Вектор скорости распространения электромагнитной волны.

Лекция

«Общее цветоведение»

Природа света

Человек видит окружающий мир в результате действия на сетчатку глаза частиц света - фотонов. Согласно современным представлениям, фотон - это квант электромагнитного взаимодействия, частица с нулевой массой покоя. Замечательной Особенность фотона – двойственность – ему присуща природа частицы и волны одновременно.

Из таблицы 1 следует, что вся шкала электромагнитного спектра от радиоволн до гамма-лучей обусловлена фотонами.

Таблица 1 - Шкала электромагнитных волн

Свет - это видимая часть электромагнитного спектра в пределах диапазона длин волн от 380-400 нм до 760-780 нм (рисунок 1а). Процесс распространения света от источника называется излучением.

а) б)

Рисунок 1 – а) электромагнитная волна б) взаимодействие объекта со светом

Где – колебание вектора напряженности переменного электрического поля;

– колебание вектора индукции переменного магнитного поля;

вектор скорости распространения электромагнитной волны.

2 LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAAD4BQAAAAA= " filled="f" stroked="f" strokeweight=".5pt">

Среда 2

1-поглощенный луч

4-рассеянный луч

Среда 1

0-падающий луч

2-отраженный луч

Явление дисперсии света впервые было описано в 1648 г. итальянским ученым Маркусом Марци. Независимо от Марци, дисперсию изучал Исаак Ньютон. Исследуя свет, он поставил в 1666 г. простой опыт: пропустил узкий пучок света через призму. На экране, установленном за призмой, наблюдалась радужная полоска, которую назвали призматическим, или дисперсионным, спектром (рис.1.2).

Рис.1.2. Дисперсия цвета в опыте Ньютона:

390—440 нм – фиолетовый; 440—480 нм - синий:

480—510 нм – голубой; 510—550 нм – зеленый;

550—575 - нм желто-зеленый; 575—585 нм - желтый;

585—620 нм – оранжевый; 630—770 нм – красный.

Закон сохранения в оптике

Согласно закону сохранения энергии, падающий поток излучения J делится на четыре составных потока – поглощенный J_A, отраженный J_R, пропущенный J_T, а для оптически неоднородных тел -и рассеянный J_S:

J=J_A + J_R+ J_T + J_S (1)

Поделив левую и правую части соотношения (1) на J, получим соотношение:

А + R + T+S =1 (2)

J_A/J=A - безразмерный коэффициент поглощения; J_R/J=R - безразмерный коэффициент отражения; J_T/J=T- безразмерный коэффициент пропускания; J_S/J=S- безразмерный коэффициент рассеяния.

При попадании потока излучения (света) на непрозрачный объект коэффициент пропускания равен нулю Т=0, а при попадании на прозрачный объект – коэффициент отражения принимается равным нулю R=0. Отсюда закон сохранения (1) для крайних случаев можно записать так:

непрозрачный объект: Т=0, А + R + S =1; прозрачный объект: R=0, А + T + S =1. (3)

Таким образом, характеризовать взаимодействие объектов со светом можно через коэффициенты поглощения, отражения или пропускания (для оптически прозрачных объектов). Отсюда следует, что цветовые характеристики прозрачных объектов можно определять не только по функциям отражения, но и пропускания, а также чтобы четко рассчитать цветовые характеристики твердых тел необходимо изучать рассеяние излучения.

Таблица 1 - Основные и дополнительные цвета (приблизительные соотношения)

Образование спектров и цвет

Открытие электронной спектроскопии в 1854-1859 годах Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгоффом позволило связать цвет вещества с его спектрами и химическим строением. Впоследствии было выяснено, что электронные спектры поглощения и отражения вещества определяют цвет простых и сложных веществ. Электронная теория строения вещества основывается на постулатах Бора, согласно которым, атомы могут существовать, не изменяя своей энергии, т. е. не излучая и не поглощая ее, только в определенных дискретных стационарных состояниях электронов (рисунок 2). Состояние с энергией E₁ называется основным состоянием атома.

Рисунок 2 - Энергетические уровни согласно постулатам Бора

Электроны в атомах, испуская или поглощая энергию, скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое. Такой переход сопровождается изменением энергии ∆ Е, равной энергии кванта hn:

∆ E=E₂-E₁= hn=hc/λ, (3)

где с - скорость света; λ - длина волны; h - постоянная Планка; n - частота электромагнитного излучения.

Молекулярные спектры значительно сложнее атомных, так как в молекуле наряду с движением электронов происходят колебания и вращения ядер.

Механизмы образования ахроматических цветов

Цвет зависит от свойств поверхности и свойств излучения. Цветовое излучение, которое поглощается поверхностью, называется основным. Цвет отраженного излучения называется дополнительным. Основной цвет связан с дополнительным так же, как поглощение и отражение. Все цвета делятся на две группы – хроматические и ахроматические. Ахроматические - все черные и белые цвета. Серые цвета образуются в результате смешения черного и белого цвета в различных пропорциях. В сером цвете противоположные оптические характеристики белого и черного цветов компенсируются, следовательно, он нейтральный, равновесный цвет. Может быть бесконечное число вариантов серого цвета. Тренированный глаз человека воспринимает из этого бесконечного множества до 300 оттенков серого цвета.

Исходя из соотношения (1.40), рассмотрим различные случаи формирования ахроматического цвета.

Все излучение, падающее от источника излучения, поглощается телом (черный цвет). В этом случае входной поток света равен поглощенному (J=J_A), остальные потоки пренебрежимо малы - и выполнимо условие: J_R+J_T+J_s=0.

Поскольку мы воспринимаем глазами свет, испускаемый либо отраженный телом, то такое тело будет невидимо. Это случай полностью черного тела. Существует парадокс, что абсолютно черные тела должны быть невидимы. Чтобы сделать объект невидимым, его необходимо покрыть абсолютно черным красителем, но это - уже из области фантастики. Однако в природе такие тела существуют. В 90-ые гг. ХХ века с помощью рентгеновского телескопа астрофизики обнаружили такие абсолютно черные объекты и назвали их «черными дырами». Черные дыры - это очень массивные, но небольшие по объему звезды с огромной плотностью, которые притягивают свет (втягивают лучи в себя). Обнаружить такие объекты можно косвенно - они видимы только в рентгеновском диапазоне спектра, за счет падающих на них атомов (атомы, падая на такой объект, излучают рентгеновские лучи). В окружающем нас земном мире абсолютно черных объектов, по-видимому, нет. Все тела, поглощающие свыше 90% света, выглядят как черные. Самым черным материалом на Земле длительное время считался черный бархат, поглощающий 99, 6 % процентов света. По данным газеты Washington Post от 20 февраля 2008 г., в области создания сверхчерных оптических материалов был сделан технический прорыв. Группой исследователей из политехнического университета Райса (США) под руководством Шон-Ю Линя и Пуликеля Аджайяна на основе слоя углеродных нанотрубок, смонтированных на темную матрицу, создан " сверхчерный" материал, поглощающий 99, 955 % падающего излучения. В результате необратимого поглощения излучения нанотрубками происходит почти полная конверсия света в тепло.

К слову, такие черные вещества, как уголь и сажа, поглощают 83-91 % света. Таким образом, черный цвет - своеобразный «энергетический вампир». Черные тела «выпивают» световую энергию из окружающего пространства. Поглощенный свет частично превращается в тепловую энергию, поэтому черная поверхность всегда более нагрета, чем белая. Не случайно садоводы покрывают парники черной пленкой.