Дисперсия света

4.4. Коэффициенты поглощения, отражения и пропускания.

Цвет различных предметов, освещенных одним и тем же источником света (например, солнцем), бывает весьма разнообразен, несмотря на то, что все  эти предметы освещены светом одного состава. Основную роль в таких эффектах играют явления отражения и пропускания  света. Как уже было выяснено, световой поток, падающий на тело, частично отражается (рассеивается), частично пропускается и частично поглощается телом. Доля светового потока, участвующего в  каждом из этих процессов, определяется с помощью соответствующих коэффициентов: отражения r, пропускания t и поглощения a.

Каждый из указанных коэффициентов (a, r, t) может зависеть от длины волны (цвета), благодаря чему и возникают  разнообразные эффекты при освещении  тел. Нетрудно видеть, что какое-либо тело, у которого, например, для красного света коэффициент пропускания  велик, а коэффициент отражения  мал, а для зеленого, наоборот, будет  казаться красным в проходящем свете  и зеленым в отраженном. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл  — зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обусловливающее  зеленый цвет их. Раствор (вытяжка) хлорофилла в спирту оказывается на просвет  красным, а на отражении — зеленым.

Тела, у которых для  всех лучей поглощение велико, а  отражение и пропускание очень  малы, будут черными непрозрачными  телами (например, сажа). Для очень  белого непрозрачного тела (окись  магния) коэффициент r близок к единице  для всех длин волн, а коэффициенты a и t очень малы. Вполне прозрачное стекло имеет малые коэффициенты отражения r и поглощения a и коэффициент  пропускания t, близкий к единице  для всех длин волн; наоборот, у окрашенного  стекла для некоторых длин волн коэффициенты t и r равны практически нулю и  соответственно значение коэффициента а близко к единице. Различие в  значениях коэффициентов a, t и r и  их зависимость от цвета (длины волны) обусловливают чрезвычайное разнообразие в цветах и оттенках различных  тел.

4.5. Тела, освещенные белым и цветным цветом

Окрашенные тела кажутся цветными при освещении  белым светом. Если слой краски достаточно толст, то цвет тела определяется ею и  не зависит от свойств лежащих  под краской слоев. Обычно краска представляет собой мелкие зернышки, избирательно рассеивающие свет и погруженные  в прозрачную связывающую их массу, например масло. Коэффициенты a, r и t этих зернышек и определяют собой свойства краски.

Действие краски схематически изображено на рисунке  в приложении 1. Самый верхний  слой отражает практически одинаково  все лучи, т. е. от него идет белый  свет. Доля его не очень значительна, около 5%. Остальные 95% света проникают  в глубь краски и, рассеиваясь  ее зернами, выходят наружу. При этом происходит поглощение части света  в зернах краски, причем те или иные спектральные участки поглощаются  в большей или меньшей степени  в зависимости от цвета краски. Часть света, проникающая еще  глубже, рассеивается на следующих  слоях зерен и т. д. В результате тело, освещенное белым светом, будет  иметь цвет, обусловленный значениями коэффициентов a, t и r для зерен покрывающей  его краски.

Краски, поглощающие  падающий на них свет в очень тонком слое, называются кроющими. Краски, действие которых обусловлено участием многих слоев зерен, носят название лессировочных. Последние позволяют добиваться очень хороших эффектов путем  смешивания нескольких сортов цветных  зерен (стирание на палитре). В результате можно получить разнообразные цветовые эффекты. Интересно отметить, что  смешение лессировочных красок, соответствующих  дополнительным цветам, должно привести к очень темным оттенкам. Действительно, пусть в краске смешаны красные  и зеленые зерна. Свет, рассеянный красными зернами, будет поглощаться  зелеными и наоборот, так что из слоя краски свет почти не будет  выходить. Таким образом, смешение красок дает совершенно иные результаты, чем  смешение света соответствующих  цветов. Это обстоятельство должен иметь в виду художник при смешивании красок.

Все вышесказанное  относится к освещению белым  светом. Если же спектральный состав падающего  света значительно отличается от дневного, то эффекты освещения могут  быть совершенно иными. Яркие красочные  места цветной картины выглядят темными, если в падающем свете отсутствуют  как раз те длины волн, для которых  эти места имеют большой коэффициент  отражения. Даже переход от дневного освещения к искусственному вечернему  может значительно изменить соотношение  оттенков. В дневном свете относительная  доля желтых, зеленых и синих лучей  гораздо больше, чем в искусственном  свете. Поэтому желтые и зеленые  материи кажутся при вечернем освещении более тусклыми, чем  днем, а синяя при дневном свете  ткань нередко кажется совсем черной при лампах. С этим обстоятельством  должны считаться художники и  декораторы, выбирающие краски для  театрального представления или  для парада, происходящего днем на открытом воздухе.

Свет, падая на любое непрозрачное тело, частью отражается от него, частью поглощается им. Белая поверхность  отражает в равной мере все падающие на нее лучи. Поэтому, если осветить белую поверхность белым светом, она будет казаться белой. Если же белую поверхность осветить красным  светом, она будет казаться красной, так как никакого другого света, кроме падающего на него красного, она не отражает. 

Цветная поверхность отражает падающий на нее луч не в одинаковой мере. Например, зеленая поверхность  при освещении белым светом отразит  лишь однородные световые потоки различных  зеленых оттенков и поглотит все  остальные. Если же зеленую поверхность  осветить красным светом, то от поверхности  вообще ничего не отразится, так как  зеленая поверхность красный  свет поглощает. Зеленая поверхность, освещаемая красным светом, будет  казаться черной. 

При красном светофильтре свет, прошедший через него, не будет содержать в себе почти никаких других лучей кроме красных.   
     Поэтому краски, отражающие красные лучи, будут красными.

При зеленом светофильтре, пропускающем всю зеленую часть спектра, частично сине-зеленую и желтую, и в очень слабой степени красную, красные краски слабо выявят свой цвет благодаря незначительному количеству красных лучей при зеленом свете, и поэтому будут казаться бурыми, почти черными. 

Общий тон. отражающий желтые и зеленые лучи, станет желтовато-зеленым  и в общем бледным (благодаря  явлению трансформации). 

Синий (подводка глаз), поглощающий  желтый, превратится в грязно-синий  и будет выглядеть серым на фоне общей зеленоватости общего тона. 

Синий светофильтр пропускает сине-зеленую часть спектра и небольшую часть красных. Общий тон становится белесым грязно-синеватого цвета. Красные краски темнеют, принимая несколько лиловатый оттенок. Синяя краска становится иногда совершенно невидимой. 

Сине-фиолетовый светофильтр почти в одинаковой степени пропускает синие и красные лучи.

Желтый светофильтр не пропускает синих лучей. поэтому синяя краска становится черной. Желтоватый тона общего тона становятся белесоватыми.  [11] 

Необходимо отметить, что  чем большей чистотой и насыщенностью  обладает цвет света, прошедший через  фильтр, тем ближе он к спектральному, тем резче изменение цвета  красок. Если бы фильтры обладали идеальными свойствами пропускать только однородные лучи, без всяких примесей, а краски обладали бы теми же идеальными свойствами отражения, то в театре почти невозможно было бы избежать резких трансформаций  грима. 

 

Заключение

Известный эксперимент Ньютона  с разложением белого света на составляющие его компоненты был  проведен в 1666 году, когда двадцатитрехлетний Ньютон укрылся от чумы в своем фамильном имени Вульсторп. Открытие дисперсии света запечатлено на многих полотнах

Явление дисперсии было открыто  И.Ньютоном и считается одной  из важнейших его заслуг. "Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего раньше никто не подозревал". Около 300 лет назад Исаак Ньютон пропустил солнечные лучи через  призму. Недаром на его надгробном памятнике, поставленном в 1731 году и  украшенном фигурами юношей, которые  держат в руках эмблемы его  главнейших открытий, одна фигура держит призму, а в надписи на памятнике  есть слова: «Он исследовал различие световых лучей и проявляющиеся  при этом различные свойства, чего ранее никто не подозревал». Он открыл, что белый свет – это «чудесная  смесь цветов».  [5] 

Дисперсия света позволила  впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции).

Во многих производствах, где важна правильная оценка оттенков, например при сортировке пряжи, работа при вечернем освещении очень  затруднена или даже совсем невозможна. Поэтому в подобных условиях рационально  применение ламп дневного света, т. е. ламп, спектральный состав света которых  был бы по возможности близок к  спектральному составу дневного освещения.

Список литературы

1. Боков М. А. Дисперсия света и цвет тел.— Москва, КомКнига, 2007 г.- 240 с.
2. Грибов Л. А. От теории спектров к теории химических превращений:— Москва, Едиториал УРСС, 2011 г.- 368 с.
3. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. Атомная спектроскопия:— Санкт-Петербург, Либроком, 2009 г.- 416 с.
4. Ельяшевич М. А. Общие вопросы спектроскопии:— Москва, КомКнига, 2007 г.- 240 с.
5. Зимин Е. А. Физика и световые явления.:— СПб. Специальная литература, 2011 г.- 528 с.
6. Зуева И. Р. Атомная и молекулярная спектроскопия.— Санкт-Петербург, Либроком, 2009 г.- 216 с.
7. Лепендин Л. Ф. Физика. – М.: Высшая школа, 2008. – 448 с.
8. Мясников Л.Л. Физика. М.: Наука, 2005. – 543 с.
9. Никандров В. В. Наблюдение и эксперимент в физике:— Санкт-Петербург, Речь, 2012 г.- 104 с.
10. Ощепков Р. Д. Физика и световые явления.— СПб. Специальная литература, 2011 г.- 528 с.
11. Тихонов В. И., Шахтарин Б. И., Сизых В. В. Физика — Санкт-Петербург. Телеком, 2009 г.- 400 с.
12. Шень А. Дисперсия света— Москва, МЦНМО, 2007 г.- 64 с.
13. Шуберт Ф. Е. Дисперсия света— Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2008 г.- 496 с.

Приложение  1

Основные цвета

Три цвета, которые не могут  быть получены смешением других цветов. Эти три цвета - красный, синий  и желтый, известны как первичные  цвета.

 

Схема действия слоя краски

Окрашенные тела кажутся цветными при освещении  белым светом. Если слой краски достаточно толст, то цвет тела определяется ею и  не зависит от свойств лежащих  под краской слоев. Обычно краска представляет собой мелкие зернышки, избирательно рассеивающие свет и погруженные  в прозрачную связывающую их массу, например масло.

Приложение 2

Если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов  относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет.

Выделив же какую-либо часть  спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего  изменения окраски.

 

Разложение и синтез белого света с помощью призм.

 
Приложение 3

Длины волн видимой части  спектра.

Цвет	Границы, А	Цвет	Границы, А
Фиолетовый	3800 - 4500	Желто - зеленый	5500 - 5750
Синий	4500 - 4800	Желтый	5750 - 5850
Голубой	4800 - 5100	Оранжевый	5850 - 6200
Зеленый	5100 - 5500	Красный	6200 - 7600

 

Диапазон длин волн видимой  части спектра (т.е. воспринимаемых глазом)

В солнечном цвете яблоко красное, потому что оно отражает красный цвет, а остальные поглощает.

Приложение 4

 Картины перекрытия изображений в дополнительных цветах

 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

Цветовой круг Оствальда