Лучистая энергия и спектральный состав оптических излучений. Две стороны одной медали

Живая природа не может существовать без света, так как солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, является практически единственным источником энергии для поддержания теплового баланса планеты, создания органических веществ фототрофными организмами биосферы, что в итоге обеспечивает формирование среды, способной удовлетворить жизненные потребности всех живых существ.
Световой режим любого местообитания зависит от его географической широты, высоты над уровнем моря, состояния атмосферы, растительности, сезона и времени суток, солнечной активности и т. д. Поэтому разнообразие световых условий на нашей планете чрезвычайно велико: от таких сильно освещенных территорий, как высокогорья, пустыни, степи, до сумеречного освещения в водных глубинах и пещерах.

Биологическое действие солнечного света зависит от его спектрального состава, продолжительности, интенсивности, суточной и сезонной периодичности.

Солнечная радиация представляет собой электромагнитное излучение в широком диапазоне волн, составляющих непрерывный спектр от 290 до 3 000 нм. Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) короче 290 им, губительные для живых организмов, поглощаются слоем озона и до Земли не доходят. Земли достигают главным образом инфракрасные (около 50% суммарной радиации) и видимые (45%) лучи спектра. На долю УФЛ, имеющих длину волны 290-380 нм, приходится 5% лучистой энергии. Длинноволновые УФЛ, обладающие большой энергией фотонов, отличаются высокой химической активностью. В небольших дозах они оказывают мощное бактерицидное действие, способствуют синтезу у растений некоторых витаминов, пигментов, а у животных и человека - витамина D; кроме того, у человека они вызывают загар, который является защитной реакцией кожи. Инфракрасные лучи длиной волны более 710 нм оказывают тепловое действие.

В экологическом отношении наибольшую значимость представляет видимая область спектра (390-710 нм), или фотосинтетически активная радиация(ФАР), которая поглощается пигментами хлоропластов и тем самым имеет решающее значение в жизни растений. Видимый свет нужен зеленым растениям для образования хлорофилла, формирования структуры хлоропластов; он регулирует работу устьичного аппарата, влияет на газообмен и транспирацию, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот, повышает активность ряда светочувствительных ферментов. Свет влияет также на деление и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения, оказывает формообразующее воздействие.
Свет с разной частотой излучения (и разного цвета в видимом диапазоне) по-разному влияет на рост, развитие растений и фотосинтез. В основном растения поглощают синий и красный цвет, а зеленый отражают или пропускают. В результате зеленый свет используется листьями наименее эффективно. Именно поэтому листья растений, в основном, зеленого цвета. Зависимость поглощения и усвоения энергии растениями от длины волны светового излучения называют энергетическим спектром фотосинтетической активной радиации (излучения). По сути, фотосинтетическое активное излучение - это поток энергии определенного спектра, обычно мощность излучения

Поглощаемая растениями энергия света расходуется на фотосинтез, фотоморфогинез, синтез хлорофилла, а часть энергии идет на нагрев и переизлучение. Активность этих процессов зависит от длины волны по-разному. Изменяя составляющие излучения синей, зеленой и красной части спектра, можно влиять на прорастание, рост или торможение разных биологических процессов и стадий фотосинтеза. Исследования показали, что ФАР – излучение оказывает влияние не только на растения, но и значительно замедляет развитие патогенных грибков и бактерий на облучаемых растениях.

Все растения по-разному воспринимают разные длины волн в спектре ФАР. Это связано с разным поглощением разных типов пигментов в листьях. Основные пигменты листьев - хлорофиллы a и b, поглощают свет синего и красного диапазонов, каротиноиды поглощают свет синего диапазона. Обобщение данных поглощения света листьями разных культур позволило рассчитать специалистам Конструкторского бюро «Оптимум» эффективную спектральную кривую поглощения «среднего» зеленого листа и спектры для основных агропромышленных культур (томатов, огурцов, перцев).

Вспомните: солнечный летний день — и вдруг на небе появилась тучка, пошел дождик, который будто «не замечает», что солнце продолжает светить. Такой дождь в народе называют слепым. Дождик еще не успел закончиться, а на небе уже засияла разноцветная радуга (рис. 13.1). Почему она появилась?

Раскладываем солнечный свет в спектр.

Еще в древности было замечено, что солнечный луч, пройдя сквозь стеклянную призму, становится разноцветным. Считалось, что причина этого явления — в свойстве призмы окрашивать свет. Так ли это на самом деле, выяснил в 1665 г. выдающийся английский ученый Исаак Ньютон (1643-1727), проведя серию опытов.

Рис. 13.1. Радугу можно наблюдать, например, в брызгах фонтана или водопада

Чтобы получить узкий пучок солнечного света, Ньютон сделал небольшое круглое отверстие в ставне. Когда перед отверстием он устанавливал стеклянную призму, на противоположной стене появлялась разноцветная полоска, которую ученый назвал спектром. На полоске (как и в радуге), Ньютон выделил семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый (рис. 13.2, а).

Затем ученый с помощью экрана с отверстием выделял из широкого разноцветного пучка лучей узкие одноцветные (монохроматические) пучки света и снова направлял их на призму. Такие пучки отклонялись призмой, но уже не раскладывались в спектр (рис. 13.2, б). При этом больше других отклонялся пучок фиолетового света, а меньше других — пучок красного света.

Результаты опытов позволили Ньютону сделать следующие выводы:

1) пучок белого (солнечного) света состоит из света разных цветов;

2) призма не «окрашивает» белый свет, а разделяет его (раскладывает в спектр) из-за разного преломления световых пучков разного цвета.

рис. 13.2. Схема опытов И. Ньютона по выяснению спектрального состава света

Сравните рис. 13.1 и 13.2: цвета радуги — это и есть цвета спектра. И это не удивительно, потому что на самом деле радуга — огромный спектр солнечного света. Одна из причин появления радуги состоит в том, что множество маленьких капелек воды преломляют белый солнечный свет.

Узнаём о дисперсии света

Опыты Ньютона продемонстрировали, в частности, что, преломляясь в стеклянной призме, пучки фиолетового света всегда отклоняются больше, чем пучки красного света. Это означает, что для световых пучков разного цвета показатель преломления стекла — разный. Именно поэтому пучок белого света раскладывается в спектр.

Явление разложения света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от цвета светового пучка, называют дисперсией света.

Для большинства прозрачных сред наибольший показатель преломления имеет фиолетовый свет, наименьший — красный.

Световой пучок какого цвета — фиолетового или красного — распространяется в стекле с большей скоростью? Подсказка:вспомните, как показатель преломления среды зависит от скорости распространения света в этой среде.

Характеризуем цвета

В спектре солнечного света традиционно выделяют семь цветов, можно выделить и больше. Но вы никогда не сможете выделить, например, коричневый или сиреневый цвет. Эти цвета являются составными— они образуются в результате наложения (смешения) спектральных (чистых) цветовв разных пропорциях. Некоторые спектральные цвета при наложении друг на друга образуют белый цвет. Такие пары спектральных цветов называют дополнительными(рис. 13.3).

Для зрения человека особое значение имеют три основных спектральных цвета — красный, зеленый и синий: при наложении эти цвета дают самые разнообразные цвета и оттенки.

На наложении трех основных спектральных цветов в разных пропорциях основано цветное изображение на экранах компьютера, телевизора, телефона (рис. 13.4).

Рис. 13.5. Разные тела по-разному отражают, преломляют и поглощают солнечный свет, и благодаря этому мы видим окружающий мир разноцветным

Выясняем, почему мир разноцветный

Зная, что белый свет является составным, можно объяснить, почему окружающий мир, освещенный только одним источником белого света — Солнцем, мы видим разноцветным (рис. 13.5).

Так, поверхность листа офисной бумаги одинаково хорошо отражает лучи всех цветов, поэтому лист, освещенный белым светом, кажется нам белым. Синий рюкзак, освещенный тем же белым светом, преимущественно отражает лучи синего цвета, а остальные поглощает.

Как вы думаете, какой цвет преимущественно отражают лепестки подсолнечников? листья растений?

Синий свет, направленный на красные лепестки розы, почти полностью будет поглощен ими, так как лепестки отражают преимущественно красные лучи, а остальные — поглощают. Поэтому роза, освещенная синим светом, будет казаться нам практически черной. Если же синим светом осветить белый снег, он будет казаться нам синим, ведь белый снег отражает лучи всех цветов (в том числе синие). А вот черная шерсть кота хорошо поглощает все лучи, поэтому кот будет казаться черным при освещении любым светом (рис. 13.6).

Обратите внимание! Поскольку цвет тела зависит от характеристики падающего света, в темноте понятие цвета не имеет смысла.

Рис. 13.6. Цвет тела зависит как от оптических свойств его поверхности, так и от характеристик падающего света

Подводим итоги

Пучок белого света состоит из света разных цветов. Выделяют семь спектральных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Показатель преломления света, а значит, скорость распространения света в среде зависят от цвета светового пучка. if Зависимость показателя преломления среды от цвета светового пучка называют дисперсией света. Мы видим окружающий мир разноцветным благодаря тому, что разные тела по-разному отражают, преломляют и поглощают свет.

Контрольные вопросы

1. Опишите опыты И. Ньютона по выяснению спектрального состава света.

2. Назовите семь спектральных цветов. 3. Световой пучок какого цвета преломляется в веществе больше других? меньше других? if 4. Дайте определение дисперсии света. Какое природное явление связано с дисперсией? 5. Какие цвета называют дополнительными? 6. Назовите три основных цвета спектра. Почему их так называют? 7. Почему окружающий мир мы видим разноцветным?

Упражнение № 13

1. Какими будут казаться черные буквы на белой бумаге, если смотреть на них сквозь зеленое стекло? Каким при этом будет казаться цвет бумаги?

2. Свет каких цветов проходит сквозь синее стекло? поглощается им?

3. Через стекло какого цвета нельзя увидеть текст, написанный фиолетовыми чернилами на белой бумаге?

4. В воде распространяются световые пучки красного, оранжевого и голубого цветов. Скорость распространения какого пучка наибольшая?

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, почему небо голубое; почему Солнце на закате часто бывает красным.

Экспериментальное задание

«Творцы радуги». Наполните неглубокий сосуд водой и поставьте его у светлой стены. На дне сосуда разместите под углом плоское зеркало (см. рисунок). Направьте на зеркало пучок света — на стене появится «солнечный зайчик». Рассмотрите его и объясните наблюдаемое явление.

Физика и техника в Украине

киевский национальный университет им. тараса Шевченко (КНУ) основан в ноябре 1833 г. как Императорский университет Святого Владимира. Первый ректор университета — выдающийся ученый-энциклопедист Михаил Александрович Максимович.

С КНУ связаны имена известных ученых — математиков, физиков, кибернетиков, астрономов: Д. А. Граве, М. Ф. Кравчука, Г. В. Пфейффера, Н. Н. Боголюбова, В. М. Глушкова, А. В. Скорохода, И. И. Гихмана, Б. В. Гнеденко, В. С. Михалевича, М. П. Авенариуса, Н. Н. Шиллера, И. И. Косоногова, А. Г. Ситенко, В. Е. Лашкарева, Р. Ф. Фогеля, М. Ф. Хан-дрикова, С. К. Всехсвятского.

В мире известны научные школы КНУ — алгебраическая, теории вероятностей и математической статистики, механики, физики полупроводников, физической электроники и физики поверхности, металлогеническая, оптики новых материалов и др. С 2008 г. ректор КНУ — академик НАНУ и НАПНУ, Герой Украины Леонид Васильевич Губерский.

Это материал учебника

Свет - электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Нередко, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Одной из характеристик света является его цвет, который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения - его спектральным составом.

Осн. источник света - солнце. Излучаемый им свет принято считать белым. От солнца идет свет с разной длиной волны.

Свет имеет температуру, которая зависит от мощности светового излучения. В свою очередь мощность зависит от длины волны.

Свет от лампы накаливания кажется белым, но его спектр смещен в сторону красного.

Свет от люминесцентной лампы смещен в сторону фиолетовой части спектра, имеет голубоватую окраску и большую цветовую температуру

Свет солнечного света в высокогорной местности смещен в сторону фиолетовых волн. Это обусловлено разряженной атмосферой на большой высоте.

В песчаной пустыне спектр будет смещен в сторону красных волн, т.к. к солнечному свету добавляется излучение раскаленного песка.

При осуществлении съемки необходимо учитывать данные факты, знать спектр имеющегося светового излучения для того, чтобы получить качественный снимок с оттенками, имеющимися в оригинале.

Т.о. от разных источников света идут фотоны разной длины.

Цвет - ощущение, вызываемое в глазах и мозгу человека светом различных длин волн и интенсивности.

Излучение разной интенсивности объективно существует и вызывает ощущение определенного цвета. Но само по себе оно цвета не имеет. Цвет возникает в органах зрения человека. Он не существует независимо от них. Поэтому его нельзя считать объективной величиной.

Для описания цвета применяются субъективные качественные и количественные оценки его характеристик.

Причинами возникновения цветовых ощущений являются электромагнитное излучение, свет, объективные характеристики которого связаны с субъективными характеристиками цвета, его насыщенностью, тоном, яркостью.

Цветовой тон субъектив. обусловленный свойствами зрительного восприятия человека, света, опр.волны интенсивности.

Температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет, называется цветовой температурой. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре около 12 500-25 000 К, т е. гораздо выше температуры солнца. Цветовая температура выражается в Кельвинах (К).

Понятие цветовой температуры применимо только к тепловым (раскаленным) источникам света. Свет электрического разряда в газах и парах металлов (натриевые, ртутные, неоновые лампы) не может быть охарактеризован величиной цветовой температуры.

Химический состав вещества – важнейшая характеристика используемых человечеством материалов. Без его точного знания невозможно со сколько-нибудь удовлетворительной точностью спланировать технологические процессы в промышленном производстве. В последнее время требования к определению химического состава вещества еще более ужесточились: многие сферы производственной и научной деятельности требуют материалы определенной «чистоты» - это требования точного, фиксированного состава, а также жесткого ограничения на наличие примесей инородных веществ. Всвязи с этими тенденциями разрабатываются все боле прогрессивные методики определения химического состава веществ. К ним относится и метод спектрального анализа, обеспечивающий точное и быстрое изучение химии материалов.

Фантастика света

Природа спектрального анализа

(спектроскопия ) изучает химический состав веществ на основе их способностей по испусканию и поглощению света. Известно, что каждый химический элемент испускает и поглощает характерный только для него световой спектр, при условии, что его можно привести к газообразному состоянию.

В соответствии с этим, возможно определение наличия этих веществ в том или ином материале по присущему только им спектру. Современные методы спектрального анализа позволяют установить наличие вещества массой до миллиардных долей грамма в пробе – за это ответственен показатель интенсивности излучения. Уникальность испускаемого спектра атомом характеризует его глубокую взаимосвязь с физической структурой.

Видимый свет представляет собой излучение с от 3,8 *10 -7 до 7,6*10 -7 м, ответственной за различные цвета. Вещества могут излучать свет только лишь в возбужденном состоянии (это состояние характеризуется повышенным уровнем внутренней ) при наличии постоянного источника энергии.

Получая избыточную энергию, атомы вещества излучают ее в виде света и возвращаются в свое обычное энергетическое состояние. Именно этот испускаемый атомами свет и используется для спектрального анализа. К самым распространенным видам излучения относят: тепловое излучение, электролюминесценция, катодолюминесценция, хемилюминесценция.

Спектральный анализ. Окрашивание пламени ионами металлов

Виды спектрального анализа

Различают эмиссионную и абсорбционную спектроскопию. Метод эмиссионной спектроскопии основан на свойствах элементов к излучению света. Для возбуждения атомов вещества используются высокотемпературный нагрев, равный нескольким сотням или даже тысячам градусов, – для этого пробу вещества помещают в пламя или в поле действия мощных электрических разрядов. Под воздействием высочайшей температуры молекулы вещества разделяются на атомы.

Атомы, получая избыточную энергию, излучают ее в виде квантов света различной длины волны, которые регистрируются спектральными аппаратами – приборами, визуально изображающими получившийся световой спектр. Спектральные аппараты служат также и разделительным элементом системы спектроскопии, потому как световой поток суммируется от всех присутствующих в пробе веществ, и в его задачи входит разделение общего массива света на спектры отдельных элементов и определение их интенсивности, которая позволит в будущем сделать выводы о величине присутствующего элемента в общей массе веществ.

• В зависимости от методов наблюдения и регистрации спектров различают спектральные приборы: спектрографы и спектроскопы. Первые регистрируют спектр на фотопленке, а вторые делают доступным просмотр спектра для прямого наблюдения человеком через специальные зрительные трубы. Для определения размеров используются специализированные микроскопы, позволяющие с высокой точностью определить длину волны.
• После регистрации светового спектра он подвергается тщательному анализу. Выявляются волны определенной длины и их положение в спектре. Далее выполняется соотношение их положения с принадлежностью к искомым веществам. Делается это с помощью сравнения данных положения волн с информацией, расположенной в методических таблицах, указывающих на типичные длины волн и спектры химических элементов.
• Абсорбционная спектроскопия проводится подобно эмиссионной. В этом случае вещество помещают между источником света и спектральным аппаратом. Проходя через анализируемый материал, испущенный свет достигает спектрального аппарата с «провалами» (линии поглощения) по некоторым длинам волн – они и составляют поглощенный спектр исследуемого материала. Дальнейшая последовательность исследования аналогична для приведенного выше процесса эмиссионной спектроскопии.

Открытие спектрального анализа

Значение спектроскопии для науки

Спектральный анализ позволил человечеству открыть несколько элементов, которые невозможно было определить традиционными методами регистрации химических веществ. Это такие элементы, как рубидий, цезий, гелий (он был открыт с помощью спектроскопииСолнца – задолго до его обнаружения на Земле), индий, галлий и другие. Линии этих элементов были обнаружены в спектрах излучения газов, и на момент их исследования были неидентифицируемы.

Стало понятно, что это и есть новые, доселе неизвестные элементы. Серьезное влияние спектроскопия оказала на становление нынешнего вида металлургической и машиностроительной промышленности, атомной индустрии, сельское хозяйство, где стала одним из главных инструментов систематического анализа.

Огромное значение спектроскопия приобрела в астрофизике

Спровоцировав колоссальный скачок в понимании структуры Вселенной и утверждении того факта, что все сущее состоит из одних и тех же элементов, которыми, в том числе, изобилует и Земля. Сегодня метод спектрального анализа позволяет ученым определять химический состав находящихся за миллиарды километров от Земли звезд, туманностей, планет и галактик – эти объекты, естественно, не доступны методикам прямого анализа ввиду своего большого удаления.

С помощью метода абсорбционной спектроскопии возможно изучение далеких космических объектов, не обладающих собственным излучением. Это знание позволяет устанавливать важнейшие характеристики космических объектов: давление, температуру, особенности структуры строения и многое другое.

Опытами Ньютона было установлено, что солнечный свет имеет сложный характер. Подобным же образом, т. е. ана­лизируя состав света при помощи призмы, можно убедить­ся, что свет большинства других источников (лампа нака­ливания, дуговой фонарь и т. д.) имеет такой же характер. Сравнивая спектры этих светящихся тел, обнаружим, что соответственные участки спектров обладают различной яр­костью, т. е. в различных спектрах энергия распределена по-разному. Еще надежнее удостовериться в этом можно, если исследовать спектры при помощи термоэлемента (см. § 149).

Для обычных источников эти различия в спектре не очень значительны, однако их можно без труда обнаружить. Наш глаз даже без помощи спектрального аппарата обнару­живает различия в качестве белого света, даваемого этими источниками. Так, свет свечи кажется желтоватым или даже красноватым по сравнению с лампой накаливания, а эта по­следняя заметно желтее, чем солнечный свет.

Еще значительнее различия, если источником света вме­сто раскаленного тела служит трубка, наполненная газом, светящимся под действием электрического разряда. Такие трубки употребляются в настоящее время для светящихся надписей или освещения улиц. Некоторые из этих газораз­рядных ламп дают ярко желтый (натриевые лампы) или крас­ный (неоновые лампы) свет, другие светятся беловатым све­том (ртутные), ясно отличным по оттенку от солнечного. Спектральные исследования света подобных источников показывают, что в их спектре имеются только отдель­ные более или менее узкие цветные участки.

В настоящее время научились изготовлять газоразряд­ные лампы, свет которых имеет спектральный состав, очень близкий к солнечному. Такие лампы получили наз­вание ламп дневного света (см. § 186).

Если исследовать свет солнца или дугового фонаря, профильтрованный через цветное стекло, то он окажется заметно отличным от первоначального. Глаз оце­нит этот свет как цветной, а спектральное разложение обна­ружит, что в спектре его отсутствуют или очень слабы более или менее значительные участки спектра источника.

§ 165. Свет и цвета тел. Опыты, описанные в § 164, показы­вают, что свет, вызывающий в нашем глазу ощущение того или иного цвета, обладает более или менее сложным спект­ральным составом. При этом оказывается, что глаз наш представляет собой довольно несовершенный аппарат для анализа света, так что лучи разнообразного спектраль­ного состава могут иногда производить почти одинаковое цветовое впечатление. Тем не менее именно при помощи глаза мы получаем знание о всем многообразии цветов в ок­ружающем мире.

Случаи, когда свет от источника направляется непо­средственно в глаз наблюдателя, сравнительно редки. Гораздо чаще свет предварительно проходит через тела, преломляясь и частично поглощаясь в них, либо в бо­лее или менее полной степени отражаясь от их поверхности. Таким образом, спектральный состав света, дошедшего до нашего глаза, может оказаться значительно изменен­ным благодаря описанным выше процессам отражения, поглощения и т. д. В громадном большинстве случаев все подобные процессы ведут только к ослаблению тех или иных спектральных участков и могут даже полностью устранить некоторые из таких участков, но не добавляют к свету, при­шедшему от источника, излучения тех длин волн, которых в нем не было. Однако и такие процессы могут иметь место (например, в явлениях флюоресценции).

§ 166. 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 (см. § 76).

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.

§ 167. Цветные тела, освещенные белым светом. 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 рис. 316. Самый верхний слой отражает практически одинаково все

Рис. 316. Схема действия слоя краски

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 егокраски.

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.

§ 168. Цветные тела, освещенные цветным светом. 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.

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 (см. § 187).

§ 169. Маскировка и демаскировка. Даже при ярком осве­щении мы не в состоянии различать тела, цвет которых не отличается от цвета окружающего фона, т. е. тела, для которых коэффициент r имеет для всех длин волн практически те же значения, что и для фона. Поэтому, например, так трудно различить животных с белым мехом или людей в белой одежде на снежной равнине. Этим пользуются в воен­ном деле для цветовой маскировки войск и военных объек­тов. В природе, в процессе естественного отбора, многие животные приобрели защитную окраску (мимикрия).

Из вышеизложенного понятно, что наиболее совершен­ной маскировкой является подбор такой окраски, у которой коэффициент отражения r для всех длин волн име­ет те же значения, что и у окружающего фона. Практически этого очень трудно достичь, и поэтому нередко ограничи­ваются подбором близких коэффициентов отражения для излучения, которое играет особо важную роль при дневном освещении и наблюдении глазом. Это - по преимуществу желто-зеленая часть спектра, к которой особенно чувстви­телен глаз и которая сильнее других представлена в сол­нечном (дневном) свете. Однако если замаскированные с таким расчетом объекты наблюдать не глазом, а фотографи­ровать, то маскировка может утратить свое значение. Действительно, на фотографическую пластинку особенно сильно действует фиолетовое и ультрафиолетовое излучение. Поэтому, если для этой области спектра коэффициенты отражения у объекта и фона заметно отличаются друг от друга, то при наблюдении глазом такой дефект маски­ровки останется незамеченным, но он резко даст себя знать на фотографии. Так же отчетливо скажется несовершенство маскировки, если вести наблюдение через светофильтр, практически устраняющий те длины волн, на которые маскировка по преимуществу рассчитана, например через синий фильтр. Несмотря на значительное понижение яр­кости всей картины при рассматривании через такой фильтр, на ней могут выступать детали, которые были скрыты при наблюдении в белом свете. Соединение фильтра с фотогра­фией может дать особенно сильный эффект. Поэтому при подборе маскирующих цветов надо быть внимательным к определению r для довольно широкой области спектра, в том числе для инфракрасной и ультрафиолетовой.

Светофильтрами пользуются иногда, чтобы улучшить правильную передачу освещенности при фотографировании. Ввиду того, что максимумы чувствительности глаза и фото­пластинки лежат в разных областях (для глаза - желто-зеленая, для фотопластинки - сине-фиолетовая), зритель­ное и фотографическое впечатления могут быть довольно различными. Фигура девушки, одетой в желтую блузку и фиолетовую юбку, кажется глазу светлой в верхней своей части и темной в нижней. На фотографической же карточке она может казаться одетой в темную блузку и светлую юбку. Если же перед фотографическим объективом поставить жел­тый светофильтр, он изменит соотношение освещенностей юбки и блузки в сторону, приближающуюся к зрительному впечатлению. Применяя, сверх того, фотопленку с повышен­ной по сравнению с обычными чувствительностью к длин­ным волнам (ортохроматические), мы можем добиться до­вольно правильной передачи освещенности фигуры.

§ 170. Насыщенность цветов. Кроме обозначения цвета - красный, желтый, синий и т. д.,- мы нередко различаем цвет по насыщенности, т. е. по чистоте оттен­ка, отсутствию белесоватости. Примером глубоких, или на­сыщенных, цветов являются спектральные цвета. В них представлена узкая область длин волн без примеси других цветов. Цвета же тканей и красок, покрывающих предметы, обычно бывают менее насыщенными и в большей или мень­шей степени белесоватыми. Причина лежит в том, что коэффициент отражения большинства красящих веществ не равняется нулю ни для одной длины волны. Та­ким образом, при осве­щении окрашенной тка­ни белым светом мы на­блюдаем в рассеянном свете по преимуществу одну область цвета (на­пример, красную), но к ней примешивается за­метное количество и дру­гих длин волн, дающих в совокупности белый свет. Но если такой рас­сеянный тканью свет с преобладанием одного цвета (например, крас­ного) направить не пря­мо в глаз, а заставить вторично отразиться от той же ткани, то доля преобладающего цвета значительно усилится по сравнению с остальными и белесоватость уменьшится.. Многократное повторение такого процесса (рис. 317) может привести к получению достаточно насыщенного цвета.

Рис. 317. Получение насыщенного цве­та при отражении от красной драпи­ровки

Если интенсивность падающего света какой-либо длины волны обоз­начить через I , а коэффициент отражения для той же длины волны - через r, то получим после однократного отражения интенсивность I r, после двукратного I r 2 , после трехкратного I r 3 и т. д. Отсюда видно, что если r для какого-то узкого спектрального участка равняется, напри­мер, 0,7, а для остальных равняется 0,1, то после однократного отраже­ния примесь белого цвета составляет 1/7, т. е. около 15%, после дву­кратного отражения 1/49, т. е. около 2%, и после трехкратного 1/343, т. е. меньше 0,3%. Такой свет можно считать вполне насыщенным.

Описанным явлением объясняется насыщенность цветов бархатных тканей, ниспадающих складками драпировок или реющих знамен. Во всех этих случаях имеются много­численные углубления (бархат) или складки окрашенной материи. Падая на них, белый свет претерпевает многократ­ное отражение, прежде чем достигнет глаза наблюдателя. При этом, конечно, ткань представляется более темной, чем, например, гладкая натянутая полоса цветного сатина; но насыщенность цвета увеличивается чрезвычайно сильно, и ткань выигрывает в красоте.

В § 167 мы упоминали, что поверхностный слой любой краски всегда рассеивает белый свет. Это обстоятельство портит насыщенность цветов картины. Поэтому картины, писанные масляными красками, обычно покрывают слоем лака. Заливая все неровности краски, лак создает гладкую зеркальную поверхность картины. Белый свет от этой по­верхности не рассеивается во все стороны, а отража­ется по определенному направлению. Конечно, если смот­реть на картину с неудачно выбранной позиции, то такой свет будет очень мешать {«отсвечивание»). Но если рассмат­ривать картину с других мест, то благодаря лаковому покрытию белый свет от поверхности в этих направлениях не распространяется, и цвета картины выигрывают в насы­щенности.

§ 171. Цвет неба и зорь. Изменение спектрального состава света, отраженного или рассеянного поверхностью тел, связано с наличием избирательного поглощения и отражения, выражающегося в зависимости коэффициентов a и r от длины волны.

В природе играет большую роль еще одно явление, ведущее к изменению спектрального состава солнечного света. Свет, доходящий до наблюдателя от участков безоб­лачного небесного свода, далеких от Солнца, характеризу­ется довольно насыщенным голубым или даже синим оттен­ком. Несомненно, что свет неба есть солнечный свет, рас­сеиваемый в толще воздушной атмосферы и по­этому доходящий до наблюдателя со всех сторон, даже по направлениям, далеким от направления на Солнце. Рис. 318 поясняет происхождение рассеянного света неба. Теоретическое исследование и опыты показали, что такое рассеяние происходит благодаря молекулярному строению воздуха; даже вполне свободный от пыли воздух рассеивает

Рис. 318. Происхождение цвета неба (свет Солнца, рассеянный атмо­сферой). До поверхности Земли (например, точки А) доходит как пря­мой свет Солнца, так и свет, рассеянный в толще атмосферы. Цвет этого рассеянного света и называется цветом неба

солнечный свет. Спектр рассеянного воздухом света замет­но отличается от спектра прямого солнечного света: в сол­нечном свете максимум энергии приходится на желто-зеленую часть спектра, а в свете неба максимум передвинут к голубой части. Причина лежит в том, что короткие све­товые волны рассеиваются значительно сильнее длинных. По расчетам английского физика Джона Стретта лорда Рэлея (1842-1919), подтвержденным измерениями, интен­сивность рассеянного света обратно пропорциональна чет­вертой степени длины волны, если рассеивающие частицы малы по сравнению с длиной волны света, следовательно, фиолетовые лучи рассеиваются почти в 9 раз сильнее крас­ных. Поэтому желтоватый свет Солнца при рассеянии пре­вращается в голубой цвет неба. Так обстоит дело при рассея­нии в чистом воздухе (в горах, над океаном). Наличие в воз­духе сравнительно крупных частичек пыли (в городах) добавляет к рассеянному голубому свету свет, отраженный частичками пыли, т. е. почти неизмененный свет Солнца. Благодаря этой примеси цвет неба становится в этих усло­виях более белесоватым.

Преимущественное рассеяние коротких волн приводит к тому, что доходящий до Земли прямой свет Солнца оказы­вается более желтым, чем при наблюдении с большой высоты. На пути через толщу воздуха свет Солнца частично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются ко­роткие волны, так что достигший Земли свет становится от­носительно богаче излучением длинноволновой части спект­ра. Это явление особенно резко сказывается при восходе и закате Солнца (или Луны), когда прямой свет проходит зна­чительно большую толщу воздуха (рис. 319). Благодаря это­му Солнце и Луна на восходе (или закате) имеют медножелтый, иногда даже красноватый оттенок. В тех случаях,

Рис. 319. Объяснение красного цвета Луны и Солнца на восходе и за­кате: S 1 - светило в зените - короткий путь в атмосфере (АВ); S 2 - светило на горизонте - длинный путь в атмосфере (СВ)

когда в воздухе имеются очень мелкие (значительно мень­шие длины волны) частички пыли или капельки влаги (туман), рассеяние, вызываемое ими, также идет по закону,

Рис. 320. Рассеяние света мутной жидкостью: падающий свет - белый, рассеянный свет - синеватый, проходящий свет - красноватый

близкому к закону Рэлея, т. е. по преимуществу рассеива­ются короткие волны. В этих случаях восходящее и захо­дящее Солнце может быть совершенно красным. В красный же цвет окрашиваются и плавающие в атмосфере облака. Таково происхождение прекрасных розовых и красных оттенков утренней и вечерней зорь.

Можно наблюдать описанное изменение цвета при рас­сеянии, если пропустить пучок света от фонаря через сосуд (рис. 320), наполненный мутной жидкостью, т. е. жид­костью, содержащей мелкие взвешенные частицы (напри­мер, водой с несколькими каплями молока). Свет, идущий в стороны (рассеянный), заметно синее, чем прямой свет фонаря. Если толща мутной жидкости довольно значитель­на, то свет, прошедший сквозь сосуд, теряет при рассеянии столь значительную часть коротковолновых лучей (синих и фиолетовых), что оказывается оранжевым и даже красным. В 1883 г. произошло сильнейшее извержение вулкана на острове Кракатау, наполовину разрушившее остров и вы­бросившее в атмосферу огромное количество мельчайшей пыли. На протяжении нескольких лет пыль эта, развеянная воздушными течениями на огромные расстояния, засоряла атмосферу, обусловливая интенсивные красные зори.