Инфракрасный свет

История теории цвета

Одна из первых известных теорий цвета была изложена в трактате «О цвете», написанном в древней Греции. В нем утверждается, что все цвета существуют в спектре между светом и тьмой, а четыре основные цвета происходят из основных стихий: огня, воды, воздуха и земли. Несмотря на наивность и ошибочность взглядов, трактат содержал ряд важных наблюдений, например, о том, что тьма — это отсутствие света, а не цвет.

В 1704 году Исаак Ньютон опубликовал первое издание «Оптики», в котором впервые разложил цветовой спектр по кругу. Это положило начало традиции применения геометрических фигур для изображения цветовых моделей. Так как Ньютон открыл, что соотношение первого и последнего цветов в спектре приблизительно равно 1:2, то есть как в музыкальной октаве, имеющей семь интервалов, количество основных цветов в круге он выбрал по аналогии, разделив круг на семь неравных сегментов в зависимости от интенсивности цвета в спектре.

Ньютоновский цветовой круг, основанный на музыкальной октаве

В 1810 году немецкий поэт, мыслитель и ученый Вольфганг фон Гёте издал свою книгу «Теория цвета», которую посвятил восприятию цвета человеком. Он провел множество экспериментов, в которых измерял реакцию глаза на определенные цвета. Гёте создал, пожалуй, самый известный цветовой круг, на котором расположил три основных цвета — красный, синий и желтый — и три дополнительных, созданных из основных — оранжевый, зеленый и фиолетовый. Гёте полагал, что из основных цветов можно составить все остальные цвета.

Цветовой круг Гёте с тремя базовыми цветами — красным, желтым и синим

Пытаясь создать единую цветовую систему художники начали изображать цветовой спектр в виде объемных фигур. Отличным примером могут послужить цветовые треугольники Тобиаса Майера, которые он опубликовал в своей книге «Комментарий о родстве цветов» в 1775 году. Он расположил в углах треугольника традиционные основные цвета — красный, желтый и синий — и заполнил внутреннее пространство, смешивая противоположные оттенки. Для создания объема он добавил измерение яркости цвета, располагая треугольники разной яркости друг над другом. Таким образом, конкретный цвет стал определяться положением в трехмерном пространстве, что используется и сегодня.

Цветовые треугольники Тобиаса Майера

В 1810 году свою теорию цвета издал немецкий художник Филипп Отто Рунге. К основным цветам он причислил белый и черный, расположив их на полюсах своей цветовой сферы, между которыми разместились цветовые пояса. К сожалению, сфера не делала различия между яркостью и насыщенностью цвета и в результате представляла лишь небольшой градиент по интенсивности цвета. Тем не менее, его цветовая сфера послужила основой для последующих цветовых моделей.

Цветовая сфера Филиппа Отто Рунге

В 1839 году французский химик Мишель Эжен Шеврёль представил свою цветовую полусферу. Оттенки для своей модели он выбирал визуально, а не на основе количественного соотношения цветов в них. Для проверки правильности выбора дополнительных цветов в своей модели Шеврёль использовал метод остаточного изображения: если человек будет долго смотреть на зеленый квадрат, а затем переведет взгляд на белую стену, то он увидит красный цвет. Это происходит из-за того, что зеленые рецепторы в сетчатке глаза устают и им требуется дополнительный к зеленому цвет для равновесия.

Цветовая полусфера Мишеля Эжена Шеврёля

В начале XX века американский художник Альберт Генри Манселл создал одну из наиболее значимых в истории цветовых моделей, так называемое цветовое дерево Манселла. Основная особенность этой модели заключается в том, что Манселл по-новому обозначил пространственные координаты: оттенок определял тип цвета (красный, синий, желтый), значение определяло яркость (наличие белого в цвете) и цветность отвечала за насыщенность цвета (его чистоту). Эти обозначения используются и сегодня в цветовой модели HSV.

Визуализация цветового дерева Манселла

В настоящее время в дизайне, живописи и архитектуре широко используется цветовой круг швейцарского художника и педагога Иоханнеса Иттена. В его 12-частном круге изображена наиболее распространенная система распределения цветов и их взаимодействия. Иттен выделил основные цвета (синий, красный и желтый), вторичные цвета, получаемые при смешении основных (оранжевый, зеленый и фиолетовый) и третичные цвета, которые образуются при смешении вторичного цвета с основным.

Длина волны

Это самая важная характеристика для волны. Ей называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».

Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.

Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.

Период

Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.

Формула периода колебания волны

T = t/N

T — период

t — время

N — количество колебаний

Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.

Частота

Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.

Формула частоты колебания волны

υ = N/t = 1/T

υ — частота

t — время

N — количество колебаний

T — период

Скорость

Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость. Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.

Формула скорости

? = S/t

? — скорость [м/с]

S — путь

t — время

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

  • путь — длина волны
  • время — период

А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.

Формула скорости волны

? = λ/T

? — скорость [м/с]

λ — длина волны

T — период

Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — ? = 3*10^8 м/с. Поэтому формулу скорости чаще всего используют для нахождения из нее длины волны или периода.

Задачка

Определить цвет освещения, проходящий расстояние, в 1000 раз больше его длины волны за 2 пс.

Решение:

Для начала переведем 2 пикасекунды в секунды — это 2*10^-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости

? = S/t

По условию S = 1000λ

То есть

? = 1000λ/t

Выражаем длину волны

λ = ?t/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм

И соотносим со шкалой видимого света

Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Лекарственное средство

Применение видимого излучения в медицине – это обычное дело. Лазеры используются в микрохирургических процедурах, таких как выполнение небольших точных разрезов, операций на печени и капиллярной хирургии, что приводит к небольшой потере крови. Лазеры также используются в офтальмологии (удаление катаракты и коррекция зрения), дерматологии (удаление татуировок и шрамов), стоматологии (очищение полости), онкологии (лечение рака кожи).

Какой можно привести пример применения видимого излучения в медицине? Светотерапия также используется для облегчения сезонного аффективного расстройства, регулирует ваши внутренние биологические часы (суточные ритмы) и влияет на настроение. Терапевтическое применение света и цвета также исследуется во многих больницах и исследовательских центрах по всему миру. Результаты пока показывают, что полный спектр, ультрафиолетовый, цветной и лазерный свет могут иметь терапевтическое значение для ряда условий – от хронической боли и депрессии до иммунных расстройств.

Видимый свет и земная атмосфера

Видимый свет пробивается сквозь оптическое окно. Это «место» в электромагнитном спектре, пропускающее волны без сопротивления. В качестве примера можно вспомнить, что воздушный слой рассеивает голубой лучше красного, поэтому небеса кажутся нам синими.

Оптическое окно также именуют видимым, потому что оно перекрывает спектр, доступный человеку. Это не случайно. Наши предки развили видение, способное использовать огромное многообразие длин волн.

Благодаря наличию оптического окна мы можем наслаждаться относительно мягкими температурными условиями. Функция солнечной яркости достигает максимума в видимом диапазоне, который перемещается, не завися от оптического окна. Именно поэтому поверхность нагревается.

Почему свет — ключ к пониманию космоса?

Примерно в то самое время, как Уильем Гершель обнаружил инфракрасное излучение, Йозеф Фраунгофер, сын бедного стекольщика, работал в мастерской отца. После его смерти юный Фраунгофер в возрасте 12 лет поступил обучаться, а затем работать в стекольную мастерскую в Мюнхене. Благодаря череде случайных событий, будущий физик в 1806 году получил математическое образование и стал ассистентом математического и оптического института в Мюнхене. Именно там изготавливались линзы и оптические приборы. К 27 годам, Йозеф Фраунгофер стал ведущим создателем высококачественных линз для телескопов и оптического оборудования.

В поисках наилучшего стекла для линз Фраунгофер экспериментировал с призмами. Так как свет — это одновременно частица и волна, также как длина волны звука определяет высоту тона, который мы слышим, длина световой волны определяет цвет, который мы видим. Но как призма разделяет цвета, скрытые в луче солнечного света? Когда свет движется сквозь воздух или космос, все его цвета движутся с одной скоростью. Но столкнувшись со стеклом под углом, свет замедляется и меняет свое направление. Получается, что внутри призмы каждый цвет движется с разной скоростью.

Столкнувшись со стеклом под углом, свет меняет свое направление

В стекле фиолетовый цвет — его световые волны одни из самых коротких — замедляется больше красного, у которого волны длиннее всего. Эти изменения в скорости разделяют цвета так, что они движутся в немного разных направлениях. Именно это открытие мог совершить Исаак Ньютон, но звезды распорядились иначе. Открытие Фраунгофера положило начало астрофизике — разделу астрономии, который изучает физические процессы в астрономических объектах, используя принципы физики и химии. Но как? Фраунгофер увидел, что в свете запечатлены вертикальные черные линии — самый настоящий секретный код. Как рассказывает астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон в сериале “Космос: пространство и время”, этот шифр пришел к нам из “другой вселенной”. На расшифровку послания, заключенного в эти загадочные черные линии ушло без малого 100 лет.

Вертикальные черные линии — ключ к пониманию космоса

ЦВЕТ

1. ЦВЕТ

1.1. Понятие цвета

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.

Спектроскопия

Атмосфера Земли частично или полностью блокирует некоторые длины волн электромагнитного излучения, но в видимом свете она в основном прозрачна.

Спектроскопия — это исследование объектов на основе спектра цвета, который они излучают, поглощают или отражают. Спектроскопия в видимом свете — важный инструмент в астрономии (как и спектроскопия на других длинах волн), где ученые используют ее для анализа свойств далеких объектов. Химические элементы и небольшие молекулы можно обнаружить в астрономических объектах, наблюдая эмиссионные линии и линии поглощения . Например, гелий был впервые обнаружен путем анализа спектра Солнца . Сдвиг частоты спектральных линий используется для измерения доплеровского смещения ( красного или синего смещения ) удаленных объектов для определения их скорости к наблюдателю или от него. В астрономической спектроскопии используются дифракционные решетки с высокой дисперсией для наблюдения спектров с очень высоким спектральным разрешением.

Световые волны

Термин «световые волны» может использоваться по-разному разными людьми. Физики склонны небрежно использовать его на одном уровне с электромагнитными. Итак, в чем разница? Электромагнитные волны (или электромагнитное излучение) представляют собой волны, создаваемые колебательными магнитными и электрическими полями, и включают радиоволны, микроволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Как и все волны, они несут энергию, и эта энергия может быть очень высокой интенсивности (например, электромагнитные волны, которые мы получаем от солнца).

При взгляде на спектр видимого света синим концом электромагнитного спектра является высокая частота, высокая энергия и короткая длина волны. Красный конец электромагнитного спектра представляет собой низкочастотную, малую энергию и большую длину волны. Свет — это лишь часть электромагнитного спектра, часть, которую могут видеть наши глаза. Каковы сферы применения видимого излучения, кроме той, которая позволяет человеку видеть все вокруг?

Электромагнитная безопасность[править]

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ-излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования, СВЧ-излучения и др..

Влияние на живые существаправить

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазонправить

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволныправить

Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.

Нахождение в зоне с повышенными уровнями ЭМП в течение определённого времени приводит к ряду неблагоприятных последствий: наблюдается усталость, тошнота, головная боль. При значительных превышениях нормативов возможны повреждение сердца, мозга, центральной нервной системы. Излучение может влиять на психику человека, появляется раздражительность, человеку трудно себя контролировать. Возможно развитие трудно поддающиеся лечению заболеваний, вплоть до раковых. В частности, корреляционный анализ показал прямую средней силы корреляцию заболеваемости злокачественными заболеваниями головного мозга с максимальной нагрузкой от ЭМИ даже от использования такого маломощного источника, как мобильные радиотелефоны. Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.

В России действует СанПиН 2.2.4.1191—03 Электромагнитные поля в производственных условиях, на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, а также гигиенические нормативы ГДР(ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц Промышленное электроснабжение 50 Гц

Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:

Украина: 2,5 мкВт/кв.см. (самая жёсткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/кв.см.
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/кв.см.

Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в еденицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (SAR).

«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ, целесообразно придерживаться предупредительной политики, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи.»

Проникающая неионизирующая радиацияправить

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.

Рентгеновское излучение — длина волны 10−8 м до 10−13 м; частоты 3 * 1016 Гц до 3 * 1030 Гц. Доказано, что при превышении допустимых норм облучения излучение губительно действует на живые клетки.

Существует административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Укрчастотнадзор), которая регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром.

Давление света

Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути — явление, которое не может быть выведено из уравнений Максвелла, но может быть легко объяснено в корпускулярной теории, когда фотоны соударяются с преградой и передают свой импульс. Давление света равно мощности светового пучка, поделённой на с, скорость света. Из-за величины с, эффект светового давления является незначительным для повседневных объектов. Например, одномилливатная лазерная указка создаёт давление около 3,3 пН. Объект, освещенный таким образом, можно было бы поднять, правда для монеты в 1 пенни на это потребуется около 30 млрд 1-мВт лазерных указок. Тем не менее, в нанометровом масштабе эффект светового давления является более значимым, и использование светового давления для управления механизмами и переключения нанометровых коммутаторов в интегральных схемах является активной областью исследований.

При больших масштабах световое давление может заставить астероиды вращаться быстрее, действуя на их неправильные формы, как на лопасти ветряной мельницы. Возможность сделать солнечные паруса, которые бы ускорили движение космических кораблей в пространстве, также исследуется.

Ход эксперимента

Влейте по 250 миллилитров холодной воды в каждую из банок. Поместите в каждую из них по чайному пакетику. Закройте обе банки крышками. Оберните одну из банок алюминиевой фольгой, оставив необернутой только крышку. Обе банки поставьте под прямой солнечный свет

Спустя 15 минут осторожно встряхните каждую банку для того, чтобы сделать их содержимое однородным. Снимите с банок крышки

Освободите обернутую банку от алюминиевой фольги. А теперь сравните цвет «заварки».

«Чай» в обернутой фольгой банке будет лишь слегка коричневатым. В банке, которая оставалась прозрачной и открытой солнечным лучам, цвет «заварки» будет значительно темнее.

[править] Оптические явления в природе. Источники и приемники света

Физические тела, атомы и молекулы которых излучают свет, называют источниками света. Источники света бывают искусственные и естественные, тепловые и люминесцентные, точечные и протяженные. Например, полярное сияние — естественный, протяженный для наблюдателя на Земле, люминесцентный источник света.

Источниками света является Солнце, вспышка молнии, лампа накаливания, экран телевизора, монитора и т. п. Свет могут излучать также организмы (некоторые морские животные, светлячки и др.)

Устройства, с помощью которых можно выявить световое излучение, называют приемниками света. Среди природных приемников света — органы живых существ.

Электромагнитная природа света

То, что обычный солнечный луч является электромагнитной волной, является доказанным научным фактом. Над этим трудились многие умы, в частности, Эйнштейн, Вавилов и другие. Не один раздел физики посвящен доказательству того факта, что свет возникает в результате различных возбуждений в атомах и молекулах. 

Это может быть тепловое, химическое или электромагнитное воздействие. При прохождении различных процессов в атоме он излучает кванты энергии во всем видимом диапазоне.

Определение электромагнитной природы излучения доказано многими экспериментами, а также теорией. Наиболее полное описание данных вопросов дал известный ученый Максвелл в своих уравнениях по электромагнетизму.

А что там — за видимой областью спектра?

По мере того, как волны становятся короче, цвет меняется от красного к синему, доходит до фиолетового и, наконец, видимый свет исчезает. Но сам свет не исчез — а перешел в область спектра, которая называется ультрафиолетом. Хоть эту часть спектра света мы уже не воспринимаем, но именно она заставляет светиться люминесцентные лампы, некоторые виды светодиодов, а также всякие прикольные светящиеся в темноте штучки. Дальше уже идут рентгеновское и гамма-излучение, с которыми лучше дел не иметь вообще.

С другого конца области спектра видимого света, там где заканчивается красный цвет, начинается инфракрасное излучение, которое скорее тепло, чем свет. Вполне может вас поджарить. Затем идет микроволновое излучение (очень опасное для яиц), а еще дальше — то, что мы привыкли называть радиоволнами. У них длины уже измеряются сантиметрами, метрами и даже километрами.

[править] Восприятие света глазом

Из человеческих органов чувств больше информации об окружающей среде дает нам зрение. Однако видеть окружающий мир люди могут только потому, что существует свет.

Человек видит электромагнитные волны в том видимом диапазоне, который соответствует рецепторам, поглощающим свет соответствующих частот, вызывая при этом соответствующие импульсы в нервной системе. Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки не имеют особой чувствительности к определенному диапазону спектра, зато более чувствительны к свету вообще, поэтому позволяют видеть черно-белое изображение. Колбочки имеют в своем составе молекулы, которые чувствительны к различным диапазонам видимого спектра, поэтому позволяют видеть в цвете.