чем обуславливается цвет прозрачного и непрозрачного тела
Чем обуславливается цвет прозрачного и непрозрачного тела
Цвет тела, являющегося самостоятельным источником света, определяется его составом, строением, внешними условиями и процессами, протекающими в этом теле.
Поскольку цвет такого тела связан с составом распространяющегося от него излучения, то, изучив особенности его спектра, можно получить много важных сведений о нем. Цвет вторичных источников света зависит еще и от состава падающего на них излучения.
Вспомним, что цвет прозрачного тела определяется составом того света, который проходит сквозь это тело. Освещая белым светом различные прозрачные тела, можно заметить, что в проходящем свете одни из них остаются бесцветными, а другие имеют окраску. Если с помощью призмы получить спектр того излучения, которое проходит сквозь тело, то будет видно, что в спектре бесцветного тела имеются лучи всех цветов радуги, а спектры окрашенных тел состоят из более или менее широких окрашенных полос нескольких цветов, а иногда и из узкой полосы почти одного цвета. Последнее получается у некоторых светофильтров — цветных стекол, пропускающих лучи одного цвета. Это означает, что многие прозрачные тела неодинаково поглощают излучение различных цветов. Например, красный светофильтр сильно поглощает излучение всех цветов, кроме красного, а желтый — поглощает только красные и фиолетовые лучи.
Каждое вещество имеет свой спектр поглощения. Если прозрачное вещество равномерно поглощает лучи всех цветов, то в проходящем свете при освещении белым светом оно бесцветно, а при цветном освещении оно имеет цвет тех лучей, которыми оно освещено. При очень сильном поглощении лучей всех цветов тело кажется нам черным. Когда тело обладает избирательным поглощением, то при освещении лучами одного из тех цветов, которые оно пропускает, тело окрашено в тот же цвет. Если же это тело освещают такими лучами, которые оно поглощает, то оно становится черным, т. е. непрозрачным.
Цвет непрозрачного тела в отраженном свете определяется смесью лучей тех цветов, которые оно отражает. Если тело равномерно отражает лучи всех цветов радуги, то при освещении белым светом оно кажется белым, а при цветном освещении кажется окрашенным в цвет падающих на него лучей.
Многие непрозрачные тела преимущественно поглощают определенную часть видимого излучения. Поэтому при освещении белым светом они кажутся окрашенными. Если эти тела освещать теми лучами, которые они поглощают, то в отраженном свете они кажутся черными. Часто цвет телу придает окраска его поверхности. Смешение красок создает цвет, отличный от цвета, получающегося при смешении лучей тех же цветов. Напомним, что смешение желтого и синего лучей дает белый свет, а смешение желтой и синей краски окрашивает поверхность в зеленый цвет (см. цветной форзац). Объясняется это тем, что желтая краска отражает только желтые и зеленые лучи, а синяя краска отражает синие и зеленые лучи. Таким образом, обе эти краски вместе отразят только зеленые лучи.
Оказывается, что с помощью смешения трех красок (желтой, синей и пурпурной) можно окрасить поверхность в любой цвет. Поэтому для цветной печати основными являются желтая, синяя и пурпурная краски.
Из изложенного выше следует, что цвет прозрачного тела в проходящем и в отраженном свете может быть совершенно различным. Поскольку окраска тел сильно зависит от состава падающего на них излучения, приобретать окрашенные вещи, например ткани, надо при дневном свете.
Свойства прозрачных тел. Свойства непрозрачных тел?
Какие цвета относятся к коротко-волновой цветовой группе, средне-волновой цветовой группе, длинно-волновой цветовой группе?
Свойства прозрачных тел. Свойства непрозрачных тел?
Свет и цвет в природе
Свет — это видимое излучение, т. е. электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом.
Цвет — одно из свойств материального мира, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. Тот или иной цвет «присваивается» человеком объектам в процессе их зрительного восприятия. В подавляющем большинстве случаев цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения из диапазона длин волн, в котором это излучение воспринимается глазом (видимый диапазон — длины волн от 380 до 760 нм).
Поток лучистой энергии, падая на поверхность, частично проникает в глубь тела и угасает по мере проникновения его в толщу, а частично отражается от поверхности. Степень угасания зависит от характеристики лучевого потока и свойств тела, в котором происходит процесс. В таком случае говорят, что поверхность поглощает лучи.
В зависимости от расстояния, на которое световой луч проникает в глубь тела до полного угасания, все тела условно подразделяют на прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные. Абсолютно прозрачным для всех лучей считают только вакуум. К прозрачным телам относятся воздух, вода, стекло, хрусталь, некоторые виды пластмасс. Металлы принято считать непрозрачными. Фарфор, матовое стекло — полупрозрачные тела.
Вещество или среду называют «прозрачными», если можно сквозь это вещество или среду видеть предметы; в этом смысле веществом прозрачным называют, следовательно, такое, которое пропускает, не поглощая и не рассеивая, лучи всех или некоторых длин волн, действующих на сетчатую оболочку глаза. Если вещество свободно пропускает все или почти все лучи видимого глазом спектра, как, например, вода, стекло, кварц, то называют его «вполне прозрачным»; если же свободно проходят лишь некоторые лучи спектра, другие же поглощаются, то такую среду называют «прозрачной окрашенной», так как в зависимости от пропускаемых средой лучей рассматриваемые через нее предметы кажутся окрашенными в тот или другой цвет; таковы, например, цветные стекла, раствор медного купороса и т. д. Можно соответственной обработкой изменить степень П. среды, не меняя характера пропускаемых ею лучей; так, например, делая поверхность стеклянной пластинки матовой, т. е. покрывая ее сетью мелких неправильных граней, отражающих и рассеивающих свет, можно приготовить пластинку «полупрозрачную», через которую едва видны будут неясно контуры предметов; прибавив к прозрачной среде мелкий порошок вещества иного коэффициента преломления в подвешенном в ней состоянии (молочное стекло, эмульсии) или пропитав жидкостью почти непрозрачное вещество (бумага, пропитанная маслом; минерал гидрофан, пропитанный водой), мы получаем «просвечивающую» среду, через которую не видно уже контуров предметов, но различается еще присутствие источников света. П. среды обусловлена, таким образом, раньше всего количеством поглощаемых и рассеянных при прохождении через среду световых лучей; последнее же зависит от толщины среды, увеличиваясь по мере увеличения толщины пройденного лучами пути.
Весьма тонкие слои непрозрачных веществ (тонкие слои металлов) пропускают некоторое количество света, толстые же слои даже весьма прозрачных тел (вода) могут быть непрозрачны. Коэффициент поглощения зависит для данного вещества от длины волны проходящего света и для лучей различной длины волны у одного и того же вещества может быть весьма различен.
Тела могут быть прозрачными и непрозрачными. Отражение, поглощение, прохождение – могут быть лишь при освещении прозрачных предметов. Определённый цвет предмета фиксируется глазом после взаимодействия света с этим предметом в зависимости от длины волны отражённого цвета.
Так белый лист выглядит белым, потому что он отражает все цвета. Зелёный предмет отражает преимущественно зелёные лучи, синий предмет – синие лучи. Если же предмет поглощает весь упавший на него свет, то он воспринимается как чёрный
Воздушная среда задерживает и рассеивает часть фиолетовых, синих, голубых лучей, почти без помех пропуская остальные. Отсюда результат – синее небо над нашей головой. Утренние и вечерни зори окрашены в тёплые тона, так как солнечный свет, пробиваясь сквозь более толстый слой атмосферы, теряет много холодных лучей. И снег на вершинах гор, освещённых солнцем, кажется розоватым, благодаря тому, что яркий свет, отражённый белой поверхностью, по пути к нам лишается также части коротковолновых (холодных) лучей.
Отражение лучей. Луч света, падая на гладкую поверхность, отражается от нее под тем же углом, т.е. угол падения луча равен углу его отражения. По характеру отражения лучей света поверхности делят на зеркальные, глянцевые и матовые.
Зеркальные поверхности отражают практически весь лучевой поток под тем же углом к поверхности, не рассеивая его.
Глянцевые поверхности, например окрашенные эмалевыми красками, отражают значительную часть лучей в направлении, близком к зеркальному, несколько рассеивая их. Примером такого рода поверхностей являются поверхности, окрашенные эмалевыми красками.
Матовые поверхности рассеивают лучи света в результате некоторой шероховатости (например, свежая высохшая штукатурка, стена, покрытая клеевой краской, неокрашенное дерево).
Прозрачное и непрозрачное
И тут помещение озарилось ее визгом.
Из интернета
Как вы, наверное, догадываетесь, свет нужен для того, чтобы видеть. Деление веществ и вообще всего, что нас окружает, на прозрачное и непрозрачное возникло исторически. Человеку было важно увидеть объект, т.е. нечто непрозрачное, светорассеивающее, отражающее или излучающее, причем увидеть через прозрачную среду — атмосферу (всегда) и иногда плюс через вакуум (чтобы любоваться Луной) или воду (при охоте с берега острогой). Потом, по мере развития оптики (лупы, очки, телескопы) и индустрии красоты (зеркала), это деление упрочилось. Поэтому в учебнике все вещества делят на прозрачные и прочие. Оптические свойства прозрачных сред характеризуют коэффициентом преломления и упоминают про его зависимость от длины волны, т.е. про дисперсию света. А о прочих, т.е. непрозрачных, веществах в учебнике ничего не говорится, лишь упоминаются зеркала — как элемент оптических систем. Хотя зеркальных поверхностей в природе почти и нет, но вот два примера и связанный с ними вопрос.
Вопрос 1. Что изображено на рисунках 1 и 2 и почему изображения такие?
Редкость в природе зеркальных поверхностей — наше счастье: мы видим объекты в результате рассеивания ими света, реже в результате излучения (Солнце, молния, светлячки). Единственное, когда нашим предкам было нужно отражение, это чтобы увидеть глаза животных в темноте. Мир, в котором у поверхностей зеркальное отражение преобладает над рассеиванием (попробуйте себе это представить), был бы весьма сложен для ориентации. Мозгу пришлось бы все время разбираться: то, что мы видим, оно там, где мы видим, или где-то в другом месте (например, о ужас, позади нас), или на полпути? В такой «комнате смеха» нам было бы не до смеха. Или мозг построил бы внутри себя мощный программный пакет для работы с такими изображениями?
Вопрос 2. Как можно было бы действовать в таком мире?
Но как же было бы страшно инопланетянину, попавшему из своего преимущественно зеркального мира в наш обычный бедный преимущественно рассеивающий мир! В мире без отражения и без рассеивания вполне можно было бы жить при условии сверхширокополосного зрения — от нашего видимого диапазона до, скажем, длины волны 50 мкм. Тогда бы мы видели все объекты в их собственном тепловом излучении (вспомним закон Вина).
Представление об окружающем мире человек на протяжении всей истории создавал в основном с помощью зрения в диапазоне длин волн примерно от 0,38 мкм до 0,76 мкм. Могло ли оно быть устроено как-нибудь иначе, работать на других принципах? Например, змеи и летучие мыши имеют другие «зрения» — инфракрасное и ультразвуковое соответственно.
Вопрос 3. Может ли человек воспользоваться их методами? А может быть, существуют еще какие-то «зрения», которые не освоил никто?
Змеи пошли по пути камеры-обскуры именно потому, что для инфракрасного (ИК) диапазона с длиной волны, грубо говоря, от микрона до миллиметра, нет оптических материалов, из которых можно было бы сделать линзы (см. в интернете инфракрасное зрение змей). Рентген не поглощается атмосферой, но генерация рентгеновского излучения не доступна биологическому объекту и для рентгеновского диапазона нет доступных оптических материалов. Что касается акустической локации, то, если укоротить волну (т.е. поднять частоту) порядка на четыре, разрешающая способность такого гиперзвукового зрения могла бы стать лишь на порядок хуже, чем электромагнитного, но гиперзвук с такими частотами поглощается в воздухе.
Зрение вообще, т.е. возможность получать информацию об окружающих объектах, определяется двумя главными параметрами — дальностью действия и разрешающей способностью. Для того чтобы видеть далеко, нужна высокая чувствительность глаза — чем объект дальше, тем слабее сигнал. Чувствительность глаза имеет предел — сами клетки реагируют на одиночный квант, мозг же для борьбы с шумами обрабатывает сигналы так, что фиксирует вспышку, если в течение 0,1 с на разные клетки глаза попадет 5–7 фотонов. Увы, эффективность оптической системы глаза около 15% — глаз пропускает не все фотоны и чувствительные клетки поглощают не все кванты, которые в них попали. Иными словами, чтобы мозг что-то «увидел», до глаза в течение указанного времени должно долетать несколько десятков фотонов. Кстати, многие ночные животные имеют сзади чувствительных клеток отражающий слой. Так поступили, например, наши друзья — кошки (рис. 3).
Люди пошли по другому пути, создали усилители яркости и приборы ночного видения. Но все равно есть внешние ограничения. В чистом воздухе человек видит горизонт, до которого (если стоять на поверхности идеального шара) примерно пять километров (а на Луне?). Более того, человек видит горизонт, поднявшись на самую высокую гору, а в этом случае до него более трехсот километров. В идеально чистом воздухе за счет рассеивания света на флуктуациях плотности дальность зрения ограничена примерно такой же величиной, но это случайное совпадение. Иными словами, рассеивание света в атмосфере, то самое, из-за которого небо голубое, при расстоянии в триста километров создает такой фон, что объекты не будут видны в этом мареве. А была бы толщина атмосферы в 30 раз больше, чем сейчас, и не было бы у нас астрономии, и картина мира еще долго была бы иной. Именно этим — рассеиванием на флуктуациях плотности — определяются минимальные потери в оптоволокне, в световодах, так называемые релеевские потери. Вообще, потери в световодах — актуальная и активно исследуемая область. По одной простенькой причине: по оптоволоконным линиям перекачивается большая часть всей — вообще всей! — информации, которую пересылает человечество.
В космическом пространстве зрению раздолье — самые далекие звезды, которые человек видит без применения оптических инструментов, находятся на расстоянии около десяти тысяч световых лет. Но между Землей и Космосом в смысле применения зрения есть принципиальная разница. То, что мы видим на Земле, дало возможность построить хоть и ограниченную, но правильную картину мира. Там, где человек видел гору, действительно было трудно влезать, а где видел реку, там были вода, рыба и голодные крокодилы. Но чтобы разобраться хотя бы в самых общих чертах в том, что мы видим в Космосе, потребовалось создать телескопы и другие оптические инструменты. Главное — потребовалась физика.
А что было бы, если бы дальность действия зрения была существенно меньше? Например, не километры, а метры — вследствие, скажем, меньшей прозрачности атмосферы? Изменилась бы тактика освоения земной поверхности — никаких плаваний по морям, тем более никаких полетов. Человек стал бы строить свои сооружения (и здания, и дороги) последовательно и по возможности непрерывно «наползая» цивилизацией на поверхность Земли и лишь потом надстраивая свои сооружения вверх. Общество могло бы развиваться, техника и наука тоже, но представление о планете в целом если бы и возникло, то много позже. А представление о Космосе не возникло бы вообще — до момента, когда цивилизационная кожура доросла бы до границ атмосферы. Что по причине ограниченной прочности стройматериалов вообще было бы проблематично. Мы видим, что возможность «дальновидения» существенно влияет на облик цивилизации.
Нам повезло — Солнце излучает в диапазоне прозрачности земной атмосферы. Свети оно в той части ультрафиолетового или инфракрасного диапазона, в которых атмосфера не прозрачна, мы жили бы в темноте. Или свети оно, как светит, но атмосфера состояла бы из газов, не прозрачных в указанном диапазоне, — результат был бы тот же. Излучай Солнце на существенно больших длинах волн, трудно было бы создать чувствительный «глаз» (энергия кванта меньше), но даже если бы это произошло, проблемно было бы получить большое пространственное разрешение. Словом, нам крупно повезло. А как обстоят дела у инопланетян?
Для начала ограничимся рассмотрением газовой или жидкой среды. В твердой среде процессы идут существенно медленнее, и жизнь скорее всего не успела бы развиться и за астрономические времена. Солнце — любое солнце — это широкополосный источник излучения, а поглощение излучения газами всегда захватывает какую-то часть спектра. Поглощение электромагнитного излучения атомами и молекулами основано на переходах электронов с орбиты на орбиту и на резонансе при колебаниях молекул, поэтому у разреженных газов спектральные линии (и поглощения, и излучения) относительно узкие (в проводниках и полупроводниках излучение поглощается еще из-за наличия свободных электронов). При увеличении концентрации линии расширяются, но до какой степени — это зависит от рода газа, типа колебаний и концентрации. Существуют окрашенные газы, т.е. заметно поглощающие излучение в пределах оптического (для нас с вами) диапазона. Таких газов немного, все они (для нас с вами) ядовиты, а наиболее хороший и широкополосный поглотитель — это бром Br2. Он поглощает все оптическое длиннее 0,35 мкм.
Вопрос 5. Какое «солнце» желательно иметь в этом случае?
Кстати, насчет поглощения в обычной атмосфере. Если нас интересует широкий диапазон длин волн, то он представлен на рисунке 4. Чисто газовая атмосфера (смысл этой осторожной оговорки скоро узнаем), состоящая из газов, не противоречащих жизни, прозрачна. Что касается жидких сред, то ситуация довольно смутная. Потому что окрашенные жидкости, которые мы встречаем в быту, например чернила, кровь, некоторые овощные и фруктовые соки, окрашены не сами по себе, а красителями — т.е. малыми добавками красящих веществ к воде. Особая ситуация с нефтью — это смесь углеводородов, из которых одни прозрачны, а другие поглощают излучение, вот от концентрации вторых и зависит цвет. Про то, какие вещества — красители и как от структуры молекул зависит поглощение света, химики могут долго и интересно рассказывать (начало рассказа — опять же, про резонанс), но так или иначе непрозрачные жидкости, в которых жизнь возможна, существуют. Чем, например, вам плох как среда обитания смородиновый или гранатовый сок? Отрастить жабры — и вперед, юные Ихтиандры!
Но это все в однородной среде, а бывают неоднородные. А что вы скажете об атмосфере с таким сочетанием температуры и давления, что для какого-то из ее веществ — да хотя бы для воды H2O — мы как раз попадаем на линию раздела газ — жидкость на диаграмме состояний? Например, атмосфера в основном кислородная, давление, 0,05 атм и температура 40°C? Для нас немного жарковато и кислорода меньше, чем хотелось бы, но вода в морях-океанах все время по-тихому кипит и в воздухе висят (потому что веет слабый ветерок от горячей почвы) микрокапли воды. Жизнь вполне возможна, даже белковая. А как насчет видимости?
Вопрос 6. Кстати, если у нас в воздухе имеются какие-то частички, например капли, то от чего зависит расстояние видимости и как его посчитать?
А еще лучше, если мы, двигаясь по линии контакта жидкости и газа, доберемся до критической температуры, когда разница между ними исчезает. В этой точке у нас будет такая критическая опалесценция, что вообще носа своего не увидим — одни флуктуации плотности и рассеяние излучения. Такое же рассуждение применимо к рассеиванию в неоднородных жидкостях, например эмульсиях, когда в одной жидкости плавают маленькие капельки другой, или в суспензиях, когда плавают твердые частицы, или в пене, когда много пузырьков. Но во всех случаях нам нужно знать оптические свойства всех материалов — участников ситуации.
Вопрос 7. А если коэффициенты преломления, например, совпадают, то что?
Есть совсем простой общеизвестный пример эмульсии, которая прекрасно рассеивает свет, — это молоко. Рассеивают свет и твердые тела, если они неоднородны, причем размер неоднородностей сравним с длиной волны или больше. Пример — стекло. Обычное аморфное стекло прозрачно (если в него не добавлены светорассеивающие частички). Если же стекло кристаллизовать, оно станет светорассеивающим, матовым, свет будет рассеиваться на границах кристаллов. Но если кристаллизовать стекло так, чтобы кристаллики были очень мелкими, в десятки нанометров и менее, т.е. много меньше длины волны, то при соблюдении еще некоторых условий оно станет прозрачным. Сейчас его называют «наноситалл», пишут о нем всякие глупости и — если он цветной — рекламируют как ювелирный «камень».
Рассеивание излучения характеризуют диаграммой направленности, т.е. зависимостью мощности от угла; рисуют ее, естественно, в полярных координатах. При чисто зеркальном отражении — это узкая «игла» под тем же углом, под которым прилетело излучение. При чисто диффузном отражении от хаотично шероховатой поверхности мощность пропорциональна косинусу угла относительно нормали (закон Ламберта). В реальной ситуации всегда имеется смесь того и другого, даже идеально полированная поверхность отражает не чисто зеркально. В некоторых источниках указывается, что идеально полированное стекло рассеивает 10 −3 процента, идеально полированный металл — 10 −2 –10 −1 процента. Наверное, конкретная цифра зависит от степени и смысла «идеальности».
1. Солнечная или, что романтичнее, лунная дорожка на воде, изображенная на первом рисунке в статье, это известная задача. Ширина и длина дорожки, т.е. углы наблюдения, зависят от положения источника света и наблюдателя и диапазона наклонов поверхности волн. На втором рисунке вы видите рыбу, отраженную от поверхности воды. Снимок сделан из-под воды. А почему поверхность кажется зеркальной? Потому что это так называемое полное внутреннее отражение. Правда, в индустрии красоты им воспользоваться будет затруднительно. Попробуйте разобраться, почему.
2. Первая простейшая мысль такова. Если мы подозреваем, что видимое нами это мнимое изображение, то просто надо посмотреть на то место, где должен быть объект. А если это невозможно, может быть, поможет перемещение, например, глаза? Но нет, изображение не переместится. А вот поискать дубликат может помочь. Правда, бывают катастрофические ситуации, когда мнимые изображения сливаются. Когда?
3. Ультразвуковое «зрение» летучих мышей и дельфинов человек освоить мог бы. Но при частоте, например, 30 кГц и скорости звука в воздухе 300 м/с получается длина волны 1 см. Будет примерно такая разрешающая способность — это очень плохо. В воде скорость звука втрое больше, но дельфины работают на более высокой частоте, в итоге получается примерно то же. Инфракрасное «зрение» змей освоить вроде бы можно, вопрос в том, из чего и как сделать «глаз». То, как он реализован у змей, дает, несмотря на змеиную мудрость, низкую разрешающую способность. В ультрафиолете видеть вообще не получится — ближний ультрафиолет вреден, а дальний (короче 0,2 мкм) поглощается атмосферой.
4. Как зачем? Чтобы «глаза светились в темноте»! А на самом деле — чтобы вернуть непоглощенные кванты в клетку, вдруг она их поглотит. Если при одном проходе поглощается 30–50% исходного излучения, то при втором добавится еще 20–25% от исходного. Понятно, почему? А, скажем, интерференционное покрытие может что-то дать? Может, но немного — от поверхности хрусталика отражаются единицы процентов.
5. Которое светит в ультрафиолете. А для этого оно должно быть холоднее или теплее? Согласно закону Вина, длина волны, на которой плотность мощности максимальна, обратно пропорциональна температуре. Чтобы уполовинить длину волны, надо удвоить температуру фотосферы. Это будет спектральный класс А. Например, это может быть α Лиры (Вега) или α Большого Пса (Сириус). Шикарные звездочки.
7. Если коэффициенты преломления совпадают, то рассеивания не будет. А что будет, если коэффициенты преломления зависят от длины волны, причем при какой-то они совпадают? На этой длине волны будет прозрачность. Кстати, а может за прозрачным объектом быть тень? Странный вопрос. Например, за любой лупой есть тень — раз есть перераспределение потока, то возможна и тень.