Как найти диапазон частот видимого излучения

Видимое излучение
Предыдущее по порядку	ультрафиолетовое излучение
Следующее по порядку	инфракрасное излучение
Медиафайлы на Викискладе

Ви́димое излуче́ние — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом^[1]. Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра^[2]. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (790—750 ТГц), а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (до 810нм) (395—385 ТГц)^[1][3]. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).

Не всем цветам, которые различает человеческий глаз, соответствует какое-либо монохроматическое излучение. Такие оттенки, как розовый, бежевый или пурпурный образуются только в результате смешения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с бо́льшими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящее в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят излучение в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете^[4][5].

История[править | править код]

Первые объяснения причин возникновения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах^[6][7].

Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он обнаружил, что, когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся в прозрачной среде с различной скоростью. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели^[6][8]. Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.

Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму на краях луча проявляются красно-жёлтые и голубые края, между которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.

Длины волн, соответствующие различным цветам видимого излучения были впервые представлены 12 ноября 1801 года в Бейкеровской лекции Томасом Юнгом, они получены путём перевода в длины волн параметров колец Ньютона, измеренных самим Исааком Ньютоном. Эти кольца Ньютон получал пропусканием через линзу, лежащую на ровной поверхности, соответствующей нужному цвету части разложенного призмой в спектр света, повторяя эксперимент для каждого из цветов^[9]:30-31. Юнг представил полученные значения длин волн в виде таблицы, выразив во французских дюймах (1 дюйм=27,07 мм)^[10], будучи переведёнными в нанометры, их значения неплохо соответствуют современным, принятым для различных цветов. В 1821 году Йозеф Фраунгофер положил начало измерению длин волн спектральных линий, получив их от видимого излучения Солнца с помощью дифракционной решётки, измерив углы дифракции теодолитом и переведя в длины волн^[11]. Как и Юнг, он выразил их во французских дюймах, переведённые в нанометры, они отличаются от современных на единицы^[9]:39-41. Таким образом, ещё в начале XIX века стало возможным измерять длины волн видимого излучения с точностью до нескольких нанометров.

В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.

В начале XIX века Томас Юнг и Герман фон Гельмгольц также исследовали взаимосвязь между спектром видимого излучения и цветным зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз использует рецепторы трёх различных типов.

Спектр видимого излучения[править | править код]

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разными углами. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены с помощью света одной длины волны (точнее, с очень узким диапазоном длин волн), называются спектральными цветами^[12]. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице^[13]:

Указанные в таблице границы диапазонов носят условный характер, в действительности же цвета плавно переходят друг в друга, и расположение видимых наблюдателем границ между ними в большой степени зависит от условий наблюдения^[13]. При разложении луча белого света в призме нет никакого фиолетового, даже луч 405нм выглядит чисто синим. Фиолетовый цвет появляется в радуге, где крайний синий смешивается с соседним красным второй радуги.

Для запоминания последовательности основных спектральных цветов в русском языке используется мнемоническая фраза «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». В английском языке аналогично используется фраза Richard of York gave battle in vain (Red Orange Yellow Green Blue Indigo Violet), в британском английском — акроним Roy G. Biv.

Характеристики границ видимого излучения[править | править код]

См. также[править | править код]

• Цвет
• Спектральные и дополнительные цвета

Примечания[править | править код]

Спектр, как правило, делится на семь диапазонов в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общее обозначение представляет радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Она имеет частоту около 4 × 1014 до 8 × 1014 циклов в секунду, или герц (Гц) и длина колебаний от 740 нанометров (нм) или 7,4 × 10-5 см до 380 нм или 3,8 × 10-5 см)
КАК ОПРЕДИЛИТЬ ЧАСТОТУ)))
ИНСТРУКЦЫЯ
1
Вначале определите длину волны светового излучения. Никакого оборудования для этого не требуется — узнать эту величину, с достаточной точностью, можно на глаз. Красный свет имеет длину волны от 650 до 690 нанометров, красно-оранжевый — около 620, оранжевый — от 590 до 600, желтый — от 570 до 580, салатовый — порядка 550, изумрудный — от 500 до 520, синий — от 450 до 480, фиолетовый — от 420 до 390. Впрочем, если опыт осуществляется не дома, а в физической лаборатории, определить длину волны света более точно можно при помощи специального прибора — спектрометра.
2
Для удобства, переведите длину волны света в метры. Один нанометр — это 10^(-9) метра. Используйте научный калькулятор, поскольку обычный работать с числами в таком диапазоне не способен.
3
Теперь у вас достаточно информации, для того чтобы вычислить частоту светового излучения в герцах. Вторая величина, которую необходимо использовать в вычислениях — это скорость света. Она составляет 299792458 метров в секунду. Поделите эту величину на длину волны — и получится частота.
4
Теперь, для удобства, переведите полученную частоту в терагерцы. Один терагерц равен 10^12 Гц. Результат должен находиться в диапазоне от 400 до 800 терагерц. Учтите, что частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому красный свет соответствует нижней границе этого диапазона, а фиолетовый — верхней.
5
Аналогичным образом можно определять частоту по длине волны и наоборот в отношении других видов излучения. Радиоволны имеют частоты от сотен килогерц до десятков гигагерц, а длины волн — от нескольких миллиметров до сотен метров. Если излучение не является электромагнитным (например, речь идет о звуке, ультразвуке), учтите, что оно распространяется значительно медленнее, чем свет. К тому же, скорость звука в значительно большей степени, чем скорость света, зависит от среды, в которой распространяется излучение.

С первых минут своего появления на свет человек сталкивается с таким природным явлением, как свет. На протяжении всей жизни это воспринимается, как нечто естественное. На самом деле видимый (равно как и невидимый глазом) свет представляет собой сложное физическое явление, которое изучалось многими учеными на протяжении веков.

Свет с точки зрения физики

С точки зрения физики, свет проявляет себя двояко:

1. Как электромагнитная волна (волновая теория света).
2. Как поток частиц (корпускулярная или эмиссионная теория).

Согласно первой теории, свет представляет собой электромагнитное излучение (подобно радиоволнам). Вторая теория утверждает, что световое излучение – поток частиц, обладающих импульсом (подобно летящим в пространстве шарикам).

На рубеже 19 и 20 веков выяснилось, что не все явления можно объяснить с помощью волновой теории. В некоторых эффектах свет проявлял себя, как поток частиц. Эти частицы назвали фотонами. Световое излучение снова стали рассматривать с этой стороны. Сторонником корпускулярной теории был и Альберт Эйнштейн.

По современным представлениям, обе эти теории находятся не в противоречии, но дополняют друг друга. Некоторые световые явления объясняются с точки зрения волновой теории, некоторые – с точки зрения корпускулярной.

Например, с точки зрения волновой теории объясняют различие цветов, воспринимаемых глазом, а также такие явления, как дифракция и интерференция. Однако законы геометрической оптики проще и логичнее объяснять с помощью корпускулярной теории.

Некоторые физические явления (например, давление света) объясняют с точки зрения как одной, так и другой теории.

Из чего состоит свет

Согласно современным представлениям, свет состоит из частиц – фотонов (реже употребляется название световые кванты). Это название ввел американец Гилберт Ньютон Льюис. Излучение света источником сводится к выбросу большого количества фотонов.

С точки зрения современной физики, фотон не имеет размеров, внутренней структуры, а также массы покоя. Последнее означает, что частица света может существовать, лишь двигаясь со скоростью света – около 300 000 км/с. Эта скорость постоянна в любой системе отсчета, если при этом фотон движется в вакууме. При попадании на непрозрачный физический объект световой квант либо отражается, либо поглощается. Фотон является электрически нейтральной частицей, то есть, его заряд равен нулю.

Основные характеристики и свойства света

Так как свет является электромагнитным излучением (подобно радиоволнам, только с очень высокой частотой), он имеет те же характеристики, что и любой колебательный процесс:

• частота;
• фаза;
• амплитуда.

Вместо частоты света для видимого излучения удобнее использовать длину волны, которая связана с частотой соотношением λ=с/ν, где с – скорость света в метрах в секунду. Чем выше частота, тем меньше длина волны.

Подавляющее большинство источников света испускают огромное количество фотонов с хаотически изменяющейся фазой. И лишь лазер «выдает» отрезки световых волн («цуги»), находящиеся в одной фазе. В этом случае говорят о когерентности излучения.

Понятия видимый и невидимый свет

Светом называют электромагнитное излучение, лежащее в оптическом диапазоне, который расположен на участке частот от 150 гигагерц (ГГц) до 100 петагерц (ПГц). Это соответствует длинам волн от 2 мм до 4 нм.

Но человеческий глаз способен воспринимать только часть этого участка с частотами, лежащими в пределах 400-800 ТГц (длины волн 760 – 380 нм). Этот участок спектра и называется видимым светом.

Границы видимого света довольно условны. Они определяются индивидуально для каждого человека.

Некоторые животные и насекомые могут не видеть некоторые участки видимого цвета, различаемые человеком. Так, глаз кошки малочувствителен к цветам длинноволнового участка, содержащего красные и желтые оттенки. Но зато они могут видеть свечение в начале ультрафиолетового сектора, недоступное людям.

На самом деле свет занимает небольшой участок в общем спектре электромагнитных колебаний, но он обладает совершенно определенными свойствами. Это позволило выделить науку о свете и его свойствах в отдельную область физики – оптику.

Говорить о том, что у света есть первооткрыватель, некорректно. Изучение оптических явлений началось еще в Античной Греции (по крайней мере, первые упоминания об опытах дошли с тех времен). Из относительно современных ученых, заложивших основы нынешней оптики, следует упомянуть Исаака Ньютона. Он изложил результаты своих исследований в трактате «Оптика, или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света». Английский ученый впервые ввел понятие спектра по отношению к цветовой гамме.

Количество основных цветов по Ньютону — семь – совпадает с количеством музыкальных нот. Английский ученый был убежден в связи между цветами, музыкой и физическими объектами.

Ньютон показал, что многие оттенки можно получить, смешивая различные цвета между собой. Считается также, что он выдвинул гипотезу о корпускулярной природе светового излучения. С другой стороны, на первом этапе научных изысканий сэр Исаак Ньютон был приверженцем эмиссионной теории света, однако через определенный период он склонился к мысли, что свет представляет собой волны.

Несколько позже свой труд «Теория цветов» издал немецкий ученый и поэт Иоганн Гете. Эта монография явилась серьезным вкладом в развитие оптики, как науки. Отличие подхода Гете от опытов Ньютона в том, что он изначально не смешивал цвета, а разлагал их посредством стеклянных призм.

Источники видимого излучения

Основным источником видимого света на Земле является Солнце. Именно солнечный свет воспринимается человеческим глазом, как естественный. Это излучение представляет собой смесь всех основных цветов, в чем легко убедиться, разлагая белый свет призмой. При естественном освещении органы зрения чувствуют себя наиболее комфортно, меньше всего устают, наиболее правильно воспринимают цвета.

Помимо видимого излучения, спектр солнечного света также содержит и ультрафиолетовую, и инфракрасную составляющую. Первая вызывает загар, вторая вносит вклад в нагревание атмосферы и земной поверхности.

Солнечного освещения не всегда бывает достаточно. Например, в зависимости от погоды или от времени суток. С древних времен человечество искало дополнительные источники видимого света. Сначала это был огонь – от костра, от лучины или от керосиновой лампы. Потом настала эра электрического освещения. Лампы накаливания прочно вошли в жизнь человека. Принцип их действия не так сильно отличается от костра или керосиновой лампы – свет излучает нагретое до высокой температуры тело.

В настоящий момент доминирующую позицию занимают светодиодные осветительные приборы. Они излучают свет по другому принципу – фотоны испускаются во время рекомбинации носителей заряда в полупроводниковом переходе. Основное достоинство таких излучателей – экономичность. Этот параметр важен, не менее важна и низкая цена светоизлучающего элемента. Однако качество освещения оценивается по главной характеристике – близость спектра излучения к естественному. Чем ближе окраска света к солнечному, тем комфортнее для глаз считается свет.

Цветовой спектр света

Видимый свет занимает определенный участок электромагнитного спектра. В его границах излучение может иметь различную длину волны, что воспринимается человеческим глазом, как свет различного цвета.

Белый свет, попадая на тела, частично отражается, частично поглощается. Если тело поглощает свет полностью, оно выглядит черным, если полностью отражает – белым. Большинство тел поглощают и отражают определенные участки спектра. Отраженный цвет и определяет, как цветовая окраска тела воспринимается человеческим глазом.

Например, если предмет поглощает все цвета, кроме зеленого (а зеленый он отражает), то мы и видим предмет зеленым.

Поэтому нормальное восприятие цвета можно получить только при освещении, близком к естественному. Если освещать зеленый предмет светом, в котором не будет соответствующей составляющей (например, красным или близким к нему), то этот предмет будет казаться серым. Ведь он не может отразить тот цвет, который на него не падает.

Cиний цвет и его оттенки занимают самый коротковолновый (и высокочастотный) участок спектра, на самом краю переходя в фиолетовый цвет. С повышением частоты излучение переходит в ультрафиолетовый сектор и перестает быть видимым. Длинноволновый (низкочастотный) участок занимают оттенки красного. Если частота света еще ниже, он относится к граничащему с видимым инфракрасному сектору, который также не воспринимается человеческим глазом.

Рекомендуем: Что такое цветовая температура источника света

Некоторые цвета отсутствуют в спектре видимого света, их можно получить только смешением цветов. Кроме того, истинный белый цвет, который глазом воспринимается, как естественное освещение, содержит все длины волн видимой части. Наблюдать это в природе можно на примере радуги. При определенных условиях в атмосфере, происходит разложение полного спектра на составляющие цвета.

Наибольшее количество комбинаций цветов можно получить, смешивая красный, синий и зеленый цвета в различных соотношениях. Доступные оттенки перерывают почти весь спектр, которые может видеть человеческий глаз. Поэтому по принципу RGB (Red, Green, Blue) построены многочисленные устройства формирования изображения, начиная с цветных телевизоров, заканчивая светодиодными лентами. Но с помощью этих трех цветов получить естественный белый не получится – придется подмешивать дополнительные цвета.

Длина световой волны

Свет с различной длиной волны воспринимается глазом, как различный цвет. Кроме того, от длины волны света зависит энергия, переносимая световыми квантами. Зависимость энергии от частоты вывел немецкий ученый Макс Планк. Его знаменитая формула выглядит так:

E=h*ν, где:

• E – энергия фотона, Дж;
• ν – частота излучения, Гц;
• h – постоянная планка, приблизительно равная 6,626 ⁻³⁴ кг·м²·с⁻¹ (Дж·с).

Переходя от частоты к длине волны, можно записать формулу Планка в виде E=h*c/λ. Очевидно, что чем короче волна (выше частота), тем выше энергия фотона. Наибольшую энергию несет синее и фиолетовое излучение, наименьшую – оранжевое и красное.

Связь длины волны, цвета и энергии сведена в таблицу.

Заключение

Свойства света изучаются уже несколько веков. Науке, казалось бы, известно об этом физическом явлении, все. На самом деле, световое излучение таит в себе еще немало неизведанного, задач и вызовов хватит не на одно поколение ученых.

Диапазон, как правило, делится на семь диапазонов в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общее обозначение представляет радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Она имеет частоту около 4 1014 до 8 1014 циклов в секунду, или герц (Гц) и длина колебаний от 740 нанометров (нм) либо 7,4 10-5 см до 380 нм либо 3,8 10-5 см) КАК ОПРЕДИЛИТЬ ЧАСТОТУ))) ИНСТРУКЦЫЯ 1 Сначала обусловьте длину волны светового излучения. Никакого оборудования для этого не нужно – выяснить эту величину, с достаточной точностью, можно на глаз. Красноватый свет имеет длину волны от 650 до 690 нанометров, красно-оранжевый – около 620, оранжевый – от 590 до 600, желтоватый – от 570 до 580, салатовый – порядка 550, изумрудный – от 500 до 520, голубий – от 450 до 480, фиолетовый – от 420 до 390. Вобщем, если опыт осуществляется не дома, а в физической лаборатории, найти длину волны света более точно можно при поддержки специального устройства – спектрометра. 2 Для удобства, переведите длину волны света в метры. Один нанометр – это 10^(-9) метра. Используйте научный калькулятор, так как обыденный работать с числами в таком спектре не способен. 3 Сейчас у вас довольно информации, для того чтоб вычислить частоту светового излучения в герцах. 2-ая величина, которую нужно использовать в вычислениях – это скорость света. Она сочиняет 299792458 метров в секунду. Поделите эту величину на длину волны – и получится частота. 4 Сейчас, для удобства, переведите полученную частоту в терагерцы. Один терагерц равен 10^12 Гц. Результат обязан находиться в спектре от 400 до 800 терагерц. Учтите, что частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому красный свет подходит нижней границе этого спектра, а фиолетовый – верхней. 5 Подобным образом можно определять частоту по длине волны и напротив в отношении иных видов излучения. Радиоволны имеют частоты от сотен килогерц до десятков гигагерц, а длины волн – от нескольких мм до сотен метров. Если излучение не является электрическим (например, речь идет о звуке, ультразвуке), учтите, что оно распространяется веско медлительнее, чем свет. К тому же, скорость звука в веско большей степени, чем скорость света, зависит от среды, в которой распространяется излучение.

Спектр, как правило, делится на семь диапазонов в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общее обозначение представляет радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Она имеет частоту около 4 × 1014 до 8 × 1014 циклов в секунду, или герц (Гц) и длина колебаний от 740 нанометров (нм) или 7,4 × 10-5 см до 380 нм или 3,8 × 10-5 см) КАК ОПРЕДИЛИТЬ ЧАСТОТУ))) ИНСТРУКЦЫЯ 1 Вначале определите длину волны светового излучения. Никакого оборудования для этого не требуется – узнать эту величину, с достаточной точностью, можно на глаз. Красный свет имеет длину волны от 650 до 690 нанометров, красно-оранжевый – около 620, оранжевый – от 590 до 600, желтый – от 570 до 580, салатовый – порядка 550, изумрудный – от 500 до 520, синий – от 450 до 480, фиолетовый – от 420 до 390. Впрочем, если опыт осуществляется не дома, а в физической лаборатории, определить длину волны света более точно можно при помощи специального прибора – спектрометра. 2 Для удобства, переведите длину волны света в метры. Один нанометр – это 10^(-9) метра. Используйте научный калькулятор, поскольку обычный работать с числами в таком диапазоне не способен. 3 Теперь у вас достаточно информации, для того чтобы вычислить частоту светового излучения в герцах. Вторая величина, которую необходимо использовать в вычислениях – это скорость света. Она составляет 299792458 метров в секунду. Поделите эту величину на длину волны – и получится частота. 4 Теперь, для удобства, переведите полученную частоту в терагерцы. Один терагерц равен 10^12 Гц. Результат должен находиться в диапазоне от 400 до 800 терагерц. Учтите, что частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому красный свет соответствует нижней границе этого диапазона, а фиолетовый – верхней. 5 Аналогичным образом можно определять частоту по длине волны и наоборот в отношении других видов излучения. Радиоволны имеют частоты от сотен килогерц до десятков гигагерц, а длины волн – от нескольких миллиметров до сотен метров. Если излучение не является электромагнитным (например, речь идет о звуке, ультразвуке), учтите, что оно распространяется значительно медленнее, чем свет. К тому же, скорость звука в значительно большей степени, чем скорость света, зависит от среды, в которой распространяется излучение.