Спектр видимого излучения раскрывает тайны электромагнитных волн

Видимый свет сопровождает нас всю жизнь, но мало кто задумывается о его удивительных свойствах. А между тем, изучение видимого излучения помогает постичь природу электромагнитных волн и открыть новые горизонты науки.

1. Открытие видимого спектра излучения Исааком Ньютоном

Видимое излучение впервые как физическое явление стал изучать великий английский ученый Исаак Ньютон. В 1671 году он провел знаменитые опыты по пропусканию солнечного света через стеклянную призму. Ньютон обнаружил, что белый луч света разлагается призмой на разноцветную полосу - спектр. Он предположил, что свет состоит из потока цветных частиц-корпускул, движущихся с разной скоростью. По его гипотезе красные частицы движутся быстрее синих, поэтому и отклоняются призмой в меньшей степени.

Ньютон разделил видимый свет на 7 цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Число 7 он выбрал не случайно, усмотрев аналогию с 7 нотами гаммы и 7 днями недели.

Однако человеческий глаз слабо различает оттенки синего цвета. Поэтому уже вскоре после Ньютона стали предлагать исключить синий (индиго) из числа самостоятельных цветов спектра. Тем не менее, до сих пор принято говорить именно о 7 цветах радуги.

2. Гипотеза Гете о возникновении цветов при наложении составляющих белого света

В начале XIX века немецкий ученый и писатель Иоганн Гете выдвинул альтернативную теорию происхождения цветов. В отличие от Ньютона, он считал, что разложение белого света происходит при наложении его составляющих.

Гете пропускал через призму широкие лучи белого света и наблюдал образование разноцветных краев луча. При сближении красно-желтого и голубого краев на их границе возникал видимый спектр.

Таким образом Гете пришел к выводу, что цвета спектра не являются изначальными составляющими белого света. Они возникают лишь при наложении красно-желтого и голубого излучения.

3. Современные знания о свойствах видимого излучения

Сегодня мы знаем, что видимое излучение занимает лишь небольшую часть электромагнитного спектра в диапазоне длин волн приблизительно от 380 до 780 нм. Этот диапазон соответствует частотам колебаний от 790 до 385 терагерц.

• Наибольшая чувствительность человеческого глаза приходится на зеленую область спектра с длиной волны около 555 нм.
• Некоторые цветовые оттенки, например пурпурный, не имеют соответствия в виде монохроматического излучения определенной длины волны. Они возникают при смешении спектральных цветов.
• Видимый свет практически не поглощается земной атмосферой, попадая в так называемое "оптическое окно".

Открытие инфракрасного и ультрафиолетового излучения позволило точно определить границы видимой области спектра электромагнитных волн.

4. Связь между спектром видимого света и цветным зрением

В начале XIX века английский врач Томас Юнг и немецкий физик Герман Гельмгольц исследовали взаимосвязь между спектром видимого света и цветовым зрением.

Они правильно предположили, что для восприятия цвета человеческий глаз использует три типа рецепторов с разной чувствительностью. При разложении белого света в спектр каждый рецептор возбуждается в определенной степени в зависимости от длины волны. Мозг затем комбинирует сигналы рецепторов, формируя цветовое ощущение.

Цвета, получаемые с помощью света строго определенной длины волны, называются спектральными. К ним относятся все цвета радуги. Смешением спектральных цветов можно получить практически любой оттенок.

5. Практическое применение видимого излучения

Видимый свет широко используется в природе для различных целей. Например, многие цветы привлекают насекомых-опылителей с помощью ярких ультрафиолетовых меток, видимых пчелам, но незаметных человеческому глазу.

Некоторые птицы также используют способность видеть ультрафиолетовое излучение. У самцов малиновки на крыльях и хвосте есть специальные метки, заметные только в ультрафиолетовом свете. Они служат для привлечения самок.

6. Измерение параметров видимого излучения

Еще в начале XIX века английский физик Томас Юнг на основании опытов Ньютона рассчитал приблизительные значения длин волн для разных цветов видимого спектра. Позднее, в 1821 году, немецкий оптик Йозеф Фраунгофер с помощью дифракционной решетки с высокой точностью измерил длины волн линий в солнечном спектре.

Современные значения длин волн основных спектральных цветов отличаются от полученных Фраунгофером лишь на единицы нанометров. Каждой длине волны соответствует определенное значение частоты и энергии квантов света - фотонов.

7. Источники видимого света в природе и технике

Естественными источниками видимого излучения являются Солнце, молнии, полярные сияния, а также некоторые химические реакции и физические процессы, сопровождающиеся выделением света.

В технике для получения видимого света используются различные источники: лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды, лазеры. Принцип их работы основан на свечении нагретых тел или люминесценции газов и полупроводников.

8. Цветные экраны и аддитивный синтез

В основе работы современных цветных дисплеев лежит принцип аддитивного (сложного) синтеза цвета. Комбинируя красный, зеленый и синий цвета в разных пропорциях, такие устройства могут воспроизвести широчайшую цветовую гамму.

Аддитивный синтез позволяет получить практически любой цвет путем сложения трех основных составляющих видимого спектра. Этот принцип был впервые описан Томасом Юнгом и Германом Гельмгольцем.

9. Восприятие цвета человеческим зрением

Способность человека различать цвета обусловлена наличием в сетчатке глаза трех типов колбочек - фоторецепторов с разной спектральной чувствительностью. Один тип колбочек наиболее чувствителен к красному цвету, другой - к зеленому, третий - к синему.

В зависимости от того, какой тип колбочек и в какой степени возбуждается падающим светом определенного спектрального состава, мозг формирует ощущение того или иного цвета.