Тема 5.3. Физическая природа света и состав спектра.
Цель урока:познакомить студентов с физикой цвета и составом спектра.
План урока:
1.Что такое спектр, исторические сведения о нем.
2.Опыты Ньютона.
3.Длины волн цветов спектра.
4.Характеристика волны.
Студент должен:
знать: зависимость длины волны от цвета в спектре.
Ответы на вопросы плана урока:
1. Спектр (лат. spectrum от лат. specter — виде́ние, призрак) в физике — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр — спектр частот (или, что то же самое, энергий квантов) электромагнитного излучения. В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который в своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не вносятся призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света — преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом. Следующий этап наступил через 100 лет, когда Уильям Волластон в 1802 году наблюдал тёмные линии в солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814 году эти линии независимо обнаружил и подробно описал Фраунгофер (сейчас линии поглощения в солнечном спектре называются линиями Фраунгофера), но не смог объяснить их природу. Фраунгофер описал свыше 500 линий в солнечном спектре и отметил, что положение линии D близко к положению яркой жёлтой линии в спектре пламени. В 1854 году Кирхгоф и Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа, первого из инструментальных спектральных методов — одних из самых мощных методов экспериментальной науки.В 1859 году Кирхгоф опубликовал в журнале «Ежемесячные сообщения Берлинской академии наук» небольшую статью «О фраунгоферовых линиях».
2.В 1666 году Ньютон произвел в Кембридже опыт разложения белого цвета призмой – опыт, который познакомил нас с истинной природой цвета. Через маленькое круглое отверстие в ставне окна в затемненную комнату проникал луч света, а на его пути Ньютон ставил стеклянную трехгранную призму и пучок света преломлялся в призме. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал «спектром» (от греческого «спектрум» - смотрю). Со времен Ньютона принято различать в спектре семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Конечно, разделение спектра именно на семь цветовых зон чисто условно. В действительности, глаз различает в спектре громадное количество промежуточных оттенков, поскольку последовательность цветов спектра непрерывна, и каждый цвет переходит в соседний плавно и постепенно. Описанное наблюдение Ньютона показывает, что лучи разного цвета по-разному преломляются призмой. Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие, перемещая экран. Можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивается в полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Зависимость показателя преломления от цвета получила название «дисперсия цвета» (от лат. dispergo – разбрасываю). Ньютон установил также, что можно наоборот, смешав семь цветов спектра, вновь получить белый цвет. Для этого он поместил на пути разложенного призмой цветного пучка (спектра) двояковыпуклую линзу, которая снова налагает различные цвета один на другой; сходясь, они образуют на экране белое пятно. Если же поместить перед линзой (на пути цветных лучей) узкую непрозрачную полоску, чтобы задержать какую-либо часть спектра, то пятно на экране станет цветным. Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только очень грубо охарактеризовать одним каким-то значением. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не различающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие собой совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, белый солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается на спектральные (простые). Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия: 1) свет различного цвета (длина волны) характеризуется разными показателями преломления в данном веществе (дисперсия);
2) белый цвет есть совокупность простых цветов.
3.В чем же состоит основное различие между цветами спектра? Ньютон утверждал, что различные цвета состоят из частиц разного размера: красные лучи – из самых больших частиц, фиолетовые – из самых маленьких. С другой стороны Томас Юнг предполагал, что цвета соответствуют волнам различной длины, при чем в красных лучах волны самые длинные, в фиолетовых – самые короткие. Частицы отражаются зеркалом подобно тому, как резиновый мяч отскакивает от пола. Когда частицы ударяют в сетчатку глаза, они вызывают ощущение света. Этот способ объяснения световых явлений называется теорией истечения (или корпускулярной теорией). На рубеже 19 века Томас Юнг установил принцип интерференции света, согласно которому можно, сложив свет со светом, получить темноту, то есть взаимно погасить свет. Юнг исследовал различные приложения принципа интерференции и пришел к заключению, что свет должен распространяться волновым движением. Объяснить полосы интерференции с точки зрения истечения оказалось совершенно невозможным. Он вычислил также среднюю длину волны света различных цветов. Его результаты даны в следующей таблице. Они представляют интерес, как первые определения длины световых волн, которые когда-либо были сделаны. Следует отметить, что его цифры вполне пригодны и для современного употребления:
Весь спектр можно разделить по цветовым оттенкам на две части. В одну часть входят красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые цвета, а в другую – фиолетовые, синие, голубые и зеленые цвета. Цвета первой части спектра связываются у нас с представлением о цвете накаленных тел - огня, поэтому их называют теплыми цветами. Цвета второй части спектра связываются у нас с цветом воды, льда, металла и называются холодными цветами. Чем же определяется цвет окружающих нас предметов? Какой физический смысл соответствует нашим представлениям о том, что трава зеленая, цветок мака красный, а небо голубое и т.д.? Цветов предметов, окружающих нас, зависит, во-первых, от их способности отражать или пропускать падающий на них световой поток и, во-вторых, от распределения светового потока в спектре освещающего их источника света. Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это означает, что из всей совокупности лучей, составляющих белый свет, данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи. Прозрачная среда (стекло, жидкость), представляющаяся нам окрашенной в зеленый цвет (при освещении белым светом), пропускает из всей совокупности лучей преимущественно зеленые лучи. Соответственно, отраженные или пропущенные лучи воздействуют на наши глаза и у нас создается ощущение зеленого цвета. Всем известно, что окраска комнаты и находящихся в ней предметов воспринимается нами по-разному при дневном (естественном) и вечернем (искусственном) освещении, осуществляемом лампами накаливания. Причины этого – различное распределение светового потока в спектрах дневного света и лампы накаливания, наличие в спектре дневного света всех видимых излучений почти в равном количестве и почти полное отсутствие синих и фиолетовых лучей в спектре лампы накаливания. При освещении лампами накаливания красные цвета становятся более сочными, а оранжевые краснеют. При этом и красные, и оранжевые цвета становятся более светлыми. Голубые цвета зеленеют, а синие и фиолетовые несколько краснеют, приобретая при этом пурпурный оттенок, а значит – темнеют.
4.Длина волны спектрального цвета, который при разбавлении белым светом дает данный цвет, носит наименование цветового тона, или доминирующей длины волны. Цветовой тон обозначается греческой буквой λd (лямбда) с индексом и выражается в нанометрах. Количество цветов одного и того же тона безгранично, поскольку безгранична возможность прибавления разного количества белого света к данному спектральному цвету. Из сказанного следует, что один цветовой тон не характеризует полностью цвета. Надо учесть степень его разбавления, то есть степень его белесости по отношению к спектральному цвету. В спектральных цветах нет примеси белого, они являются самыми чистыми цветами. Параметр цвета, который учитывает степень разбавления спектрального цвета белым, называют чистотой цвета и обозначают буквой ρ. Чистота цвета выражается в долях единицы или процентах. Спектральные цвета имеют чистоту цвета, равную 100%. Все ахроматические цвета имеют чистоту цвета, равную нулю. Цветовой тон λd и чистота цвета ρ характеризуют качество цвета. Совокупность цветового тона и чистоты цвета, то есть качественный параметр цвета, носит название цветности. Но и цветность не характеризует цвет полностью. Для оценки цвета необходимо указывать кроме цветности и его яркость (В). То есть количественный его параметр, так как розовый цвет, например, при малых яркостях будет нам казаться цветом бордо, желтый – коричневым, а голубой – синим. Два цвета тождественны, если они имеют одинаковую цветность и одинаковую яркость. Из множества цветов одинакового цветового тона наш глаз может отличить друг от друга лишь ограниченное их число. Для спектральных цветов разного цветового тона это число составляет от четырех (желтый цвет) до двадцати пяти (красный цвет). Наименьшее воспринимаемое глазом различие в цвете носит название порога цветоразличения. Число таких порогов характеризует насыщенность различных цветов. Чем больше порогов цветоразличения имеет место для данного цвета от белого до спектрального, тем более насыщенным является данный цвет. Наиболее насыщенными являются красный и синий цвета. Наименее насыщенным – желтый цвет. Таким образом, не следует отождествлять насыщенность и чистоту цвета, являющихся различными понятиями. Спектральные цвета являются самыми чистыми цветами, которые нам приходится наблюдать, так как в них отсутствует примесь белого цвета. Однако они не исчерпывают существующего в природе разнообразия цветов. В спектре нет белых, черных и серых цветов, кроме того, в спектре отсутствуют малиновый, вишневый, сиреневый и другие подобные цвета, называемые пурпурными. Полный набор, встречающихся в природе цветов, может быть получен при смешении спектральных цветов между собой в различной пропорции, а также смешением спектральных цветов с ахроматическими (белым и серым).
Вопросы для повторения:
1.Дайте характеристику спектру.
2.Каковы исторические сведения о спектре?
3.В чем заключались опыты Ньютона?
4.Как длина волны зависит от цвета в спектре?
5.Дайте характеристику различным понятиям, связанным с волной.
Литература:
1.Миронова Л.Н. Цветоведение, Минск. 1984.
2.Живопись: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / [Н. П. Бесчанов и др.] – М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2004. – 223 с.
3.Кирцер Ю.М. Рисунок и живопись/ Ю.М. Кирцер. – М., Высшая школа. 1992.
4.Киплик Д.И. Техника живописи / Д.И. Киплик – М.: Сворога К., 1999.