Още през 1873 г. известният британски физик Д.К. Максуел създава обща теория, която описва процесите, протичащи във вълните, докато те са били представени под формата на вихрови смущения. Впоследствие повечето от неговите теоретични изчисления бяха блестящо потвърдени. В момента те се разшириха, тъй като самите полета започнаха да се разглеждат от гледна точка на процесите на квантовата физика. В същото време се предполага, че дори видимата светлина не е нищо повече от една от разновидностите на електромагнитната вълна. През 2009 г. това най-накрая беше доказано от физиците (измерен е магнитният компонент на светлинния поток). Основната му разлика от другите разновидности в дължината на вълната.
Всички сме свикнали със светлината, приемаме я за даденост и рядко си задаваме въпроси: каква е дължината на вълната на светлината, каква е тя и т.н. Дори Библията казва, че Бог е създал светлината в първия ден на сътворението. Косвено това показва важността на това за всички живи същества. Видимата светлина е лъчение с електромагнитно естество, което може да бъде открито директно от окото. Но органът на зрението не улавя целия спектър на вълната, а само определен интервал: долната граница е приблизително 380 nm, а горната 780 nm. Защо "около"? Защото всеки човек има различна чувствителност на зрението и тези граници са ориентировъчни. Пълният спектър е толкова обширен, че само 0,04% от човешката видима светлина е видима.
Ако мислено си представите двуизмерни координати, тогава дължината на вълната на светлината в нанометри ще бъде нанесена по хоризонталната ос, а чувствителността на очите ще покаже вертикалната ос. Съответно началото на вълната пада на 780, а краят – на 380. Пикът се достига при стойност 555 nm. В диапазона 10 nm - 380 nm е и инфрачервен 780 nm - 1 mm. Общата празнина, която е сумата от ултравиолетовото, видимото и инфрачервеното лъчение, е оптичният спектър, въпреки че това не означава, че всички те могат да се видят с невъоръжено око. Дължината на вълната на светлината е най-важната характеристика за човек, тъй като благодарение на нея можем да различаваме цветовете. Най-лесно е да се уловят цветни нюанси на върха на вълната (555 nm), но по краищата, в зоните на сини и червени цветове, е по-трудно. Следователно, именно при определянето на производните нюанси хората понякога имат разногласия, тъй като чувствителността на очните рецептори е различна. Интересното е, че 555 nm е зеленият цветови спектър, който е най-ясно различим. Случайно ли е, че тревата и листата са зелени? Между другото, можете да видите част от инфрачервеното лъчение, ако насочите камерата мобилен телефон(или цифрова камера) към светодиода на работещо дистанционно управление от домакински уреди (телевизор, тунер и др.).
Дължината на вълната на червената светлина съответства на 700 nm, тоест почти от самия ръб на видимата област. От това следва, че 10 условни единици радиация в този диапазон ще бъдат уловени от окото като една единица в зелено (555 nm). Но дължината на вълната на жълтата светлина, която е от 560 nm до 590 nm, се намира по-близо до върха на вълната, така че грешките при определяне на нюанси от човешкото око са по-рядко срещани.
В допълнение към различните цветове, в живота често трябва да се справяте с бялото. Всъщност в спектъра няма бяло. Получава се чрез смесване на три основни цвята. Смята се, че ако комбинирате всичките седем цвята на дъгата с еднакъв интензитет, ще получите чисто бяло. В същото време обикновено поне един от тях преобладава, което добавя определен нюанс. Можете да го направите по-лесно и да смесите само три цвята - червено, синьо и зелено. Съществуването на телевизионни екрани, базирани на лъчеви тръби с три електрода, способни да показват точка бял цвят, е пряко доказателство за това.
Съответства на някакъв вид монохроматично излъчване. Нюанси като розово, бежово или лилаво се получават само чрез смесване на няколко монохроматични лъчения с различни дължини на вълната.
Видимата радиация също навлиза в "оптичния прозорец", областта на спектъра електромагнитно излъчване, практически не се абсорбира от земната атмосфера. Чистият въздух разпръсква синята светлина много по-силно от светлината с по-дълги дължини на вълната (към червената страна на спектъра), така че обедното небе изглежда синьо.
Много видове животни могат да виждат радиация, която не се вижда от човешкото око, тоест не е включена във видимия диапазон. Например пчелите и много други насекоми виждат светлина в ултравиолетовия диапазон, което им помага да намерят нектар върху цветята. Опрашваните от насекоми растения са в по-добра позиция по отношение на размножаването, ако са ярки в ултравиолетовия спектър. Птиците също могат да виждат ултравиолетова радиация (300-400 nm), а някои видове дори имат белези по оперението си, за да привлекат партньор, видими само в ултравиолетово.
Енциклопедичен YouTube
1 / 5
✪ Инфрачервена светлина: отвъд видимото
✪ Видима радиация
✪ Двойно пречупване (видима светлина)
✪ За видимото и невидимото
✪ Луминесценция и фосфоресценция
субтитри
Човечеството винаги е било привлечено от нощното небе. Рисувахме картини от звездите, следвахме планетите, виждахме знаци и предсказания в небесните обекти. Но все още има толкова много неизвестни във Вселената. Огромни разстояния ни делят от обектите, които биха ни помогнали да намерим отговори на най-важните въпроси: Как са се образували галактиките? Как са се появили звездите и планетите? Има ли условия на други планети, подходящи за живот? За да развием и тестваме нашите теории, трябва да знаем какво се случва в космоса. Затова създаваме устройства, които ни помагат да виждаме повече. Те стават все по-големи и по-големи. Всичко е по-мощно. Всичко е по-съвършено. С течение на времето астрономите престанаха да разчитат само на светлината, видима с просто око. Когато погледнете света около вас, виждате така наречената „видима светлина“. Но видимата светлина е само една форма на радиация. Във Вселената има много различни видове радиация. То е навсякъде. Тялото ни се е научило да възприема видимата светлина чрез очите. Но също така се е научил да усеща друг вид радиация, наречена инфрачервена светлина. Тялото ни го усеща като топлина. Това инфрачервено лъчение е открито от астронома Фредерик Уилям Хершел. Хершел знаеше, че може да се използва призма, за да се раздели бялата светлина на различни цветове. Искаше да разбере дали различните цветове имат различни температури. И се оказа, че имат! Но тогава Хершел измерва температурата на празното пространство до червеното. Не се виждаше светлина, но температурата се повиши. Така Хершел открива невидимото инфрачервено лъчение. Сега човечеството знае, че има видове радиация, невидими за окото. Те могат да бъдат навсякъде. Навсякъде около нас. Колко са там? Защо съществуват? Какво крият? Разбира се, трябваше да разберем. Енергията, която преминава през Вселената под формата на вълни, се нарича електромагнитно излъчване. Цялата гама от изследвания, от гама лъчи с висока енергия до радиовълни с ниска енергия, се нарича електромагнитен спектър. Очите ни виждат само видима светлина, но можем да създадем устройства като инфрачервени камери, за да виждаме и други видове светлина. Тези създадени от човека „очи“ виждат невидимата за нас светлина и я превръщат в разбираема за очите ни картина. Обектите могат да излъчват различни видове радиация. Като наблюдаваме пълния спектър на даден артикул, можем да видим истинската картина на артикула. Когато насочим такива устройства към небето, те ни разкриват космоса в целия му блясък. Когато гледаме нощното небе, виждаме звезди и планети, галактики и мъглявини само във видима светлина. Но ако можеше да се различи инфрачервена светлина, небето би изглеждало съвсем различно. Първо, инфрачервената светлина с дълги дължини на вълните може да премине през облаци от газ и прах. По-късите дължини на вълните на видимата светлина се блокират или разпръскват, докато преминават през такива клъстери от частици. Оказва се, че като наблюдаваме инфрачервена светлина, можем да видим обекти, които излъчват топлина дори през облаци от газ и прах. Като тази новосформирана звезда. Обекти, които сами по себе си не излъчват видима светлина, като планетите, могат да бъдат достатъчно горещи, за да излъчват инфрачервена светлина, което ни позволява да ги видим. И като наблюдаваме как инфрачервената светлина на една звезда преминава през атмосферата, можем да изучаваме химичния състав на планетата. Опашката от прах, оставена от далечни планети по време на тяхното формиране, също излъчва инфрачервена светлина, помагайки ни да разберем как се раждат нови планети. И така, инфрачервената светлина ни помага да виждаме обекти, които са наблизо. Но освен това той може да ни разкаже как първите обекти във Вселената са се появили веднага след Големия взрив. Представете си, че изпращате писмо до Земята от галактика, отдалечена на милиарди светлинни години. Ще отнеме невероятно много време! И когато най-накрая пристигне, който го прочете, ще разбере новини, които са на милиарди години. Светлината на първите звезди, образувани в младата Вселена, се държи точно по същия начин. Той напуска звездите преди много години и пътува през космоса, преодолявайки гигантски разстояния между галактиките. Ако можехме да го видим, щяхме да видим галактиките такива, каквито са били в ранната вселена. Оказва се, че можем да видим миналото! Но, за съжаление, не можем да го видим. Защо? Защото вселената се разширява. Докато светлината пътува през пространството, тя се разтяга от това разширение. Първите звезди блестяха главно във видимия и ултравиолетовия спектър, но разтягането промени дължината на вълната на светлината, превръщайки я в инфрачервена. Този ефект се нарича "червено отместване". Единственият начин да видим светлината от далечни звезди, достигаща до нас, е да потърсим много слаба инфрачервена светлина. Събирайки го, можем да пресъздадем изображения на първите галактики, появили се във Вселената. Наблюдавайки раждането на първите звезди и галактики, ние задълбочаваме знанията си за това как се е формирала нашата Вселена. Как Вселената премина от първите искрящи звезди до милиардите звезди, които виждаме днес. Какво научаваме за това как галактиките растат и се развиват? Как хаосът на ранната вселена е придобил ред и структура? НАСА в момента изгражда новия космически телескоп Джеймс Уеб. С огромно огледало за събиране на инфрачервени лъчи и орбита далеч зад луната, Webb ще ни позволи да видим космоса така, както никога досега не сме го виждали. Webb ще търси признаци на вода на планети, обикалящи около други звезди. Ще направи снимки от ранното детство на нашата вселена. Той ще види звезди и планетарни системи, скрити в пашкули от прах. Ще можем да намерим отговори на най-важните въпроси на Вселената и може би дори на тези, които все още не сме имали време да зададем. Отговорите, които се крият от нас под формата на инфрачервена светлина. Всичко, което трябва да направим, е да погледнем. [Инфрачервена светлина: Отвъд видимото] [Как работи телескопът Джеймс Уеб] Превод и субтитри: astronomyday.ru
История
Първите обяснения за причините за появата на видимия спектър на лъчение са дадени от Исак Нютон в книгата "Оптика" и Йохан Гьоте в труда "Теория на цветовете", но още преди тях Роджър Бейкън наблюдава оптичния спектър в чаша вода. Само четири века по-късно Нютон открива дисперсията на светлината в призмите.
Нютон е първият, който използва думата спектър (лат. spectrum - зрение, външен вид) в печат през 1671 г., описвайки своите оптични експерименти. Той откри, че когато лъч светлина удари повърхността на стъклена призма под ъгъл спрямо повърхността, част от светлината се отразява, а част преминава през стъклото, образувайки ивици с различни цветове. Ученият предполага, че светлината се състои от поток от частици (корпускули) с различни цветове и че частиците с различни цветове се движат в прозрачна среда с различни скорости. Според неговото предположение, червената светлина се движи по-бързо от виолетовата и следователно червеният лъч не се отклонява върху призмата толкова, колкото виолетовият. Поради това се появи видим спектър от цветове.
Нютон разделя светлината на седем цвята: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово. Той избра числото седем от вярването (извлечено от древногръцките софисти), че има връзка между цветовете, музикалните ноти, обектите в Слънчевата система и дните от седмицата. Човешкото око е относително слабо чувствително към честотите на индиго, така че някои хора не могат да го различат от синьо или лилаво. Ето защо, след Нютон, често се предлагаше индигото да не се счита за независим цвят, а само за нюанс на виолетово или синьо (но все още е включено в спектъра в западната традиция). В руската традиция индигото съответства на синьото.
| Цвят | Диапазон на дължината на вълната, nm | Честотен диапазон, THz | Енергиен диапазон на фотони, eV |
|---|---|---|---|
| Лилаво | ≤450 | ≥667 | ≥2,75 |
| Син | 450-480 | 625-667 | 2,58-2,75 |
| синьозелено | 480-510 | 588-625 | 2,43-2,58 |
| Зелено | 510-550 | 545-588 | 2,25-2,43 |
| жълто зелен | 550-570 | 526-545 | 2,17-2,25 |
| Жълто | 570-590 | 508-526 | 2,10-2,17 |
| портокал | 590-630 | 476-508 | 1,97-2,10 |
| червен | ≥630 | ≤476 | ≤1,97 |
Границите на диапазоните, посочени в таблицата, са условни, но в действителност цветовете плавно преминават един в друг, а местоположението на видимите за наблюдателя граници между тях зависи до голяма степен от условията на наблюдение.
Спектър на електромагнитните вълни.
Електромагнитните вълни се класифицират според тяхната дължина на вълната или свързаната с тях честота на вълната. Отбелязваме също, че тези параметри характеризират не само вълната, но и квантовите свойства на електромагнитното поле. Съответно в първия случай електромагнитната вълна се описва от класическите закони, изучавани в този том, а във втория - квантови закони, изучавани в том 5 на това помагало.
Разгледайте концепцията за спектъра на електромагнитните вълни. Спектърът на електромагнитните вълни е честотната лента на електромагнитните вълни, които съществуват в природата.
Спектърът на електромагнитното излъчване в ред на нарастване на честотата е:
1) Радиовълни;
2) Инфрачервено лъчение;
3) Излъчване на светлина;
4) рентгеново лъчение;
5) Гама лъчение.
Различните участъци от електромагнитния спектър се различават по начина, по който излъчват и приемат вълни, принадлежащи към един или друг участък от спектъра. Поради тази причина няма резки граници между различните части на електромагнитния спектър.
Радиовълните се изучават от класическата електродинамика. Инфрачервената светлина и ултравиолетовото лъчение се изучават както от класическата оптика, така и от квантовата физика. Рентгеновото и гама лъчение се изучава в квантовата и ядрената физика.
Нека разгледаме по-подробно спектъра на електромагнитните вълни.
Радио вълни.
Радиовълните са електромагнитни вълни с дължина на вълната над 0,1 mm (честота по-малка от 3 10 12 Hz = 3000 GHz).
Радиовълните се делят на:
1. Свръхдълги вълни с дължина на вълната над 10 km (честота по-малка от 3 10 4 Hz = 30 kHz);
2. Дълги вълни с дължина от 10 km до 1 km (честота в диапазона 3 10 4 Hz - 3 10 5 Hz = 300 kHz);
3. Средни вълни с дължина от 1 km до 100 m (честота в диапазона 3 10 5 Hz -310 6 Hz = 3 MHz);
4. Къси вълни в обхвата на дължината на вълната от 100m до 10m (честота в диапазона 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz);
5. Свръхкъси вълни с дължина на вълната под 10 m (честота над 310 7 Hz = 30 MHz).
Ултракъсите вълни от своя страна се разделят на:
а) метрови вълни;
б) сантиметрови вълни;
в) милиметрови вълни;
г) субмилиметър или микрометър.
Вълни с дължина на вълната под 1m (честота под 300MHz) се наричат микровълни или микровълни.
Поради големите стойности на дължините на вълните на радиообхвата в сравнение с размера на атомите, разпространението на радиовълните може да се разглежда, без да се взема предвид атомистичната структура на средата, т.е. феноменологично, както е обичайно при изграждането на теорията на Максуел. Квантовите свойства на радиовълните се проявяват само при повечето къси вълни, съседна на инфрачервената част на спектъра и по време на разпространението на т.нар. ултракъси импулси с продължителност от порядъка на 10 -12 s - 10 -15 s, сравними с времето на трептене на електрони вътре в атоми и молекули.
Инфрачервено и светлинно лъчение.
Инфрачервената светлина, включително ултравиолетовото лъчение, представлява оптичната област на спектъра на електромагнитните вълни в най-широкия смисъл на думата. Близостта на спектралните участъци на изброените вълни доведе до сходството на методите и инструментите, използвани за тяхното изследване и практическо приложение. Исторически за тези цели са използвани лещи, дифракционни решетки, призми, диафрагми, оптически активни вещества, които са част от различни оптични устройства (интерферометри, поляризатори, модулатори и др.).
От друга страна, излъчването на оптичната област на спектъра има общи моделипреминаването на различни среди, което може да се получи с помощта на геометрична оптика, която се използва широко за изчисления и конструиране както на оптични устройства, така и на канали за разпространение на оптични сигнали.
Оптичният спектър заема диапазон от дължини на електромагнитни вълни в диапазона от 210 -6 m = 2 μm до 10 -8 m = 10 nm (при честота от 1,510 14 Hz до 310 16 Hz). Горната граница на оптичния диапазон се определя от границата на дългите вълни на инфрачервения диапазон, а долната граница от границата на късите вълни на ултравиолетовия (фиг. 2.14).
Ширината на оптичния честотен диапазон е приблизително 18 октави 1 , от които оптичният диапазон представлява приблизително една октава (); за ултравиолетово - 5 октави (), за инфрачервено лъчение - 11 октави (
В оптичната част на спектъра явленията, дължащи се на атомистичната структура на материята, стават значими. Поради тази причина наред с вълновите свойства на оптичното лъчение се проявяват и квантовите свойства.
Рентгеново и гама лъчение.
В областта на рентгеновото и гама-лъчението на преден план излизат квантовите свойства на радиацията.
Рентгеновото лъчение възниква по време на забавянето на бързо заредени частици (електрони, протони и др.), Както и в резултат на процеси, протичащи вътре в електронните обвивки на атомите.
Гама радиацията е следствие от явления, протичащи вътре в атомните ядра, както и в резултат на ядрени реакции. Границата между рентгеновото и гама-лъчението се определя условно от големината на енергийния квант 2, съответстващ на дадена честота на излъчване.
Рентгеновото лъчение се състои от електромагнитни вълни с дължина от 50 nm до 10 -3 nm, което съответства на квантова енергия от 20 eV до 1 MeV.
Гама лъчението представлява електромагнитни вълни с дължина на вълната под 10 -2 nm, което съответства на енергия на фотона, по-голяма от 0,1 MeV.
електромагнитната природа на светлината.
Светлината е видимата част от спектъра на електромагнитните вълни, чиито дължини на вълните заемат интервала от 0,4 µm до 0,76 µm. Всеки спектрален компонент на оптичното излъчване може да бъде свързан с определен цвят. Цветът на спектралните компоненти на оптичното лъчение се определя от тяхната дължина на вълната. Цветът на радиацията се променя с намаляване на дължината на вълната, както следва: червено, оранжево, жълто, зелено, циан, индиго, виолетово.
Червената светлина, съответстваща на най-дългата дължина на вълната, определя червения край на спектъра. Виолетова светлина - съответства на лилавата граница.
Естествената светлина е неоцветена и представлява суперпозиция на електромагнитни вълни от целия видим спектър. Естествената светлина идва от излъчването на електромагнитни вълни от възбудени атоми. Естеството на възбуждането може да бъде различно: топлинно, химическо, електромагнитно и др. В резултат на възбуждането атомите излъчват електромагнитни вълни по хаотичен начин за около 10 -8 секунди. Тъй като енергийният спектър на възбуждане на атомите е доста широк, електромагнитните вълни се излъчват от целия видим спектър, чиято начална фаза, посока и поляризация са произволни. Поради тази причина естествената светлина не е поляризирана. Това означава, че "плътността" на спектралните компоненти на електромагнитните вълни на естествената светлина с взаимно перпендикулярни поляризации е една и съща.
Хармоничните електромагнитни вълни от светлинния диапазон се наричат монохроматични. За монохроматична светлинна вълна една от основните характеристики е интензитетът. Интензитетът на светлинна вълна е средната стойност на плътността на енергийния поток (1,25), носена от вълната:
където е векторът на Пойнтинг.
Изчисляване на интензитета на светлинна, плоска, монохроматична вълна с амплитуда електрическо полев хомогенна среда с диелектрична и магнитна проницаемост съгласно формула (1.35), като се вземат предвид (1.30) и (1.32), дава:
където е индексът на пречупване на средата; - вакуумен импеданс.
Традиционно оптичните явления се разглеждат с помощта на лъчи. Описанието на оптичните явления с помощта на лъчи се нарича геометрично-оптично. Правилата за намиране на траектории на лъчи, разработени в геометричната оптика, се използват широко в практиката за анализ на оптични явления и при конструирането на различни оптични устройства.
Нека дадем дефиниция на лъч въз основа на електромагнитното представяне на светлинните вълни. На първо място, лъчите са линии, по които се разпространяват електромагнитните вълни. Поради тази причина лъчът е линия, във всяка точка от която средният вектор на Пойнтинг на електромагнитна вълна е насочен тангенциално към тази линия.
В хомогенни изотропни среди посоката на средния вектор на Пойнтинг съвпада с нормалата към вълновата повърхност (еквифазна повърхност), т.е. по вълновия вектор.
Така в хомогенни изотропни среди лъчите са перпендикулярни на съответния вълнов фронт на електромагнитна вълна.
Например, разгледайте лъчите, излъчвани от точков монохроматичен източник на светлина. От гледна точка на геометричната оптика, набор от лъчи излизат от точката на източника в радиална посока. От позицията на електромагнитната същност на светлината, сферична електромагнитна вълна се разпространява от точката на източника. На достатъчно голямо разстояние от източника, кривината на фронта на вълната може да бъде пренебрегната, като се приеме, че локално сферичната вълна е равнинна. Чрез разделянето на повърхността на вълновия фронт на голям брой локално плоски участъци е възможно да се начертае нормал през центъра на всеки участък, по който се разпространява плоската вълна, т.е. в геометрично-оптичната интерпретация на лъча. Така и двата подхода дават едно и също описание на разглеждания пример.
Основната задача на геометричната оптика е да намери посоката на лъча (траекторията). Уравнението на траекторията се намира след решаване на вариационната задача за намиране на минимума на т.нар. действия по желаните траектории. Без да навлизаме в детайли на строгата формулировка и решение на този проблем, можем да приемем, че лъчите са траектории с най-малка обща оптична дължина. Това твърдение е следствие от принципа на Ферма.
Вариационният подход за определяне на траекторията на лъчите може да се приложи и към нехомогенни среди, т.е. такива среди, в които индексът на пречупване е функция от координатите на точките на средата. Ако функцията описва формата на повърхността на вълновия фронт в нехомогенна среда, тогава тя може да бъде намерена въз основа на решението на частично диференциално уравнение, известно като уравнение на ейконала, а в аналитичната механика като уравнение на Хамилтън-Якоби:
По този начин математическата основа на геометрично-оптичното приближение на електромагнитната теория се състои от различни методи за определяне на полетата на електромагнитните вълни върху лъчите, базирани на уравнението на ейконала или по друг начин. Геометрично-оптичното приближение намира широко приложение в практиката в радиоелектрониката за изчисляване на т.нар. квазиоптични системи.
В заключение отбелязваме, че способността да се описва светлината едновременно и от вълнови позиции чрез решаване на уравненията на Максуел и с помощта на лъчи, чиято посока се определя от уравненията на Хамилтън-Якоби, описващи движението на частиците, е едно от проявленията на дуализма на светлината, което, както е известно, доведе до формулирането на основните принципи на квантовата механика.
1) Октава, по дефиниция, е диапазон от честоти между произволна честота w и нейния втори хармоник, равен на 2w.
2) h=6,6310 -34 Jsec - константата на Планк.
Въпреки че електромагнитните вълни от всички честоти се разпространяват във вакуум по един и същ начин - със скоростта на светлината, тяхното взаимодействие с материята зависи много от честотата (а също и от дължината на вълната и квантовата енергия). Според естеството на взаимодействие с материята лъчението се разделя на диапазони: гама лъчение, рентгенови лъчи, ултравиолетова, видима светлина, инфрачервено лъчение и радиовълни, които заедно образуват електромагнитния спектър. Самите тези диапазони от своя страна са разделени на поддиапазони и в науката няма единна установена традиция за такова разделение. Много зависи от приложеното технически средстваза генериране и регистриране на радиация. Следователно във всяка област на науката и технологиите поддиапазоните се определят по свой начин и често дори изместват границите на основните диапазони.
Видима радиация
От целия спектър човешкото око е в състояние да улови радиация само в много тесен диапазон на видимата светлина. От единия ръб до другия честотата на излъчване (както и дължината на вълната и енергията на фотона) се променя с по-малко от коефициент две. За сравнение, най-дългите радиовълни са 10 14 пъти по-дълги от видимата радиация, а най-енергичните гама лъчи са 10 20 пъти по-енергични. Въпреки това, в продължение на много хиляди години, по-голямата част от информацията за света около нас е извлечена от видимия радиационен диапазон, чиито граници се определят от свойствата на светлочувствителните клетки на човешката ретина.
Различните дължини на вълните на видимата светлина се възприемат от хората като различни цветове – от червено до лилаво. Традиционното разделяне на видимия спектър на седем цвята на дъгата е културна конвенция. Няма ясни физически граници между цветовете. Англичаните например обикновено разделят дъгата на шест цвята. Известни са и други варианти. Само три различни вида рецептори са отговорни за възприемането на цялото разнообразие от цветове и нюанси на видимата светлина, които са чувствителни към червено, зелено и синьо. Това ви позволява да възпроизвеждате почти всеки цвят чрез смесване на тези три основни цвята на екрана.
За получаване на видима светлина от далечни космически източници се използват вдлъбнати огледала, които събират радиация от голяма площ почти до една точка. Колкото по-големи са огледалата, толкова по-мощен е телескопът. Огледалата трябва да се изработват с изключително висока точност - отклоненията от идеалната форма на повърхността не трябва да надвишават една десета от дължината на вълната - 40 нанометра, тоест 0,04 микрона. И такава точност трябва да се поддържа при всяко завъртане на огледалото. То определя висока ценаголеми телескопи. Диаметърът на огледалата на най-големите оптични инструменти - телескопите Кек в Хавай - е 10 метра.
Въпреки че атмосферата е прозрачна за видимата светлина (маркирана със сини стрелки на плаката), тя все пак създава сериозни смущения в наблюденията. Дори и да забравите за облаците, атмосферата леко огъва лъчите на светлината, което намалява яснотата на изображението. Освен това самият въздух разпръсква падащата светлина. През деня това синьо сияние, причинено от разсеяната светлина на Слънцето, не позволява астрономически наблюдения, а през нощта разсеяната светлина на звездите (а през последните десетилетия и изкуственото осветяване на небето чрез външно осветление от градовете , автомобили и др.) ограничава видимостта на най-бледите обекти. Справянето с тези трудности позволява премахването на телескопи в космоса. Телескопът Хъбъл, по земните стандарти, има много скромен размер - диаметър 2,24 метра, но благодарение на извънатмосферното си разположение, той направи възможно много първокласни астрономически открития.
Ултравиолетова радиация
От страната на късите вълни на видимата светлина е ултравиолетовият диапазон, който се разделя на близък и вакуум. Подобно на видимата светлина, почти ултравиолетовата светлина преминава през атмосферата. Човек не го възприема със сетивата, но близо ултравиолетовото лъчение причинява тен на кожата. Това е защитна реакция на кожата към определени химични нарушения под въздействието на ултравиолетовото лъчение. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова повече смущения може да причини ултравиолетовото лъчение в биологичните молекули. Ако цялата ултравиолетова светлина преминаваше през атмосферата, животът на повърхността на Земята би бил невъзможен. Въпреки това, над определена честота, атмосферата престава да предава ултравиолетова радиация, тъй като енергията на нейните кванти става достатъчна, за да унищожи (дисоциира) молекулите на въздуха. Един от първите ултравиолетови удари е озонът, последван от кислорода. Заедно атмосферните газове защитават земната повърхност от суровата ултравиолетова радиация на Слънцето, която се нарича вакуумна радиация, тъй като може да се разпространява само в празнота (вакуум). Горна граница на вакуумния ултравиолет - 200 nm. От тази дължина на вълната молекулярният кислород (O 2) започва да абсорбира ултравиолетова светлина.
Телескопите за близко ултравиолетово лъчение са изградени по същите принципи, както за видимия диапазон. Те също използват огледала, покрити с тънък отразяващ метален слой, но те трябва да бъдат направени с още по-голяма прецизност. Близкият ултравиолетов може да се наблюдава от Земята, вакуумът - само от космоса.
рентгеново лъчение
Няма официална граница между силно ултравиолетово и рентгеново лъчение. Има два основни подхода към дефинирането му: от една страна, обичайно е рентгеновите лъчи да се наричат лъчения, способни да предизвикат възбуждане на атомните ядра - точно както видимото и инфрачервеното лъчение възбужда електронните обвивки на атомите и молекулите. В този случай дори твърдият вакуумен ултравиолет може в някои случаи да се нарече рентгенови лъчи. При друг подход, радиация с дължина на вълната, по-малка от характерния размер на атомите (0,1 nm). Тогава се оказва, че по-голямата част от мекия рентгенов диапазон трябва да се счита за свръхтвърд ултравиолетов.
Меките рентгенови лъчи все още могат да бъдат отразени от полиран метал, но само с падане на трева - под ъгъл по-малък от 1 градус. По-твърдата радиация трябва да се концентрира по други начини. За задаване на посоката се използват тесни тръби, които отрязват кванти, идващи отстрани, а приемникът е сцинтилатор, в който рентгеновите кванти йонизират атомите, а тези, рекомбинирайки се с електрони, излъчват видимо или ултравиолетово лъчение, което се записва с фотоелектронни умножители. Всъщност в твърдите рентгенови телескопи се отчитат отделните кванти на радиация и едва след това се формира изображение с помощта на компютър.
От рентген до гама
Условна е и границата, на която рентгеновият диапазон се заменя с гама-лъчение. Обикновено се свързва с енергията на квантите, които се излъчват, когато ядрени реакции(или обратното, те могат да бъдат извикани). Друг подход е свързан с факта, че топлинното излъчване обикновено не се приписва на гама диапазона, независимо колко висока е неговата енергия. Във Вселената се наблюдават относително стабилни макроскопични обекти, нагрети до десетки милиони градуси - това са централните участъци на акреционните дискове около неутронните звезди и черните дупки. Но обекти с температура от милиарди градуси - например ядрото на масивни червени гиганти - почти винаги са покрити с непрозрачна обвивка. Често обаче дори излъчването в техните дълбини се нарича не меко гама-лъчение, а свръхтвърди рентгенови лъчи. Стабилни образувания с температури над десетки милиарди градуси са непознати в съвременната Вселена. Това дава основание да се смята, че гама-лъчението винаги се генерира по нетермичен начин. Основният механизъм е радиация от сблъсък на заредени частици, ускорени до скорости, близки до светлината, от мощни електромагнитни полета, например в неутронни звезди.
Гама радиация
Разделянето на гама лъчението на поддиапазони е още по-условно. Свръхвисоките енергии включват гама кванти, генерирането на които е извън възможностите модерни технологии. Всички източници на такова излъчване са свързани изключително с космоса. Но тъй като технологията има тенденция да се развива, това определение не може да се нарече ясно.
Атмосферата също ни предпазва от гама лъчение. В меките и твърдите поддиапазони го абсорбира напълно. Квантите със свръхвисока енергия, сблъсквайки се с ядрата на атомите в атмосферата, генерират каскади от частици, чиято енергия постепенно намалява и се разсейва. Първите ешелони от частици в тях обаче се движат по-бързо от скоростта на светлината. във въздуха. При такива условия заредените частици генерират така нареченото спирачно лъчение (Черенков) лъчение, донякъде подобно на звуковото лъчение. ударна вълнаот свръхзвукови самолети. Ултравиолетовите и видимите спирачни кванти достигат повърхността на Земята, където се улавят от специални телескопи. Може да се каже, че самата атмосфера става част от телескопа и това дава възможност да се наблюдава гама-лъчение със свръхвисока енергия от Земята. Това е отбелязано на плаката с червени стрелки.
Още по-енергични кванти - свръхвисоки енергии - генерират толкова мощни каскади от частици, че пробиват атмосферата и достигат земната повърхност. Те се наричат обширни въздушни душове (EAS) и се записват от сцинтилационни сензори. Частиците EAS, заедно с естествената радиоактивност на земните скали, могат да увредят биологичните молекули, по-специално ДНК, и да причинят мутации в живите организми. По този начин те допринасят за еволюцията на живота на Земята. Но ако тяхната интензивност беше значително по-висока, това може да се превърне в сериозна пречка за живота. За щастие, колкото по-висока е енергията на гама лъчите, толкова по-редки са те. Най-енергичните кванти с енергия около 10 20 eVидват веднъж на всеки сто години на квадратен километър от земната повърхност. Произходът на такива енергийни гама-кванти все още не е напълно ясен. Квантите не могат да имат много по-висока енергия, тъй като над определен праг те започват да взаимодействат с реликтовото микровълново лъчение, което води до създаването на заредени частици. С други думи, Вселената е непрозрачна за радиация, значително по-енергична от 10 21 –10 24 eV.
Инфрачервено лъчение
Преминавайки от видимата светлина към страната на дългите вълни на спектъра, попадаме в инфрачервения диапазон. Близкото инфрачервено лъчение физически не се различава от видимата светлина, освен че не се възприема от ретината. Може да се регистрира от същите инструменти, по-специално телескопи, като видимата светлина. Човек усеща инфрачервеното лъчение и с кожата – като топлина. Благодарение на инфрачервеното лъчение ни е топло да седим до огъня. По-голямата част от енергията на горене се отвежда нагоре от възходящия поток въздух, върху който кипваме вода в тенджера, а инфрачервеното (и видимото) лъчение се излъчва отстрани от газови молекули, продукти от горенето и горещи въглищни частици.
С увеличаването на дължината на вълната атмосферата става по-малко прозрачна за инфрачервеното лъчение. Това се дължи на така наречените вибрационно-ротационни абсорбционни ленти на молекулите на атмосферния газ. Като квантови обекти, молекулите не могат да се въртят или осцилират произволно, като тежести върху пружина. Всяка молекула има свой собствен набор от енергии (и съответно честоти на излъчване), които могат да съхраняват под формата на вибрационни и ротационни движения. Но дори и за не най-сложните въздушни молекули наборът от тези честоти е толкова обширен, че всъщност атмосферата поглъща цялото лъчение в някои части на инфрачервения спектър - това са така наречените инфрачервени абсорбционни ленти. Те са осеяни с малки области, в които космическото инфрачервено лъчение достига земната повърхност - това са така наречените прозорци на прозрачност, които са около дузина. Тяхното съществуване е представено на плаката с разпръснати сини стрелки в инфрачервени лъчи. Интересно е да се отбележи, че поглъщането на инфрачервеното лъчение почти напълно се извършва в долните слоеве на атмосферата поради увеличаването на плътността на въздуха в близост до повърхността на Земята. Това позволява наблюдения в почти целия инфрачервен диапазон от балони и самолети на голяма надморска височина, които се издигат в стратосферата.
Разделянето на инфрачервеното лъчение на поддиапазони също е много условно. Границата между близкото и средното инфрачервено лъчение се провежда приблизително в областта на абсолютната температура от 300 К, която е типична за обектите на земната повърхност. Следователно всички те, включително устройствата, са мощни източници на инфрачервено лъчение. За да се изолира излъчването на космически източник при такива условия, оборудването трябва да се охлади до температури близки до абсолютната нула и да се извади от атмосферата, която сама по себе си свети интензивно в средния инфрачервен диапазон - именно на това излъчване че Земята разсейва в космоса енергията, която постоянно идва от Слънцето. Основният тип приемник на радиация в този диапазон е болометър, т.е. най-просто казано, малко черно тяло, което абсорбира радиация, свързано към свръхпрецизен термометър.
Далечният инфрачервен диапазон е един от най-трудните както за генериране, така и за откриване на радиация. AT последно времеблагодарение на разработването на специални материали и ултра-бърза електроника, те се научиха да работят с него доста ефективно. В инженерството често се нарича терахерцово излъчване. В момента разработването на безконтактни скенери за определяне химичен съставобекти, базирани на генератори на терахерцово лъчение. Те ще могат да откриват пластични експлозиви и наркотици на контролно-пропускателните пунктове на летищата.
В астрономията този диапазон често се нарича субмилиметрова радиация. Интересен е с това, че в него (както и в микровълновия диапазон, съседен на него) се наблюдава реликтовото излъчване на Вселената. Субмилиметровата радиация не достига до морското равнище, но се абсорбира предимно в най-ниските слоеве на атмосферата. Ето защо в планините на Чили и Мексико на надморска височина от около 5 хиляди метра сега се изграждат големи субмилиметрови телескопи - в Мексико, 50 метра, а в Чили, масив от 64 телескопа с диаметър 12 метра.
Микровълни и радиовълни
Инфрачервеният диапазон е в съседство с радиоизлъчването, което покрива целия ръб на дългите вълни на електромагнитния спектър. Енергията на квантите в радиообхвата е много малка. Обикновено не е достатъчно за значителни промени в структурата на атомите и молекулите, но е достатъчно за взаимодействие с ротационните нива на молекулите, например водата. Енергията на радиовълните също е достатъчна, за да действа върху свободни електрони, например в проводници. Флуктуациите в електромагнитното поле на радиовълната причиняват синхронни трептения на електроните в антената, тоест променлив електрически ток.
При висок интензитет на микровълновото излъчване този ток може да причини значително нагряване на веществото. Това свойство се използва за затопляне на храни, съдържащи вода микровълнови печки. Микровълновото лъчение се нарича още микровълново лъчение. Това е субдиапазонът с най-къса дължина на вълната на радиоизлъчване с дължина на вълната 1 ммдо 30 см. Микровълновото лъчение прониква в дебелината на продуктите на дълбочина от няколко сантиметра, което осигурява нагряване в целия обем, а не само от повърхността, както е при инфрачервеното лъчение на скарата. Всички мобилни телефони и локални радиокомуникационни системи, като Bluetooth и WiFi протоколите, използвани от безжичните електронни устройства, също работят в микровълновия диапазон.
Колкото по-дълга е радиовълната, толкова по-малко енергия носи и толкова по-трудно се регистрира. За приемане към електрическа верига е свързана антена, в която възникват електрически трептения под действието на радиовълна. При попадане в резонанс със собствената си честота, трептенията се усилват и могат да бъдат регистрирани. За улавяне на радиовълни, идващи от космоса, се използват антенни огледала с параболична форма, които събират радиоизлъчването по цялата си площ и го концентрират върху малка антена. Това повишава чувствителността на инструмента.
По-голямата част от микровълновото лъчение (започвайки с дължина на вълната 3–5 мм) преминава през атмосферата. Същото може да се каже и за ултракъсите вълни (VHF), на които местните телевизионни и радиостанции (включително FM станции) излъчват и се провеждат космически радиокомуникации. Излъчването на техните предаватели се записва само в рамките на линията на видимост на антените. Прозорецът на прозрачност на атмосферата в радиообхвата (сините стрелки на плаката) завършва при дължина на вълната около 10–30 метра.
По-дългите радиовълни се отразяват от йоносферата на Земята. Това не позволява наблюдение на космически радиоизточници при по-дълги дължини на вълните, но предоставя възможност за глобална късовълнова радиокомуникация. Радиовълните в диапазона от 10 до 100 метра могат да обиколят цялата Земя, отразявайки се многократно от йоносферата и земната повърхност. Вярно, тяхното разпределение зависи от състоянието на йоносферата, което е силно повлияно от слънчевата активност. Следователно комуникацията на къси вълни не е с високо качество и надеждност.
Средните и дългите вълни също се отразяват от йоносферата, но отслабват по-силно с разстоянието. За да може сигналът да бъде уловен на разстояние повече от хиляда километра, са необходими много мощни предаватели. Свръхдългите радиовълни с дължина от стотици и хиляди километри обикалят Земята вече не поради йоносферата, а поради вълнови ефекти, които също им позволяват да проникнат до известна дълбочина под повърхността на океана. Този имот се използва за спешни комуникациис потопени бойни подводници. Други радиовълни не преминават през морската вода, която поради разтворените в нея соли е добър проводник и поглъща или отразява радиолъчението.
Не е известна теоретична граница за дължината на радиовълните. На практика беше експериментално възможно да се създаде и регистрира радиовълна с дължина на вълната 38 хиляди км. км(честота 8 Hz).
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ЦВЕТОВОТО ВЪЗПРИЯТИЕ.
Сега е известно, че цветът е представяне на видимата част от спектъра на електромагнитното излъчване. Светлината се възприема от фоторецептори, разположени в задната част на зеницата. Тези рецептори преобразуват енергията на електромагнитното излъчване в електрически сигнали. Рецепторите са концентрирани предимно в ограничена област на ретината или ретината, наречена фовея. Тази част от ретината е в състояние да възприема детайлите на изображението и цвета много по-добре от останалата част от нея. С помощта на очните мускули ямката се измества, за да възприема различни области заобикаляща среда. Зрително поле, в което детайлите са добре различими и цветът е ограничен до приблизително 2 градуса.
Има два вида рецептори: пръчици и колбички. Пръчките са активни само при изключително слаба светлина (нощно виждане) и нямат практическо значение при възприемането на цветни изображения; те са по-концентрирани по периферията на зрителното поле. Конусите са отговорни за цветовото възприятие и са концентрирани във фовеята. Има три вида конуси, които усещат дълги, средни и къси дължини на вълната на светлината.
Всеки тип конус има своя собствена спектрална чувствителност. Приблизително се смята, че първият тип възприема светлинни вълни с дължина от 400 до 500 nm (условно "син" компонент на цвета), вторият - от 500 до 600 nm (условно "зелен" компонент) и третият - от 600 до 700 nm (условно "червен" компонент). Цветът се възприема в зависимост от дължината на вълната и интензитета на присъстващата светлина.
Окото е най-чувствително към зелените лъчи, най-малко към сините. Експериментално е установено, че сред излъчванията с еднаква мощност най-голямо светлинно усещане предизвикват монохромните жълто-зелена радиацияс дължина на вълната 555 nm. Спектралната чувствителност на окото зависи от околната светлина. Привечер максималната спектрална светлинна ефективност се измества към синьото излъчване, което се дължи на различната спектрална чувствителност на пръчиците и конусите. На тъмно синьото действа по-силно от червеното, при еднаква мощност на излъчване, а на светло – напротив.
Различните хора възприемат един и същи цвят по различен начин. Възприемането на цветовете се променя с възрастта, зависи от зрителната острота, настроението и други фактори. Такива разлики обаче се отнасят главно до фините нюанси на цвета, така че като цяло може да се твърди, че повечето хора възприемат основните цветове по един и същи начин.
2. КАКВО Е ЦВЯТ?
Какво е цвят? Физиката разглежда светлината като електромагнитна вълна. Вълната е просто промяна в състоянието на среда или поле, разпространяващо се в пространството с определена скорост. Всяка вълна има дължина - това е разстоянието между гребените на вълната.
Тези дължини на вълните, които човешкото око може да възприеме, се наричат видима светлина. Например, ние възприемаме светлината с най-голяма дължина на вълната като червена, а светлината с най-къса дължина на вълната като виолетова. В същото време си струва да се отбележи, че нашето ухо също възприема вълни, само с много голяма дължина на вълната и с малко по-различен характер. Звукът е вибрацията на материята. Например във вакуум няма частици материя (например въздух). И няма звук, звуковата вълна не се разпространява във вакуум.
Единицата за измерване на дължината на вълната на оптичната област на радиационния спектър е нанометър (nm);
1 nm = 1 x 10 -3 микрона (микрона) = 1 x 10 -6 mm (милиметра).
Цветовете, които възприемаме, варират в зависимост от дължината на вълната на видимата светлина:
Цвят |
Дължина на вълната, nm |
червен |
от 620 до 760 |
портокал |
от 585 до 620 |
Жълто |
от 575 до 585 |
Зелено |
от 510 до 575 |
Син |
от 480 до 510 |
Син |
от 450 до 480 |
Лилаво |
от 380 до 450 |
Редът на подреждането на цветовете е лесен за запомняне чрез съкращението на думите: всеки ловец иска да знае къде седи фазанът.
Няма рязка граница между цветовете, но бялото липсва сред горните цветове ...
Работата е там, че няма конкретна дължина на вълната, която да съответства на бялата светлина. Обаче границите на обхватите на бялата светлина и нейните съставни цветове обикновено се характеризират с техните дължини на вълните във вакуум. По този начин бялата светлина е сложна светлина, набор от вълни с дължини от 380 до 760 nm.
Причината, поради която човек може да вижда светлина, се дължи на ефекта на светлина с определени дължини на вълната върху ретината на окото.
Когато светлината преминава през вещество, което има ъгъл на пречупване, светлината се разлага на съставните си цветове, докато скоростта и дължината на вълната се променят, а честотата на светлинните трептения остава непроменена.
Светлината с дължина на вълната, по-дълга от най-дългата във видимия светлинен спектър (червена), се нарича инфрачервена ( от латинската дума infra - отдолу; тоест под тази част от спектъра, която окото може да възприеме). И се нарича светлина с дължина на вълната, по-къса от най-късата във видимия спектър ултравиолетов (от латинската дума ultra - повече, над; това е дължина на вълната, по-висока от тази, която окото може да възприеме).
Нито инфрачервената, нито ултравиолетовата светлина са достъпни за човешкото око, както и много други видове вълни. Въпреки това можем да възприемем огромен диапазон от различни цветове (вълнова лента).
3. ЦВЕТОВА ХАРМОНИЯ.
В теорията на цветовете цветното колело съдържа всички цветове, видими за хората, от лилаво до червено. Цветното колело показва как цветовете са свързани един с друг и ви позволява да определите хармоничните комбинации от тези цветове според определени правила.
Черното, бялото и сивото не са отбелязани на цветното колело, защото, строго погледнато, те не са цветове. Това са неутрални тонове.
3.1. Цветови комбинации.
Цветовите схеми показват хармонични комбинации от цветове. Имайте предвид, че цветовете могат и трябва да варират в наситеност и лекота (яркост). И между другото, друга хармония, която често се среща: чрез насищане. Картината показва възможните варианти за цветова хармония.
Не нанасяйте цветовете в равни количества. Направете един цвят по-добър като фон, а другият нека бъде само акцент върху него. Интересното е, че когато се смесват, допълващите се цветове дават сив цвят (между другото и три основни цвята). Ето защо, ако ги нанесете един до друг и в големи количества, тогава очите на зрителя ще се слеят до сиво!
Можете да експериментирате с това, като използвате средство за избиране на цвят .
4. УСЕЩАНЕ НА ДЪЛБОЧИНА.
Важна роля в създаването на цветова композиция играе разделянето на цветовете на топли и студени. Това разделение се вижда лесно на цветното колело (вижте снимките по-горе). На този кръг се откроява "топла" червено-жълта зонаи "студена" синя зонаразделени с вертикална линия. Това разделение е трудно да се обясни на ниво физика - разделението на "два лагера" се случва по-скоро на подсъзнателно ниво.
От детството сме свикнали с факта, че слънцето, огънят, ъглите и всички източници на топлина имат червени и жълти нюанси, и сняг, вода, небе - синьо-синьо и синьо-зелени нюанси. Това е фиксирано в нашето подсъзнание и ни диктува възприемането на цвета. Но има и "нарушители" на това разделение. И така, светлобежовата луна, бургундските цветове са студени цветове, а светлосиният блясък на нагретите тела има топъл цвят.
Ярки, топли цветовесъздават ефект на движение към зрителя и изглеждат по-близо. Топло цветовепривличат вниманието и са много подходящи за подчертаване на важни елементи от публикацията.
студени цветовесякаш се отдалечават и създават ефекта на отдалечаване от зрителя. В комбинация студени цветовеможе да предизвика чувство на отчуждение и изолация или, напротив, да бъде успокояващо и насърчаващо.
Ефектът на движение, предизвикан от комбинацията от топли и студени цветове, се използва от дизайнерите. За фон те избират студени нюансии топло за обекти на преден план. Така че, ако погледнете снимки, направени на презентации и пресконференции, ще видите говорители пред син фон. Такъв фон придава значимост и важност на фигурата на оратора. Тази техника може да се препоръча на начинаещи дизайнери.
Като правило цветовите решения, базирани на доминирането на студена или топла гама от цветове, работят по-добре, а не на еднаква смес от нюанси. В същото време, в комбинации, доминирани от топло тонове, за да украсите селекциите и да подобрите контрастаможе да се използвастудени нюанси и обратно.
