Widoczne widmo - Visible spectrum

Białe światło rozpraszane jest przez pryzmat na kolory widma widzialnego.
Wiązki laserowe z widzialnym widmem

Zakresie widzialnym jest część promieniowania elektromagnetycznego , które jest widoczne w ludzkim oku . Promieniowanie elektromagnetyczne w tym zakresie długości fal nazywane jest światłem widzialnym lub po prostu światłem . Typowe oko ludzkie będzie odpowiadać na fale o długości od około 380 do około 750 nanometrów . Pod względem częstotliwości odpowiada to pasmu w pobliżu 400–790  THz . Granice te nie są ściśle określone i mogą się różnić w zależności od osoby. W optymalnych warunkach te granice ludzkiej percepcji mogą sięgać do 310 nm ( UV ) i 1100 nm ( NIR ).

Widmo nie zawiera wszystkich kolorów, które może rozróżnić ludzki układ wzrokowy . Kolory nienasycone, takie jak różowy , lub fioletowe odmiany, takie jak na przykład magenta , są nieobecne, ponieważ mogą być wykonane tylko z kombinacji wielu długości fal. Kolory zawierające tylko jedną długość fali są również nazywane czystymi kolorami lub kolorami widmowymi.

Widoczne długości fal przechodzą w dużej mierze nieosłabione przez atmosferę ziemską przez obszar „ okna optycznego ” widma elektromagnetycznego. Przykładem tego zjawiska jest sytuacja, w której czyste powietrze bardziej rozprasza światło niebieskie niż czerwone, przez co niebo w południe wydaje się niebieskie (poza obszarem wokół słońca, który wydaje się biały, ponieważ światło nie jest tak bardzo rozpraszane). Okno optyczne jest również określane jako „okno widzialne”, ponieważ nakłada się na ludzkie widmo odpowiedzi widzialnej. Okno bliskiej podczerwieni (NIR) znajduje się tuż poza zasięgiem ludzkiego wzroku, podobnie jak okno podczerwieni średniej długości fali (MWIR) oraz okno długiej lub dalekiej podczerwieni (LWIR lub FIR), chociaż inne zwierzęta mogą ich doświadczać.

Historia

Koło barw Newtona, z Opticks z 1704 roku, ukazujące kolory, które kojarzył mu się z nutami muzycznymi . Kolory widmowe od czerwieni do fioletu są podzielone przez nuty skali muzycznej, zaczynając od D. Koło kończy pełną oktawę , od D do D. Koło Newtona umieszcza czerwień na jednym końcu widma, obok fioletu, na inny. Odzwierciedla to fakt, że niespektralne fioletowe kolory są obserwowane, gdy miesza się światło czerwone i fioletowe.

W XIII wieku Roger Bacon wysnuł teorię, że tęcze powstają w procesie podobnym do przejścia światła przez szkło lub kryształ.

W XVII wieku Isaac Newton odkrył, że pryzmaty mogą rozkładać i ponownie składać białe światło i opisał to zjawisko w swojej książce Opticks . Jako pierwszy użył słowa widmo ( łac. „wygląd” lub „zjawienie”) w tym znaczeniu w druku w 1671 r., opisując swoje eksperymenty w optyce . Newton zaobserwował, że kiedy wąska wiązka światła słonecznego pada pod kątem na powierzchnię szklanego pryzmatu , część zostaje odbita, a część przechodzi przez szkło, wyłaniając się w postaci różnokolorowych pasm. Newton wysunął hipotezę, że światło składa się z „korpuskuł” (cząstek) o różnych kolorach, przy czym różne kolory światła poruszają się z różnymi prędkościami w przezroczystej materii, czerwone światło porusza się szybciej niż fioletowe w szkle. W rezultacie czerwone światło jest załamywane ( załamywane ) mniej ostro niż fioletowe, gdy przechodzi przez pryzmat, tworząc spektrum kolorów.

Obserwacja kolorów pryzmatycznych Newtona ( David Brewster 1855)

Newton pierwotnie podzielił widmo na sześć nazwanych kolorów: czerwony , pomarańczowy , żółty , zielony , niebieski i fioletowy . Później dodał indygo jako siódmy kolor, ponieważ uważał, że siedem to idealna liczba, wywodząca się od starożytnych greckich sofistów , o istnieniu związku między kolorami, nutami, znanymi obiektami w Układzie Słonecznym i dniami tydzień. Ludzkie oko jest stosunkowo niewrażliwe na częstotliwości indygo, a niektórzy ludzie, którzy mają dobry wzrok, nie mogą odróżnić indygo od niebieskiego i fioletowego. Z tego powodu niektórzy późniejsi komentatorzy, w tym Isaac Asimov , sugerowali, że indygo nie powinno być traktowane jako samodzielny kolor, ale jedynie jako odcień niebieskiego lub fioletowego. Dowody wskazują, że to, co Newton miał na myśli przez „indygo” i „niebieski”, nie odpowiada współczesnym znaczeniom tych kolorowych słów. Porównanie obserwacji kolorów pryzmatycznych Newtona z kolorowym obrazem widma światła widzialnego pokazuje, że „indygo” odpowiada temu, co dzisiaj nazywamy niebieskim, podczas gdy jego „niebieski” odpowiada cyjanowi .

W XVIII wieku Johann Wolfgang von Goethe pisał o widmach optycznych w swojej Teorii kolorów . Goethe użył słowa widmo ( Spektrum ) na określenie upiornego powidoku optycznego , podobnie jak zrobił to Schopenhauer w On Vision and Colours . Goethe twierdził, że widmo ciągłe jest zjawiskiem złożonym. Podczas gdy Newton zawęził wiązkę światła, aby wyizolować to zjawisko, Goethe zaobserwował, że szersza apertura daje nie widmo, ale raczej czerwono-żółte i niebiesko-błękitne krawędzie z białymi między nimi. Widmo pojawia się tylko wtedy, gdy te krawędzie są wystarczająco blisko, aby się nakładać.

Na początku XIX wieku koncepcja widma widzialnego stała się bardziej sprecyzowana, gdy światło poza zakresem widzialnym zostało odkryte i scharakteryzowane przez Williama Herschela ( podczerwień ) i Johanna Wilhelma Rittera ( ultrafiolet ), Thomasa Younga , Thomasa Johanna Seebecka i innych. W 1802 r. Young jako pierwszy zmierzył długości fal różnych barw światła.

Związek między widmem widzialnym a widzeniem kolorów został zbadany przez Thomasa Younga i Hermanna von Helmholtza na początku XIX wieku. Ich teoria widzenia kolorów słusznie sugerowała, że ​​oko używa trzech różnych receptorów do postrzegania koloru.

Percepcja kolorów u różnych gatunków

Wiele gatunków może widzieć światło w zakresie częstotliwości poza ludzkim „widmem widzialnym”. Pszczoły i wiele innych owadów potrafią wykryć światło ultrafioletowe, które pomaga im znaleźć nektar w kwiatach. Gatunki roślin, które są zależne od zapylania przez owady, mogą zawdzięczać sukces reprodukcyjny swojemu wyglądowi w świetle ultrafioletowym, a nie temu, jak kolorowe wydają się ludziom. Ptaki również widzą w ultrafiolecie (300–400 nm), a niektóre mają na upierzeniu oznaczenia zależne od płci, które są widoczne tylko w zakresie ultrafioletu. Wiele zwierząt, które widzą w zakresie ultrafioletowym, nie widzi czerwonego światła ani żadnych innych czerwonawych długości fal. Widmo pszczół kończy się na około 590 nm, tuż przed początkiem pomarańczowych długości fal. Ptaki widzą niektóre czerwone długości fal, ale nie tak daleko w spektrum światła jak ludzie. Popularne przekonanie, że zwykła złota rybka jest jedynym zwierzęciem, które widzi zarówno światło podczerwone, jak i ultrafioletowe, jest błędne, ponieważ złota rybka nie widzi światła podczerwonego.

Większość ssaków jest dwubarwna , a psy i konie są często uważane za ślepe na kolory. Wykazano, że są wrażliwe na kolory, choć nie tak dużo jak ludzie. Niektóre węże mogą „widzieć” promieniowanie cieplne o długości fali od 5 do 30  μm z taką dokładnością, że ślepy grzechotnik może celować w wrażliwe części ciała ofiary, w które uderza, a inne węże z narządem mogą wykrywać ciepłe ciała z metr dalej. Może być również stosowany w termoregulacji i wykrywaniu drapieżników . (Patrz wykrywanie podczerwieni u węży )

Kolory spektralne

Odwzorowanie sRGB widma światła widzialnego
Kolor Długość fali
( nm )
Częstotliwość
( THZ )
Energia fotonowa
( eV )
  fioletowy
380–450 670–790 2,75–3,26
  niebieski
450–485 620–670 2,56–2,75
  cyjan
485–500 600–620 2,48–2,56
  Zielony
500–565 530–600 2,19–2,48
  żółty
565–590 510–530 2,10–2,19
590–625 480–510 1,98-2,10
  czerwony
625–700 400–480 1,65–1,98

Kolory, które mogą być wytwarzane przez światło widzialne o wąskim paśmie długości fal (światło monochromatyczne) nazywane są czystymi kolorami spektralnymi . Poszczególne zakresy kolorów wskazane na ilustracji są wartościami przybliżonymi: widmo jest ciągłe, bez wyraźnych granic między jednym kolorem a drugim.

Spektrum wyświetlania kolorów

Aproksymacja kolorów widmowych na wyświetlaczu powoduje nieco zniekształconą chromatyczność
Rendering widma widzialnego na szarym tle daje niespektralne mieszaniny czystego widma z szarością, które pasują do przestrzeni kolorów sRGB .

Kolorowe wyświetlacze (np. monitory komputerowe i telewizory ) nie są w stanie odtworzyć wszystkich kolorów dostrzegalnych przez ludzkie oko . Kolory spoza gamy kolorów urządzenia, takie jak większość kolorów widmowych , mogą być jedynie przybliżone . W celu dokładnego odwzorowania kolorów widmo można rzutować na jednolite szare pole. Uzyskane mieszane kolory mogą mieć wszystkie współrzędne R, G, B nieujemne, dzięki czemu mogą być odtwarzane bez zniekształceń. To dokładnie symuluje patrzenie na widmo na szarym tle.

Spektroskopia

Atmosfera ziemska częściowo lub całkowicie blokuje niektóre długości fal promieniowania elektromagnetycznego, ale w świetle widzialnym jest w większości przezroczysta

Spektroskopia to badanie obiektów na podstawie spektrum barw, które emitują, pochłaniają lub odbijają. Spektroskopia światła widzialnego jest ważnym narzędziem w astronomii (podobnie jak spektroskopia na innych długościach fal), gdzie naukowcy wykorzystują ją do analizy właściwości odległych obiektów. Pierwiastki chemiczne i małe cząsteczki można wykryć w obiektach astronomicznych, obserwując linie emisyjne i linie absorpcyjne . Na przykład hel został po raz pierwszy wykryty przez analizę widma słonecznego . Przesunięcie częstotliwości linii widmowych stosowany jest do mierzenia przesunięcia Dopplera ( przesunięcie ku czerwieni lub blueshift ) odległych obiektów w celu określenia ich prędkości w kierunku do lub od obserwatora. Spektroskopia astronomiczna wykorzystuje siatki dyfrakcyjne o wysokiej dyspersji do obserwacji widm w bardzo wysokich rozdzielczościach spektralnych.

Nieruchomości

Ciepło

Chociaż niewidzialne światło podczerwone jest powszechnie uważane za „promieniowanie cieplne”, każda częstotliwość światła, w tym światło widzialne, nagrzewa powierzchnie, które je pochłaniają. Potężne źródło czysto widzialnego światła, takie jak laser światła widzialnego, może zwęglić papier.

Efekty biologiczne

Światło widzialne o wysokiej energii (światło HEV) (światło fioletowe/niebieskie, o długości fali 400-450 nm) ma szereg efektów biologicznych, zwłaszcza na oku. Badania przeprowadzone przez Harvard Health Publishing i francuskie ANSES wykazały, że ekspozycja na światło niebieskie ma negatywny wpływ na sen i może prowadzić do pogorszenia widzenia.


Zobacz też

Bibliografia