Что такое цвет

Свойство тел вызывать определенные ощущения в зависимости от спектрального состава отраженного или испускаемого телами света называется цветом. Ощущение цвета возникает в сетчатке глаза под влиянием световых волн, подобно тому, как ощущение звука возникает во внутреннем ухе под влиянием звуковых колебаний определенной частоты.

Наблюдаемые в природе и видимые глазом цвета разделяются на две группы: ахроматические и хроматические. К ахроматическим относятся белый, серый и черный цвета. Они различаются лишь количеством отраженного света — коэффициентом отражения. Средний человеческий глаз различает в гамме ахроматических цветов около 300 оттенков. Хроматические цвета — это цвета и оттенки, различаемые нами в спектре.

Границы видимого глазом спектра, так же как и границы отдельных цветов, люди воспринимают по-разному. Советский ученый Пинегин установил, что в определенных условиях глаз человека способен различать световое излучение в диапазоне от 3020 до 9500 А. Но все же на основании обследований сотен людей удалось установить,) что ощущению каждого цвета соответствуют волны определенной длины. Изменение цвета при изменении длины волны происходит неравномерно (табл. 1). Наиболее узкий спектральный пучок образуют желтые лучи.

Все хроматические лучи характеризуются тремя основными параметрами: цветовым тоном, насыщенностью и яркостью. Тон определяется длиной волны (обозначается греческой буквой ). Количество оттенков хроматического цвета, различаемых глазом, достигает 1000—1500. По длине волны в спектре видимого цвета выделяют три участка: длинноволновый (красный и оранжевый цвета), средневолновый (желтый и зеленый цвета) и коротковолновый (голубой, синий, фиолетовый цвета).

Таблица 1

Спектральные пределы видимых глазом цветов

Насыщенность, или чистота света (Р) зависит от степени «разбавления» спектрального цвета белым. Наконец, яркость хроматического цвета (В) связана с интенсивностью падающего на окрашенный объект общего светового потока.

Обычно в наш глаз поступает лучистый поток смешанного состава, содержащий лучи различной длины воли, разных цветов спектра. Глаз воспринимает смесь лучей как некий новый цвет, отличающийся от лучей, входящих в его состав. В этом состоит принципиальное отличие зрения от слуха: в сложном аккорде, состоящем из нескольких звуков разной высоты, отчетливо слышится каждый звук, и опытный музыкант точно назовет все ноты, прозвучавшие одновременно. Для глаза все волны видимой части спектра сливаются в единый цвет (белый), в котором не выделяются отдельные слагающие его цвета. Выделить их можно лишь с помощью призмы, развертывающей пучок белого солнечного света в разноцветную радужную полосу — спектр.

Смешение двух простых цветов может дать разные результаты. В одних случаях образуется белый цвет (при смешении оранжевого и голубого, желтого и синего); такие пары цветов называются дополнительными. В других случаях при смешении возникает третий простой цвет (например, зеленый из смеси голубого и желтого). Возможно появление также цвета, отсутствующего в спектре (например, пурпурного при смешении красного и фиолетового). Таким образом, с точки зрения различения лучей глаз — весьма несовершенное орудие познания окружающего нас мира, уступающее по своим способностям органу слуха и даже обоняния.

Лучи видимого света, дающие ощущение различных цветов, могут возникать и в процессе так называемого холодного свечения, или люминесценции. Но главным источником излучения служат нагретые тела.

Законы испускания света разработаны применительно к излучающему телу, полностью поглощающему лучи. В природе не существует абсолютно черного тела. Но представление о нем позволило математически осмыслить закономерности излучения света.

Согласно первому закону излучения (закону Стефана — Больцмана), мощность потока лучей, испускаемых абсолютно черной поверхностью,

E_т = T⁴

где Т — температура поверхности в градусах Кельвина;  — постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,7·10^-5 эрг·см²/град^-4.

Таким образом, нагретое тело как бы «испаряет» световые кванты тем энергичнее, чем выше его температура. Количество излучаемых квантов пропорционально четвертой степени температуры тела.

Второй закон излучения (закон смещения Вина) характеризует спектральный состав излучения при изменении температуры излучающего тела. При повышении температуры высвечивание усиливается на всех длинах волн. Максимум излучения перемещается в сторону более коротких волн (рис. 12). Закон Вина гласит: произведение длины волны, лежащей в области максимумов излучения _макс, и температуры тела Т есть величина постоянная, т. е. _максT = A

Представим себе, что в кузнечном горне мы раскаляем кусок металла. Пока температура его не превысит 1000° С, максимум излучения лежит в далекой инфракрасной области. С повышением температуры в спектре последовательно появляются красные, оранжевые, желтые, зеленые лучи; максимум приближается к красной границе спектра. При 2000° С светится весь видимый спектр, а излучение приобретает белый цвет (белое каление). По мере достижения температуры 3500—7500° С максимум интенсивности излучения проходит через всю видимую часть спектра, удаляясь в ультрафиолетовую область.

Таким образом, экономически наиболее выгодным был бы источник видимого света с температурой 6000— 7000° С. Современная техника пока не в состоянии создать такой источник. Но в природе он существует — это Солнце. Глаз человека приспособился к восприятию определенного диапазона электромагнитных колебаний не случайно, а в силу того, что он лежит в зоне максимума солнечного излучения.

Спектр излучения Солнца воспринимается глазом как белый свет. Но окружающие нас предметы не кажутся нам однотонными. Значит, в природе действуют какие-то еще не рассмотренные нами факторы, которые в ясный солнечный день придают зеленую окраску листьям деревьев, желтую — головкам подсолнухов, красную — макам, хотя они собственного видимого света не излучают.

Рис. 12. Положение спектрального максимума излучения при различной температуре излучающего тела

Чем же объяснить существование столь разнообразной окраски у окружающих нас предметов? Вероятно, здесь существенное значение имеет состав света, освещающего предметы. При вечернем освещении синий цвет кажется черным, а желтый и зеленый выглядят более тусклыми, чем днем. Почему?

Если перед щелью, через которую на призму падает пучок белого света, поставить красное стекло, то красный участок спектра не усилится: зато все остальные цвета спектра, кроме красного, исчезнут. Таким образом, красное стекло лишь выделяет, сохраняет красный участок спектра, поглощая все другие лучи видимого света, а не превращает в красный остальные цвета спектра. Если вместо красного стекла поставить желтое, спектр почти не меняется; на месте остаются все лучи, за исключением крайнего синего и фиолетового участка. Керосиновая лампа и лампа накаливания дают желтоватый свет, в котором, как мы теперь знаем, практически отсутствуют синие и фиолетовые лучи: температура источника света слишком низка, чтобы излучать в этой коротковолновой области. Синее сукно на солнечном свету кажется синим потому, что поглощает все лучи, кроме синих; они-то и попадают в наш глаз, давая соответствующее ощущение. Свет же искусственных источников, лишенных синих лучей, сукно поглотит полностью и будет казаться поэтому черным. Желтых и зеленых лучей в спектре ламп накаливания также относительно меньше, чем в солнечном свете. Не удивительно, что соответствующие тона при вечернем освещении кажутся более тусклыми, чем днем.

Чтобы «дополнить» свет искусственных источников недостающим коротковолновым излучением, используют ртутные лампы, ультрафиолетовое излучение которых превращают в видимое с помощью смеси светящихся веществ — люминофоров. Так устроены, в частности, лампы дневного света, спектр которых почти повторяет солнечный.

Однако не только состав падающего света влияет на восприятие цвета глазами. Подавляющее большинство окружающих нас предметов собственного света не излучает. Лучи, которые достигают глаз и информируют нас о форме, величине, цвете предметов, расстоянии до них,— это отраженные лучи. Они возникли в источнике света, достигли предмета, отразились от него и попали на сетчатку глаза. Представим себе, что рассматриваемый нами предмет — абсолютно черное тело, что он полностью поглощает все падающие на него лучи. Очевидно, при этом ни один квант света не отразится от предмета и не попадет в глаз. Такое абсолютно черное тело мы попросту не увидим, оно будет казаться нам чем-то вроде черного провала в потоке света.

Рассмотрим противоположный случай. Предмет, попавший под лучи Солнца, не поглощает их. В этом случае, если предмет совершенно прозрачен, лучи проследуют своим путем, а предмет окажется невидимым для глаза (таковы воздух, вода, стекло в относительно тонких слоях). Когда же предмет окажется непрозрачным для лучей, но и не будет поглощать их, он полностью отразит лучи в окружающее пространство.

В реальной природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно прозрачных тел. Подавляющее большинство предметов на Земле одновременно и поглощает, и отражает, и рассеивает, и пропускает свет. По отношению к лучам с различными длинами волн одно и то же тело ведет себя по-разному. Зеленый лист, например, поглощает свет в красной и синей областях спектра, а в зеленой отражает. Отраженные лучи, попадая на сетчатку глаз, и дают ощущение зеленого цвета.

Предметы, особенно их поверхностные слои, избирательно поглощают из падающего лучистого потока определенные лучи, остальные отражают и рассеивают. Именно отраженные и рассеянные лучи в совокупности и дают ощущение цвета предмета. При этом вовсе не обязательно, чтобы отражался какой-то один чистый спектральный цвет. Ведь сочетание двух, трех и больше цветов дает ощущение одного цвета, которое мы и воспринимаем как цвет данного предмета. Если же предмет кажется нам белым или серым, значит, он отражает лучи разных длин волы более или менее равномерно.

Таким образом, состав вещества или во всяком случае состав поверхностных слоев предметов, обусловливая избирательное поглощение, отражение и рассеяние падающих на него лучей, оказывает значительное, нередко решающее влияние на цвет предмета. Предметам живой и неживой природы придают окраску, цвет особые химические вещества, обладающие свойством избирательного поглощения лучей, называемые красящими веществами — красителями, или пигментами. Таковы хлорофилл — пигмент, действующий в процессе фотосинтеза, родопсин и йодопсин — зрительные пигменты.

Наконец, остановимся на роли рассеяния света. В древние времена люди считали небо действительно существующим голубым куполом, опирающимся на плечи титана Атланта. Небесный свод фигурировал в качестве библейской «тверди» и «небесных сфер» в древних геоцентрических системах мира. Средневековые схоласты спорили о характере материала, из которого он изготовлен. Одни из них склонялись мыслью к стеклу и хрусталю, другие — к драгоценным камням синего цвета (сапфиру и др.).

Правильное представление о небе было дано великим ученым эпохи Возрождения Леонардо да Винчи: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху темнотой». Сейчас гениальное предвидение философа подтверждено экспериментально. Космонавты, пройдя плотные слои атмосферы, видели над собой абсолютно черное небо, на котором одновременно сияли Солнце, Луна и звезды.

Научное объяснение голубого цвета неба было дано в работах английского физика лорда Рэлея (Дж. У. Стретта) в 1871 г. Оказалось, что молекулы газов воздуха, точнее их конгломераты, рассеивают лучи Солнца. Чем короче волны лучей, тем сильнее они рассеиваются. Синие и фиолетовые лучи рассеиваются вдвое интенсивнее, чем красные. Поэтому, когда мы смотрим на небо, мы видим рассеянные лучи, среди которых преобладают голубые, синие и фиолетовые. Зато диск Солнца по мере приближения к закату становится все более красным: чем длиннее путь света в атмосфере, тем относительно больше в его составе красных и оранжевых лучей.

Чем выше поднимается человек над поверхностью Земли, тем гуще, синее становится окраска неба. Крупные частицы вещества (пылинки, капельки воды) рассеивают все лучи одинаково. В случае, когда этих частиц много, синий цвет неба становится бледным. Поэтому интенсивность окраски небесного свода может быть мерилом чистоты воздуха. Благодаря рассеянию солнечного света воздухом смена дня и ночи происходит не мгновенно, а постепенно. В пасмурные дни освещение создается рассеянной радиацией. Ее существование обеспечивает поступление света к растениям, находящимся в тени. Это явление играет немалую роль в жизни на Земле.