спектра, создаваемые множеством капель. В зависимости от положения наблюдателя относительно Солнца, капель влаги и горизонта он видит радугу различной. Иногда можно видеть две радуги (А): внутреннюю, или первичную, и внешнюю, или вторичную. Цвета в этих радугах располагаются в противоположной последовательности Луч света, проходя дождевую каплю, испытывает дисперсию, затем отражается от задней поверхности капли прямо по направлению к наблюдателю - так возникает первичная радуга (Б). Некоторые лучи дважды отражаются внутри капли (В), создавая последовательность цветов, наблюдаемую во вторичной радуге.

Видимый свет занимает лишь небольшую часть в общем спектре электромагнитных излучений. За голубым концом спектра лежат частоты, соответствующие невидимым ультрафиолетовому, рентгеновскому и гамма-излучениям; инфракрасное излучение и радиоволны располагаются за красным концом спектра Все электромагнитные волны проникают в вещество, хотя и в разной степени. Излучения с более высокой частотой-гамма- и рентгеновское -обладают более высокой проникающей способностью.

Смешение цветов. Каждый, кому приходилось смешивать кистью красный цвет с зеленым и получать при этом коричневый, удивится, прочитав, что красный цвет с зеленым могут дать желтый. Это объясняется тем, что цветные лучи и краски смешиваются по-разному. Цветной телевизор дает окрашенное изображение, и внимательное исследование светящегося экрана показывает, что он состоит из наборов красных, зеленых и синих точек или полос. На расстоянии точки и полосы сливаются в цветное изображение. Тем не менее желтый цвет можно получить из красного и зеленого. Вид смешения цветов, при котором они прямо комбинируются, накладываясь друг на друга, называется аддитивным смешением. Три окрашенных луча, такие, как красный, зеленый и синий, которые при смешении попарно образуют любой цвет, а соединенные вместе в правильной пропорции дают белый луч, можно принять за первичные цвета.

При получении цветов смешением красок или чернил происходит смешение с вычитанием. Здесь результирующий цвет получается не непосредственным смешением трех основных красок, а в результате поглощения некоторых цветов из белого света, падающею на окрашенный предмет. Так, желтая краска поглощает из белого света голубой цвет, а отражает красный и зеленый, которые объединяются и попадают в глаз в виде желтого цвета. Темно-синяя краска поглощает красный цвет, отражая синий и зеленый цвета. При смешении желтой и темно-синей красок из белого света поглощаются красный и синий цвета, а остается зеленый, который и отражается. В результате темно-синий и желтый цвета в смеси красок дают зеленый цвет.