Как найти длину волны видимого света

All electromagnetic radiation is light, and it occurs over an extremely wide range of wavelengths, from high-energy gamma waves with shorter wavelengths to low-energy radio waves with longer wavelengths. But the human eye can detect only a small portion of the radiation, and that portion is referred to as visible light. In an electromagnetic spectrum, the visible spectrum lies in between the infrared spectrum and the UV spectrum. Visible light ranges between a wavelength of 400 nm and 700 nm. The human eye cannot detect other electromagnetic radiation as the radiation has either large or small wavelengths and is out of biological limitations.

When a visible spectrum travels through a prism, the light gets separated into a spectrum of colors of different wavelengths. The violet color has the shortest wavelength of around 380 nm, and the red color has the longest wavelength of around 700 nm. Our eyes can detect the outer-most layer of the sun, the corona, in visible light.

Wavelength

A wavelength is one of the properties of a wave and is defined as the distance between the two successive crests or troughs of a wave, where a crest is the highest point of the wave, and a trough is the lowest point of the wave. Since wavelength is a distance or length between two points, it is measured in meters, centimeters, millimeters, micrometers, etc. It is denoted by the symbol Lambda ‘λ’.

Frequency 

Frequency (f) is defined as the total number of wave cycles or oscillations produced per unit of time. Frequency is measured in terms of Hertz (Hz) or s^-1.

The formula for the frequency:

Frequency (f) = 1/period(T)

f = 1/T

• A period is defined as the time taken to complete an oscillation.
• From the equation of frequency, we can conclude that the frequency of a wave is inversely proportional to its period.
• 1 Hertz = 1 oscillation/second

Wave velocity 

The velocity of a wave or wave velocity is defined as the distance traveled by the wave in a unit of time. The S.I. unit of wave velocity is ms^-1.

• Light travels with a speed in the vacuum of 29,97,92,458 m/s, i.e., approximately 3 × 10⁸ m/s, and it is represented by the symbol c.

Wavelength of the light

We know that light possesses the characteristics of both a wave and a particle. So, the wavelength of a light wave is given as;

 λ = 

Where λ is the wavelength of light

c is the velocity of light and

f is the frequency of the light

The energy of a photon is given as,

E = h × f =

Where E is the energy of a photon

h is the Planck’s constant i.e., h = 6.64 × 10^-34 joule-second

Wavelength, Frequency, and Energy of the visible light spectrum

Sample Problems

Problem 1: Calculate the wavelength of the visible light with a frequency of 5.36 × 10¹⁴ Hz.

Solution: 

Given the frequency of light = 5.36 × 10¹⁴ Hz

We know, that the velocity of light (c) = 3 × 10⁸ m/s

Now, the wavelength of light (λ) = 

⇒ λ =

⇒ λ = 5.60 × 10^-7 m

Hence, the wavelength is 5.60 × 10^-7 m

Problem 2: If a microwave oven emits microwave energy of 1.64 × 10^-24 J, then calculate the wavelength of the microwave emitted.

Solution:

Given data,

The energy of microwave emitted = 1.64 × 10^-24 J

We know, that the energy of a photon =

h = 6.64 × 10^-34 joule-second

⇒ 1.64 × 10^-24 = 

⇒ λ =  

⇒ λ = 12.146 × 10^-2 m = 12.15 cm

Hence, the wavelength of the microwave emitted is 12.15 cm.

Problem 3: If a radio station broadcasts at a frequency of 555 kHz, then calculate the wavelength of radio waves emitted.

Solution:

Given,

Frequency of radio waves = 555 KHz

We know, that the velocity of light (c) = 3 × 10⁸ m/s

Now, the wavelength of light (λ) = 

⇒ λ =

⇒ λ = 540 m

Hence the wavelength of radio waves emitted is 540 m.

Problem 4: Calculate the wavelength of yellow light emitted from a sodium lamp at a frequency of 5.15 × 10¹⁴ Hz.

Solution:

Given,

The frequency of yellow light = 5.15 × 10¹⁴ Hz

We know, that the velocity of light (c) = 3 × 10⁸ m/s

Now, the wavelength of light (λ) =

⇒ λ =

⇒ λ = 582.5 × 10^-9 m = 582.5 nm

Hence, the wavelength of the yellow light is 582.5 nm.

Problem 5: Calculate the wavelength of a photon with an energy of 3.35 × 10^-19 Joules. 

Solution:

Given,

The energy of a photon = 3.35 × 10^-19 Joules. 

We know, that the energy of a photon =

h = 6.64 × 10^-34 joule-second

⇒ 3.35 × 10^-19  =

⇒ λ = 

⇒ λ= 5.94 × 10^-7 m = 594 nm

Hence, the wavelength of the photon is 594 nm.

Problem 6: The broadcasting frequency of a radio station is 101 MHz. What will be the wavelength of the wave if the broadcast wave is an electromagnetic wave?

Solution:

Given data, Frequency of the wave = 101 MHz = 101 × 10⁶ Hz

Speed of light = 3 × 10⁸ m/s

Now, the wavelength of light (λ) = c/f

⇒ λ = (3 × 10⁸)/(101 × 10⁶)

⇒ λ = 2.97 m

Hence, the wavelength of the broadcast wave is 2.97m

Last Updated :
15 May, 2022

Like Article

Save Article

Свет и цвет: основы основ

Мы часто говорим о таком понятии как свет, источниках освещения, цвете изображений и объектов, но не совсем хорошо себе представляем, что такое свет и что такое цвет. Пора разобраться с этими вопросами и перейти от представления к понимаю.

Мы окружены

Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.

На Рисунке 1 видимое излучение представлено в виде шкалы, которая состоит из «смеси» различных цветов. Как вы уже догадались – это спектр. Через весь спектр (слева направо) проходит волнообразная линия (синусоидальная кривая) – это электромагнитная волна, которая отображает сущность света как электромагнитного излучения. Грубо говоря, любое излучение – есть волна. Рентгеновское, ионизирующее, радиоизлучение (радиоприемники, телевизионная связь) – не важно, все они являются электромагнитными волнами, только каждый вид излучения имеет разную длину этих волн. Синусоидальная кривая является всего лишь графическим представлением излучаемой энергии, которая изменяется во времени. Это математическое описание излучаемой энергии. На рисунке 1 вы также можете заметить, что изображенная волна как бы немного сжата в левом углу и расширена в правом. Это говорит о том, что она имеет разную длину на различных участках. Длина волны – это расстояние между двумя её соседними вершинами. Видимое излучение (видимый свет) имеет длину волны, которая изменяется в пределах от 380 до 780nm (нанометров). Видимый свет — всего лишь звено одной очень длинной электромагнитной волны.

От света к цвету и обратно

Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.

Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.

Каждая из волн имеет свою длину. Видите, вершины соседних волн не совпадают друг с другом: потому что красный цвет (красная волна) имеет длину примерно 625-740nm, оранжевый цвет (оранжевая волна) – примерно 590-625nm, синий цвет (синяя волна) – 435-500nm., не буду приводить цифры для остальных 4-х волн, суть, я думаю, вы поняли. Каждая волна – это излучаемая световая энергия, то есть красная волна излучает красный свет, оранжевая – оранжевый, зеленая – зеленый и т.д. Когда все семь волн излучаются одновременно, мы видим спектр цветов. Если математически сложить графики этих волн вместе, то мы получим исходный график электромагнитной волны видимого света – получим белый свет. Таким образом, можно сказать, что спектр электромагнитной волны видимого света – это сумма волн различной длины, которые при наложении друг на друга дают исходную электромагнитную волну. Спектр «показывает из чего состоит волна». Ну, если совсем просто сказать, то спектр видимого света – это смесь цветов, из которых состоит белый свет (цвет). Надо сказать, что и у других видов электромагнитного излучения (ионизирующего, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового и т.д.) тоже есть свои спектры.

Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).

Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.

Посмотрите, в местах пересечения световых лучей друг с другом образовались новые световые лучи – новые цвета. Зеленый и красный образовали желтый, зеленый и синий – голубой, синий и красный — пурпурный. Таким образом, изменяя яркость световых лучей и комбинируя цвета можно получить большое многообразие цветовых тонов и оттенков цвета. Обратите внимание на центр пересечения зеленого, красного и синего цветов: в центре вы увидите белый цвет. Тот самый, о котором мы недавно говорили. Белый цвет – это сумма всех цветов. Он является «самым сильным цветом» из всех видимых нами цветов. Противоположный белому – черный цвет. Черный цвет – это полное отсутствие света вообще. То есть там, где нет света — там мрак, там всё становится черным. Пример тому — иллюстрация 4.

Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения

Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.

Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения

Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).

Цветовой тон (hue)

– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.

Яркость (Brightness)

– Характеристика, которая показывает, насколько сильно излучается световая энергия того или иного цветового тона (красного, желтого, фиолетового и т.п.). А если она вообще не излучается? Если не излучается – значит, её нет, а нет энергии — нет света, а там где нет света, там черный цвет. Любой цвет при максимальном снижении яркости становится черным цветом. Например, цепочка снижения яркости красного цвета: красный — алый — бордовый — бурый — черный. Максимальное увеличение яркости, к примеру, того же красного цвета даст «максимально красный цвет».

Светлость (Lightness)

– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный — малиновый — розовый — бледно-розовый — белый.

Насыщенность (Saturation)

– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.

Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).

Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.

Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop

Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то обнаружите маленький кружочек, который расположен в самом верхнем правом углу палитры. Этот кружочек показывает, какой цвет выбран на цветовой палитре, в нашем случае это красный. Начнем разбираться. Сначала посмотрим на числа и буквы, которые расположены в правой половине рисунка. Это параметры цветовой модели HSB. Самая верхняя буква – H (hue, цветовой тон). Он определяет положение цвета в спектре. Значение 0 градусов означает, что это самая верхняя (или нижняя) точка цветового круга – то есть это красный цвет. Круг разделен на 360 градусов, т.е. получается, в нем 360 цветовых тонов. Следующая буква – S (saturation, насыщенность). У нас указано значение 100% — это значит, что цвет будет «прижат» к правому краю цветовой палитры и имеет максимально возможную насыщенность. Затем идет буква B (brightness, яркость) – она показывает, насколько высоко расположена точка на палитре цветов и характеризует интенсивность цвета. Значение 100% говорит о том, что интенсивность цвета максимальна и точка «прижата» к верхнему краю палитры. Буквы R(red), G(green), B(blue) — это три цветовых канала (красный, зеленый, синий) модели RGB. В каждом в каждом из них указывается число, которое обозначает количество цвета в канале. Вспомните пример с прожекторами на рисунке 3, тогда мы выяснили, что любой цвет может быть получен путем смешивания трех световых лучей. Записывая числовые данные в каждый из каналов, мы однозначно определяем цвет. В нашем случае 8-битный канал и числа лежат в диапазоне от 0 до 255. Числа в каналах R, G, B показывают интенсивность света (яркость цвета). У нас в канале R указано значение 255, а это значит, что это чистый красный цвет и у него максимальная яркость. В каналах G и B стоят нули, что означает полное отсутствие зеленого и синего цветов. В самой нижней графе вы можете увидеть кодовую комбинацию #ff0000 — это код цвета. У любого цвета в палитре есть свой шестнадцатиричный код, который определяет цвет. Есть замечательная статья Теория цвета в цифрах, в которой автор рассказывает как определять цвет по шестнадцатеричному коду.
На рисунке вы также можете заметить перечеркнутые поля числовых значений с буквами «lab» и «CMYK». Это 2 цветовых пространства, по которым тоже можно характеризовать цвета, о них вообще отдельный разговор и на данном этапе незачем вникать в них пока не разберетесь с RGB.
Можете открыть цветовую палитру Adobe Photoshop и поэксперовать со значением цветов в полях RGB и HSB. Вы заметите, что изменение числовых значений в каналах R, G, и B приводит к изменению числовых значений в каналах H, S, B.

Цвет объектов

Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.

Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.

Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.

— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.

— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.

— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.

Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра

Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.

Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра

Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.

Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра

Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.

В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета — цветовой температуре.

С первых минут своего появления на свет человек сталкивается с таким природным явлением, как свет. На протяжении всей жизни это воспринимается, как нечто естественное. На самом деле видимый (равно как и невидимый глазом) свет представляет собой сложное физическое явление, которое изучалось многими учеными на протяжении веков.

Свет с точки зрения физики

С точки зрения физики, свет проявляет себя двояко:

1. Как электромагнитная волна (волновая теория света).
2. Как поток частиц (корпускулярная или эмиссионная теория).

Согласно первой теории, свет представляет собой электромагнитное излучение (подобно радиоволнам). Вторая теория утверждает, что световое излучение – поток частиц, обладающих импульсом (подобно летящим в пространстве шарикам).

На рубеже 19 и 20 веков выяснилось, что не все явления можно объяснить с помощью волновой теории. В некоторых эффектах свет проявлял себя, как поток частиц. Эти частицы назвали фотонами. Световое излучение снова стали рассматривать с этой стороны. Сторонником корпускулярной теории был и Альберт Эйнштейн.

По современным представлениям, обе эти теории находятся не в противоречии, но дополняют друг друга. Некоторые световые явления объясняются с точки зрения волновой теории, некоторые – с точки зрения корпускулярной.

Например, с точки зрения волновой теории объясняют различие цветов, воспринимаемых глазом, а также такие явления, как дифракция и интерференция. Однако законы геометрической оптики проще и логичнее объяснять с помощью корпускулярной теории.

Некоторые физические явления (например, давление света) объясняют с точки зрения как одной, так и другой теории.

Из чего состоит свет

Согласно современным представлениям, свет состоит из частиц – фотонов (реже употребляется название световые кванты). Это название ввел американец Гилберт Ньютон Льюис. Излучение света источником сводится к выбросу большого количества фотонов.

С точки зрения современной физики, фотон не имеет размеров, внутренней структуры, а также массы покоя. Последнее означает, что частица света может существовать, лишь двигаясь со скоростью света – около 300 000 км/с. Эта скорость постоянна в любой системе отсчета, если при этом фотон движется в вакууме. При попадании на непрозрачный физический объект световой квант либо отражается, либо поглощается. Фотон является электрически нейтральной частицей, то есть, его заряд равен нулю.

Основные характеристики и свойства света

Так как свет является электромагнитным излучением (подобно радиоволнам, только с очень высокой частотой), он имеет те же характеристики, что и любой колебательный процесс:

• частота;
• фаза;
• амплитуда.

Вместо частоты света для видимого излучения удобнее использовать длину волны, которая связана с частотой соотношением λ=с/ν, где с – скорость света в метрах в секунду. Чем выше частота, тем меньше длина волны.

Подавляющее большинство источников света испускают огромное количество фотонов с хаотически изменяющейся фазой. И лишь лазер «выдает» отрезки световых волн («цуги»), находящиеся в одной фазе. В этом случае говорят о когерентности излучения.

Понятия видимый и невидимый свет

Светом называют электромагнитное излучение, лежащее в оптическом диапазоне, который расположен на участке частот от 150 гигагерц (ГГц) до 100 петагерц (ПГц). Это соответствует длинам волн от 2 мм до 4 нм.

Но человеческий глаз способен воспринимать только часть этого участка с частотами, лежащими в пределах 400-800 ТГц (длины волн 760 – 380 нм). Этот участок спектра и называется видимым светом.

Границы видимого света довольно условны. Они определяются индивидуально для каждого человека.

Некоторые животные и насекомые могут не видеть некоторые участки видимого цвета, различаемые человеком. Так, глаз кошки малочувствителен к цветам длинноволнового участка, содержащего красные и желтые оттенки. Но зато они могут видеть свечение в начале ультрафиолетового сектора, недоступное людям.

На самом деле свет занимает небольшой участок в общем спектре электромагнитных колебаний, но он обладает совершенно определенными свойствами. Это позволило выделить науку о свете и его свойствах в отдельную область физики – оптику.

Говорить о том, что у света есть первооткрыватель, некорректно. Изучение оптических явлений началось еще в Античной Греции (по крайней мере, первые упоминания об опытах дошли с тех времен). Из относительно современных ученых, заложивших основы нынешней оптики, следует упомянуть Исаака Ньютона. Он изложил результаты своих исследований в трактате «Оптика, или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света». Английский ученый впервые ввел понятие спектра по отношению к цветовой гамме.

Количество основных цветов по Ньютону — семь – совпадает с количеством музыкальных нот. Английский ученый был убежден в связи между цветами, музыкой и физическими объектами.

Ньютон показал, что многие оттенки можно получить, смешивая различные цвета между собой. Считается также, что он выдвинул гипотезу о корпускулярной природе светового излучения. С другой стороны, на первом этапе научных изысканий сэр Исаак Ньютон был приверженцем эмиссионной теории света, однако через определенный период он склонился к мысли, что свет представляет собой волны.

Несколько позже свой труд «Теория цветов» издал немецкий ученый и поэт Иоганн Гете. Эта монография явилась серьезным вкладом в развитие оптики, как науки. Отличие подхода Гете от опытов Ньютона в том, что он изначально не смешивал цвета, а разлагал их посредством стеклянных призм.

Источники видимого излучения

Основным источником видимого света на Земле является Солнце. Именно солнечный свет воспринимается человеческим глазом, как естественный. Это излучение представляет собой смесь всех основных цветов, в чем легко убедиться, разлагая белый свет призмой. При естественном освещении органы зрения чувствуют себя наиболее комфортно, меньше всего устают, наиболее правильно воспринимают цвета.

Помимо видимого излучения, спектр солнечного света также содержит и ультрафиолетовую, и инфракрасную составляющую. Первая вызывает загар, вторая вносит вклад в нагревание атмосферы и земной поверхности.

Солнечного освещения не всегда бывает достаточно. Например, в зависимости от погоды или от времени суток. С древних времен человечество искало дополнительные источники видимого света. Сначала это был огонь – от костра, от лучины или от керосиновой лампы. Потом настала эра электрического освещения. Лампы накаливания прочно вошли в жизнь человека. Принцип их действия не так сильно отличается от костра или керосиновой лампы – свет излучает нагретое до высокой температуры тело.

В настоящий момент доминирующую позицию занимают светодиодные осветительные приборы. Они излучают свет по другому принципу – фотоны испускаются во время рекомбинации носителей заряда в полупроводниковом переходе. Основное достоинство таких излучателей – экономичность. Этот параметр важен, не менее важна и низкая цена светоизлучающего элемента. Однако качество освещения оценивается по главной характеристике – близость спектра излучения к естественному. Чем ближе окраска света к солнечному, тем комфортнее для глаз считается свет.

Цветовой спектр света

Видимый свет занимает определенный участок электромагнитного спектра. В его границах излучение может иметь различную длину волны, что воспринимается человеческим глазом, как свет различного цвета.

Белый свет, попадая на тела, частично отражается, частично поглощается. Если тело поглощает свет полностью, оно выглядит черным, если полностью отражает – белым. Большинство тел поглощают и отражают определенные участки спектра. Отраженный цвет и определяет, как цветовая окраска тела воспринимается человеческим глазом.

Например, если предмет поглощает все цвета, кроме зеленого (а зеленый он отражает), то мы и видим предмет зеленым.

Поэтому нормальное восприятие цвета можно получить только при освещении, близком к естественному. Если освещать зеленый предмет светом, в котором не будет соответствующей составляющей (например, красным или близким к нему), то этот предмет будет казаться серым. Ведь он не может отразить тот цвет, который на него не падает.

Cиний цвет и его оттенки занимают самый коротковолновый (и высокочастотный) участок спектра, на самом краю переходя в фиолетовый цвет. С повышением частоты излучение переходит в ультрафиолетовый сектор и перестает быть видимым. Длинноволновый (низкочастотный) участок занимают оттенки красного. Если частота света еще ниже, он относится к граничащему с видимым инфракрасному сектору, который также не воспринимается человеческим глазом.

Рекомендуем: Что такое цветовая температура источника света

Некоторые цвета отсутствуют в спектре видимого света, их можно получить только смешением цветов. Кроме того, истинный белый цвет, который глазом воспринимается, как естественное освещение, содержит все длины волн видимой части. Наблюдать это в природе можно на примере радуги. При определенных условиях в атмосфере, происходит разложение полного спектра на составляющие цвета.

Наибольшее количество комбинаций цветов можно получить, смешивая красный, синий и зеленый цвета в различных соотношениях. Доступные оттенки перерывают почти весь спектр, которые может видеть человеческий глаз. Поэтому по принципу RGB (Red, Green, Blue) построены многочисленные устройства формирования изображения, начиная с цветных телевизоров, заканчивая светодиодными лентами. Но с помощью этих трех цветов получить естественный белый не получится – придется подмешивать дополнительные цвета.

Длина световой волны

Свет с различной длиной волны воспринимается глазом, как различный цвет. Кроме того, от длины волны света зависит энергия, переносимая световыми квантами. Зависимость энергии от частоты вывел немецкий ученый Макс Планк. Его знаменитая формула выглядит так:

E=h*ν, где:

• E – энергия фотона, Дж;
• ν – частота излучения, Гц;
• h – постоянная планка, приблизительно равная 6,626 ⁻³⁴ кг·м²·с⁻¹ (Дж·с).

Переходя от частоты к длине волны, можно записать формулу Планка в виде E=h*c/λ. Очевидно, что чем короче волна (выше частота), тем выше энергия фотона. Наибольшую энергию несет синее и фиолетовое излучение, наименьшую – оранжевое и красное.

Связь длины волны, цвета и энергии сведена в таблицу.

Заключение

Свойства света изучаются уже несколько веков. Науке, казалось бы, известно об этом физическом явлении, все. На самом деле, световое излучение таит в себе еще немало неизведанного, задач и вызовов хватит не на одно поколение ученых.

Ви́димое излуче́ние — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом^[1]. Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра^[2]. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (790—750 ТГц), а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (395—385 ТГц)^[1][3]. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).

Не всем цветам, которые различает человеческий глаз, соответствует какое-либо монохроматическое излучение. Такие оттенки, как розовый, бежевый или пурпурный образуются только в результате смешения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с бо́льшими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящее в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят излучение в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете^[4][5].

История

Первые объяснения причин возникновения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах^[6][7].

Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он обнаружил, что, когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся в прозрачной среде с различной скоростью. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели^[6][8]. Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.

Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму на краях луча проявляются красно-желтые и голубые края, между которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.

Длины волн, соответствующие различным цветам видимого излучения были впервые представлены 12 ноября 1801 года в Бейкеровской лекции Томасом Юнгом, они получены путём перевода в длины волн параметров колец Ньютона, измеренных самим Исааком Ньютоном. Эти кольца Ньютон получал пропусканием через линзу, лежащую на ровной поверхности, соответствующей нужному цвету части разложенного призмой в спектр света, повторяя эксперимент для каждого из цветов^[9]:30-31. Юнг представил полученные значения длин волн в виде таблицы, выразив во французских дюймах (1 дюйм=27,07 мм)^[10], будучи переведёнными в нанометры, их значения неплохо соответствуют современным, принятым для различных цветов. В 1821 году Йозеф Фраунгофер положил начало измерению длин волн спектральных линий, получив их от видимого излучения Солнца с помощью дифракционной решётки, измерив углы дифракции теодолитом и переведя в длины волн^[11]. Как и Юнг, он выразил их во французских дюймах, переведённые в нанометры, они отличаются от современных на единицы^[9]:39-41. Таким образом, ещё в начале XIX века стало возможным измерять длины волн видимого излучения с точностью до нескольких нанометров.

В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.

В начале XIX века Томас Юнг и Герман фон Гельмгольц также исследовали взаимосвязь между спектром видимого излучения и цветным зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз используются рецепторы трёх различных типов.

Характеристики границ видимого излучения

Спектр видимого излучения

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разными углами. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены с помощью света одной длины волны (точнее, с очень узким диапазоном длин волн), называются спектральными цветами^[12]. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице^[13]:

Указанные в таблице границы диапазонов носят условный характер, в действительности же цвета плавно переходят друг в друга, и расположение видимых наблюдателем границ между ними в большой степени зависит от условий наблюдения^[13].

См. также

• Цвет
• Спектральные и дополнительные цвета

Примечания