Moderna fizička optika svjetlost posmatra kao neku vrstu elektromagnetnih valova koje percipira ljudsko oko. Drugim riječima, možemo reći da je svjetlost vidljivo elektromagnetno zračenje.

vidljivo svetlo

Kao što znate, elektromagnetski talasi se razlikuju po frekvenciji i talasnoj dužini. I ovisno o ovim vrijednostima, elektromagnetno zračenje se dijeli na frekvencijske opsege.

Izvan fizičke optike, koncept "svjetlosti" uključuje i elektromagnetne valove, ne vidljivo oku ljudski, u infracrvenom opsegu sa talasnom dužinom od 1 mm - 780 nm i frekvencijom od 300 GHz - 429 THz i u ultraljubičastom opsegu sa talasnom dužinom od 380 - 10 nm i frekvencijom 7,5 10 14 Hz - 3 10 16 Hz .

Zovu se infracrveno, vidljivo i ultraljubičasto zračenje optičko područje spektra. Gornja granica optičkog opsega je dugotalasna granica infracrvenog zračenja, a donja granica kratkotalasna granica ultraljubičastog zračenja. Dakle, opseg optičkog zračenja je od 1 mm do 10 nm.

Kako nastaje svjetlost? Ispostavilo se da nastaje kao rezultat procesa koji se odvijaju unutar atoma kada se njihovo stanje promijeni. Ovo stvara tok čestica zvanih fotoni. Oni nemaju masu, ali imaju energiju.

Ispostavilo se da svjetlost istovremeno ima svojstva elektromagnetnog vala i svojstva diskretnih čestica - fotona.

Izvori svjetlosti

Svako tijelo koje emituje elektromagnetne valove s frekvencijom koja se nalazi u opsegu vidljivo svetlo, može se nazvati izvorom svjetlosti. Svi izvori svjetlosti dijele se na prirodne, koje je stvorila sama priroda, i umjetne koje stvaraju ljudi.

Najvažniji prirodni izvor svjetlosti na Zemlji je, naravno, Sunce. Daje nam ne samo svjetlost, već i toplinu. Zahvaljujući energiji sunčeve svetlosti, život postoji na našoj planeti. Svjetlost emituju Mjesec, zvijezde, komete i druga kosmička tijela. Izvori prirodne svjetlosti mogu biti ne samo tijela, već i prirodne pojave. Tokom grmljavine vidimo kako moćna svjetlost obasjava sve oko bljeska munje. Polarna svjetla, svijetleći živi organizmi, minerali, itd. - to je također prirodni izvori Sveta.

Prvi i najstariji umjetni izvor svjetlosti može se nazvati vatrom. Kasnije su ljudi naučili koristiti druge vrste goriva i stvarati prijenosne izvore svjetlosti: svijeće, baklje, uljanice, plinske lampe itd. Svi ovi izvori su bili zasnovani na sagorijevanju i zajedno sa svjetlom emitovali su veliku količinu topline.

Izumom električne energije pojavile su se električne sijalice koje ljudi i danas koriste kao izvore svjetlosti.

geometrijska optika

Širenje svjetlosti u prozirnom mediju, njegovo odbijanje od površina koje reflektiraju ogledalo, prelamanje na granici dva prozirna medija odvija se prema određenim zakonima, čijim se proučavanjem bavi geometrijska optika.

Za proučavanje različitih svjetlosnih fenomena u geometrijskoj optici koriste se koncepti kao što su tačkasti izvor svjetlosti i svjetlosni snop.

Osnovni koncept geometrijske optike je svjetlosni snop .

Obična lampa ravnomjerno širi svjetlost u svim smjerovima. Pokrijmo ovu lampu neprozirnim materijalom na način da svjetlost koju emituje može proći samo kroz malu usku rupu. Kroz njega će proći uski svjetlosni tok, usmjeren duž prave linije. Ova linija duž koje se širi svjetlosni snop naziva se svjetlosni snop. Smjer ove grede ne ovisi o njenim poprečnim dimenzijama.

Svijeće, lampioni, lampe i drugi izvori svjetlosti su prilično velike veličine u poređenju sa razdaljinom preko koje putuje njihova svetlost. Oni se nazivaju prošireni izvori svjetlosti . Tačkasti izvor svjetlosti izvorom se smatra veličina koja se može zanemariti u odnosu na udaljenost do koje ova svjetlost doseže. Na primjer, kosmička zvijezda, koja je zapravo ogromna, može se smatrati tačkastim izvorom svjetlosti, budući da je udaljenost na kojoj se ovo svjetlo širi je ogromna u odnosu na veličinu same zvijezde.

Razmotrite osnovne zakone geometrijske optike.

Zakon pravolinijskog širenja svjetlosti

U providnom homogenom mediju, svjetlost se širi pravolinijski. Dokaz ovog zakona je eksperiment u kojem svjetlost iz tačkastog izvora prolazi kroz malu rupu na ekranu. Kao rezultat, formira se uski svjetlosni snop, au ravnini koja se nalazi iza ekrana paralelno s njim, pojavljuje se pravilan svjetlosni krug sa središtem na pravoj liniji duž koje se svjetlost širi.

Postavite mali predmet između izvora svjetlosti i ekrana. Na ekranu ćemo vidjeti sjenu ovog objekta. Shadow je područje u koje svjetlosni snop ne dopire. Njegov izgled se objašnjava pravolinijskim širenjem svjetlosti. Ako je izvor svjetlosti tačka, tada se formira samo sjena. Ako su njegove dimenzije prilično velike u odnosu na udaljenost do objekta, tada se stvaraju sjena i polusjena. Uostalom, u ovom slučaju svjetlosni zraci dolaze iz svake tačke izvora. Neki od njih, padajući u područje sjene, ističu njegove rubove i na taj način stvaraju penumbra - područje u koje djelomično padaju svjetlosni zraci.

Zakon pravolinijskog širenja objašnjava prirodu Sunčevog i pomračenje Mjeseca. Pomračenje Sunca nastaje kada je mjesec između sunca i zemlje, a sjena mjeseca pada na zemlju.

Zakon pravolinijskog širenja svjetlosti koristili su stari Grci prilikom postavljanja stupova. Ako su stupovi postavljeni strogo u pravu liniju, tada će najbliži od njih vizualno pokriti sve ostale.

Zakon refleksije svjetlosti

Ako se na putu svjetlosnog snopa naiđe na reflektirajuću površinu, tada svjetlosni snop mijenja svoj smjer. Upadne i reflektirane zrake i normala (okomita) na reflektirajuću površinu, rekonstruirana na mjestu upada, leže u istoj ravni. Ugao između zraka podijeljen je ovom normalom na dva jednaka dijela. Najčešća formulacija zakona refleksije je: Upadni ugao jednak je uglu refleksije". Ali ova definicija ne ukazuje na smjer reflektiranog snopa. U međuvremenu, reflektirani snop će ići u suprotnom smjeru od upadnog snopa.

Ako su dimenzije površinskih nepravilnosti manje od valne dužine svjetlosti, tada će se zraci koji upadaju u paralelnu struju reflektirati zrcalno i također će ići u paralelnim strujama.

Ako dimenzije nepravilnosti prelaze valnu dužinu, tada će se uski snop raspršiti, a reflektirane zrake će ići u različitim smjerovima. Ova refleksija se zove difuzno, ili rasuti. Ali, uprkos nasumičnom rasipanju, zakon refleksije je takođe ispunjen u ovom slučaju. Za bilo koju zraku, ugao upada i ugao refleksije će biti jednaki.

Zakon prelamanja svetlosti

Umočite olovku u šolju vode. Vizuelno nam se čini da se na površini vode prelomio na dva dijela. U stvari, olovci se ništa nije dogodilo. Razlog je što snop svjetlosti pada na površinu vode pod jednim uglom, a pod drugim ide dublje u vodu. Zbog toga su veličina i lokacija fizičkih tijela izobličena.

Promjena smjera svjetlosnog snopa na međuprostoru između dva medija providna svjetlosnim valovima pozvao refrakcija Sveta.

Zakon koji opisuje prelamanje svjetlosnih valova naziva se Snellov zakon(Snell ili Snell) nazvan po svom autoru, holandskom matematičaru Willebrordu Snelu, koji ga je otkrio 1621. godine.

Prema ovom zakonu, ugao upada svetlosti na interfejs i ugao prelamanja su povezani relacijom:

n 1 sinƟ 1 = n 2 sinƟ 2 ,

ili grijeh Ɵ 1 / grijeh Ɵ 2 = n 2 / n 1 ,

gdje n 1 je indeks prelamanja medija iz kojeg svjetlost pada na sučelje;

Ɵ 1 je ugao između svjetlosnog snopa koji pada na sučelje i normale na ovu površinu;

n 2 - indeks prelamanja medija u koji svjetlost ulazi nakon interfejsa;

Ɵ 2 je ugao između zraka koji prolazi kroz sučelje i normale na ovu površinu.

Indeks loma medija je omjer brzine svjetlosti u vakuumu i njene brzine u datom mediju:

n = c/v

Što se više razlikuje od jedinice, veći će biti ugao otklona svetlosnog snopa tokom prelaska iz vakuuma u medij.

Stav n 2 / n 1 pozvao relativni indeks prelamanja .

Svjetlosni snop koji ulazi u gušći medij formira manji ugao s normalom na ovu površinu, odnosno lomi se prema dolje. Ali u stvarnosti se čini da je ovaj ugao, naprotiv, veći od upadnog ugla. Kao rezultat toga, uočavamo distorziju u veličini, obliku i lokaciji objekata. Predmeti u vodi nam se čine većim nego što zaista jesu i smješteni su više. Dakle, kupači često griješe kada procjenjuju dubinu rezervoara. Oni vide dno uzdignuto, a dubina im se čini manjom.

Zbog prelamanja sunčeve svjetlosti u atmosferi, izlazak sunca promatramo nešto ranije, a zalazak sunca nešto kasnije nego što bi se ove pojave dogodile da nema atmosfere.

Na osnovu fenomena refrakcije grade se sočiva foto i filmskih kamera, mikroskopa, teleskopa, dvogleda i drugih optičkih instrumenata, koji uključuju optička sočiva ili prizme.

Kada svjetlost prelazi iz gušće sredine u manje gustu (na primjer, iz vode u zrak), može se uočiti totalna unutrašnja refleksija svetlosnog snopa . Javlja se kada je upadni ugao jednak određenoj vrijednosti tzv granični ugao totalna unutrašnja refleksija . U ovom slučaju, upadne zrake se potpuno reflektuju od interfejsa. Prelomljene zrake potpuno nestaju.

Ovaj fenomen se koristi u LED diodama s vlaknima, koje su napravljene od optički prozirnog materijala. Vrlo su tanke niti. Svjetlost koja ulazi u njih potpuno se odbija od unutrašnjih bočnih površina i širi se na velike udaljenosti.

Geometrijska optika razmatra svojstva svjetlosti bez uzimanja u obzir njene valovne teorije i kvantne pojave. Naravno, ne može precizno opisati optičke fenomene. Ali pošto su njegovi zakoni mnogo jednostavniji od generaliziranih talasnih zakona, on se široko koristi u proračunu optičkih sistema.

Vidljivo zračenje- elektromagnetski talasi koje percipira ljudsko oko, a koji zauzimaju deo spektra sa talasnom dužinom od približno 380 (ljubičasta) do 740 nm (crvena). Takvi valovi zauzimaju frekvencijski raspon od 400 do 790 teraherca. Elektromagnetno zračenje sa ovim talasnim dužinama se takođe naziva vidljivo svetlo, ili jednostavno svjetlo(u užem smislu riječi). Ljudsko oko je najosjetljivije na svjetlost na 555 nm (540 THz), u zelenom dijelu spektra.

Vidljivo zračenje ulazi i u "optički prozor", područje spektra elektromagnetnog zračenja koje Zemljina atmosfera praktično ne apsorbira. Čist vazduh raspršuje plavu svetlost malo više od dužih talasnih dužina (prema crvenom kraju spektra), tako da podnevno nebo izgleda plavo.

Mnoge vrste životinja mogu vidjeti zračenje koje nije vidljivo ljudskom oku, odnosno nije uključeno u vidljivi raspon. Na primjer, pčele i mnogi drugi insekti vide svjetlost u ultraljubičastom rasponu, što im pomaže da pronađu nektar na cvijeću. Biljke oprašene insektima su u boljem položaju u smislu razmnožavanja ako su svijetle u ultraljubičastom spektru. Ptice također mogu vidjeti ultraljubičasto svjetlo (300-400 nm), a neke vrste čak imaju oznake na svom perju kako bi privukle partnera, vidljive samo u ultraljubičastom svjetlu.

Vidljivi spektar

Kada se bijeli snop razloži u prizmu, formira se spektar u kojem se zračenje različitih valnih dužina lomi pod različitim uglovima. Boje uključene u spektar, odnosno one boje koje se mogu dobiti svjetlosnim valovima jedne valne dužine (ili vrlo uskog raspona), nazivaju se spektralnim bojama. Glavne spektralne boje (koji imaju svoje ime), kao i karakteristike emisije ovih boja, prikazane su u tabeli:

Vidljivo zračenje - elektromagnetski valovi koje percipira ljudsko oko, a koji zauzimaju područje spektra s valnim dužinama od približno 380 (ljubičasto) do 780 nm (crveno). Takvi valovi zauzimaju frekvencijski raspon od 400 do 790 teraherca. Elektromagnetno zračenje takvih talasnih dužina naziva se i vidljiva svetlost, ili jednostavno svetlost (u užem smislu reči). Ljudsko oko je najosjetljivije na svjetlost na 555 nm (540 THz), u zelenom dijelu spektra.

Vidljivo zračenje ulazi i u "optički prozor", područje spektra elektromagnetnog zračenja koje Zemljina atmosfera praktično ne apsorbira. Čist vazduh raspršuje plavu svetlost malo više od dužih talasnih dužina (prema crvenom kraju spektra), tako da podnevno nebo izgleda plavo.

Mnoge vrste životinja mogu vidjeti zračenje koje nije vidljivo ljudskom oku, odnosno nije uključeno u vidljivi raspon. Na primjer, pčele i mnogi drugi insekti vide svjetlost u ultraljubičastom rasponu, što im pomaže da pronađu nektar na cvijeću. Biljke oprašene insektima su u boljem položaju u smislu razmnožavanja ako su svijetle u ultraljubičastom spektru. Ptice također mogu vidjeti ultraljubičasto svjetlo (300-400 nm), a neke vrste čak imaju oznake na svom perju kako bi privukle partnera, vidljive samo u ultraljubičastom svjetlu.

Prva objašnjenja spektra vidljivog zračenja dali su Isak Njutn u knjizi "Optika" i Johan Gete u delu "Teorija boja", ali je i pre njih Rodžer Bejkon posmatrao optički spektar u čaši vode. Samo četiri stoljeća nakon toga, Newton je otkrio disperziju svjetlosti u prizmama.

Njutn je prvi put upotrebio reč spektar (lat. spectrum - vizija, izgled) u štampi 1671. godine, opisujući svoje optičke eksperimente. On je primijetio da kada snop svjetlosti udari u površinu staklene prizme pod uglom u odnosu na površinu, dio svjetlosti se reflektira, a dio prolazi kroz staklo, formirajući trake različitih boja. Naučnik je sugerisao da se svjetlost sastoji od struje čestica (korpukula) različitih boja, te da se čestice različitih boja kreću različitim brzinama u providnom mediju. Prema njegovoj pretpostavci, crvena svjetlost putuje brže od ljubičaste, te se stoga crveni snop nije skretao na prizmu toliko koliko ljubičasti. Zbog toga je nastao vidljivi spektar boja.

Newton je podijelio svjetlost u sedam boja: crvenu, narandžastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu. Broj sedam je odabrao iz vjerovanja (koje potiče od starogrčkih sofista) da postoji veza između boja, nota, predmeta Solarni sistem i dane u sedmici. Ljudsko oko je relativno slabo osjetljivo na indigo frekvencije, pa ga neki ljudi ne mogu razlikovati od plave ili ljubičaste. Stoga se nakon Newtona često predlagalo da se indigo ne smatra nezavisnom bojom, već samo nijansom ljubičaste ili plave (međutim, još uvijek je uključen u spektar u zapadnoj tradiciji). U ruskoj tradiciji, indigo odgovara plavoj boji.

Goethe je, za razliku od Newtona, vjerovao da spektar nastaje kada se različite komponente svjetlosti superponiraju. Promatrajući široke snopove svjetlosti, otkrio je da se prilikom prolaska kroz prizmu na rubovima snopa pojavljuju crveno-žuti i plavi rubovi, između kojih svjetlost ostaje bijela, a spektar se pojavljuje ako se te ivice dovoljno približe jedna drugoj. .

U 19. stoljeću, nakon otkrića ultraljubičastog i infracrvenog zračenja, razumijevanje vidljivog spektra postalo je preciznije.

Početkom 19. veka, Thomas Jung i Hermann von Helmholtz su takođe istraživali odnos između vidljivog spektra i vida boja. Njihova teorija vida boja ispravno je pretpostavila da koristi tri različite vrste receptora za detekciju boje očiju.

Karakteristike granica vidljivog zračenja

Kada se bijeli snop razloži u prizmu, formira se spektar u kojem se zračenje različitih valnih dužina lomi pod različitim uglovima. Boje uključene u spektar, odnosno one boje koje se mogu dobiti svjetlosnim valovima jedne valne dužine (ili vrlo uskog raspona), nazivaju se spektralnim bojama. Glavne spektralne boje (koji imaju svoje ime), kao i karakteristike emisije ovih boja, prikazane su u tabeli:

Vidljivo zračenje je spektar elektromagnetnih oscilacija dugog talasa od 400 do 750 nm, koji se sastoji od sedam boja (narandžasta, crvena, žuta, plava, plava, ljubičasta, zelena). Ovaj tip zračenje je u stanju da izazove fizičko-hemijske reakcije u telu koje su po energetskim parametrima bliske , i koristi se zajedno sa njim. Korištenje vidljivog zračenja u terapeutske i profilaktičke svrhe naziva se kromoterapija.

Djelovanje na tijelo

Kvanti vidljivog zračenja imaju visoku frekvenciju i veliku energiju. To im daje priliku da prebace atome u pobuđeno stanje i povećaju njihovu sposobnost biohemijskih interakcija. Biološki efekat zračenja zavisi od dubine njegovog prodiranja u tkiva. Prodire u kožu do dubine od jednog centimetra i apsorbira se na površini kože. U tom slučaju se oslobađa toplina koja mijenja lokalne metaboličke procese i uzrokuje segmentne reakcije. Kao rezultat, poboljšava se mikrocirkulacija i ishrana tkiva, aktivira se imunogeneza i oslobađanje biološki aktivnih supstanci u krv. Važan uticaj metoda utiče na osobu preko mrežnjače oka, jer se percipira preko organa vida, imajući refleksno i indirektno dejstvo na centralni nervni sistem, a kao rezultat i na mentalne procese u telu.

tretman bojama

Utjecaj boja na osobu je višestruk. Smatra se da su narandžasta, žuta i crvena aktivne boje, dok su plava i ljubičasta pasivne. Utvrđeno je da aktivne boje zamaraju, dok zelena i plava osnažuju. Istovremeno, narandžasta i crvena imaju uzbudljiv učinak na organizam, plava - inhibitorno, a zelena i žuta balansiraju ove procese. Postoji mišljenje da narandžasta boja stimuliše rad bubrega, žuta boja normalizuje arterijski pritisak i funkcionisanje probavnog sistema. Zelena boja normalizuje rad srca, a ljubičasta i plava - rad mozga. Zračenje plavog spektra potiče razgradnju hematoporfirina i koristi se za liječenje neonatalne žutice. Značajan uticaj na ljudski organizam Bijela boja. Zbog njegovog nedostatka zimi mogu se razviti depresivni poremećaji zbog smanjenja dnevnog svjetla.

Terapeutski efekti vidljivog zračenja

1. Poboljšanje opskrbe krvlju i trofizma tkiva.
2. Stabilizacija funkcionisanja ozračenih organa.
3. metabolički efekat.
4. Fotodestrukcija.
5. Normalizacija funkcionisanja nervni sistem i psihoemocionalno stanje pacijenta.

Indikacije za upotrebu

1. Bolesti perifernog nervnog sistema (neuritis, radikularni sindrom).
2. i mišiće.
3. Posljedice traumatskog oštećenja zglobova, ligamentnog aparata.
4. Patološki procesi unutrašnjih organa upalne prirode.
5. Kontrakture, infiltrati.
6. Dugotrajno zarastanje rana.
7. Promrzline.

Kromoterapija crvenom i plavom se koristi u dermatologiji za liječenje akni.

Kontraindikacije

1. Fotoftalmija (akutno oštećenje oka zbog zračenja).
2. Akutni gnojni upalni procesi.
3. Krvarenje.
4. Bolesti krvi.
5. Cirkulatorna insuficijencija.
6. Aktivan.
7. Maligne neoplazme.

Metodologija

Udar se vrši na gole dijelove ljudskog tijela. Izvor svjetlosti mogu biti solarne lampe, medicinski reflektori, LED emiteri. Udaljenost od reflektora do površine područja zračenja određena je vrstom i snagom ovih izvora. Ako se udar vrši na kožu, tada pacijentove oči treba zaštititi posebnim naočalama. Doziranje postupka vrši se prema subjektivnim senzacijama pacijenta i prema gustoći energetskog fluksa. Mogu se koristiti metode psihofiziološke procjene percepcije boja. Trajanje postupaka i njihov broj se biraju pojedinačno. Tretman traje oko 20 minuta i prati ga osjećaj lagane topline. Tok tretmana obuhvata 10 do 20 procedura koje se rade svaki dan. Ako je potrebno, ponovljeni kursevi fototerapije se propisuju nakon 4-5-6 sedmica.

Zaključak

Terapeutski učinak vidljivog zračenja našao je široku primjenu u medicini. Hromoterapija je sigurna i pristupačna metoda liječenja raznih bolesti, koja praktično nema nuspojava i komplikacija. Ova metoda fizioterapije može se uspješno kombinovati sa drugim medicinskim procedurama. Kao rezultat uzimanja fototerapije, pacijenti se osjećaju bolje, poboljšava se njihovo psiho-emocionalno stanje.

Kozmetičarka Julia Orishchenko govori o kromoterapiji:

TV kanal "Rusija-1", program "Jutro Rusije", priča o hromoterapiji:

- Slušaj, zašto ima sedam boja u dugi?
Jer ima sedam nota.
Zašto je narandžasta narandža?
- Trebalo bi da je tako, plavo je...

(Iz razgovora na Fizičkom fakultetu)

Prošle godine sam dobio pismo od učiteljice iz Moskve, u kojem ju je zanimalo zašto ima 7 boja u dugi. Ovo pitanje nije tako jednostavno kao što se čini, a jedno vrijeme je bilo teško čak i za Newtona. Kao što znate, u početku je izdvojio 5 osnovnih boja spektra (crvena, žuta, zelena, plava i ljubičasta), kojima je kasnije dodao narandžastu i indigo.

Predstavnici različitih naroda u svojim jezicima razlikuju različit broj duginih boja, koje se, osim toga, mijenjaju tokom vremena. Na primjer, 1703. godine Kijevljani su ukazivali na 4 dugine boje: "U dugi su svojstva grimizna, plava, zelena i grimizna" ( Kolesov V.V. Istorija ruskog jezika u pričama. - M., Prosv., 1982).

U prirodnim jezicima razlikuju se apsolutne i relativne boje. Apsolutne boje - crna, bijela, crvena, itd., relativne - šargarepa, tamno crvena. Broj apsolutnih boja u jezicima različitih naroda svijeta rijetko je veći od tri desetine, ali postoje jezici u kojima je njihov broj vrlo mali: u jednom od afričkih plemena 2 (tamno i svijetlo), u Maidu jezik sjevernoameričkih Indijanaca Sjeverne Kalifornije - 3 (plavo-zeleno, crveno, žuto-narandžasto-smeđe), u Japanu - 4 (bijelo, crno, crveno, plavo-zeleno), u Kini - 5 (bijelo, crna, crvena, plavo-zelena, žuta). Inače, u Evropi su bile fiksirane 3 "primarne" boje (u početku - crvena, žuta, plava, a kasnije - crvena, zelena i plava), a od vremena Njutna često se govori o 7 boja. Ali čak i u ovom slučaju, boje nisu nužno iste. Na kazahstanskom jeziku, na primjer, duga ima sedam boja, ali boje nisu iste. Boja koja se na ruski prevodi kao plava u kazahstanskoj percepciji je mješavina plave i zelene, žuta je mješavina žute i zelene. Odnosno, ono što Rusi smatraju mješavinom boja, Kazahi smatraju nezavisnom bojom. Američka narandža nikako nije naša narandžasta, već crvena u našem razumijevanju. (Usput, u slučaju boje kose, naprotiv, crvena je crvena.)

Naravno, u stvari, gotovo boje su predstavljene u dugi (osim, na primjer, bijele, crne i srednje sive), a možete odabrati onoliko primarnih boja koliko želite. Zašto je Newton stao u sedam? Najvjerovatnije zato što se Newtonu sedam činilo neobičnim brojem. Da bi svijet izgledao skladnije, tako da broj boja odgovara broju osnovnih tonova u ljestvici. Općenito, ovisno o važnosti pojedinih boja i nijansi u svakodnevnom životu ljudi, neke od njih mogu se manje ili više odraziti na jezik. U kulturama za koje je bitno kontrolirati i procjenjivati ​​stanje uzgojenih biljaka, postoji mnogo riječi za izražavanje nijansi zelene, za sjeverne narode za bijelu, za južne narode za žutu. (Radi kompletnosti, da istaknemo da postoje boje koje uopšte nisu u dugi. Na primer, ljubičasta ili smeđa. Ove boje su mešavina talasa različitih talasnih dužina i nijedan deo duge im ne odgovara .)

I da budem potpuno iskren, onda u prirodi uopće nema cvijeća - samo naša mašta stvara iluziju boje. Talasne dužine vidljive svjetlosti (u rasponu od 380-740 nanometara) mogu se nazvati bilo kojom bojom - nikada neće znati za to. Ali prvo, više o svjetlu.

Svjetlost je elektromagnetno zračenje koje percipira ljudsko oko. U širem smislu, ovaj koncept uključuje i ultraljubičasto i infracrveno zračenje nevidljivo ljudskom oku. Odgovarajuće talasne dužine variraju od 10 nanometara do 0,2 milimetra (vidi sliku). Talasi različitih frekvencija različito se šire. Na primjer, ljudsko tijelo neproziran za vidljivi dio spektra, ali ne predstavlja prepreku x-zrake; infracrvene zrake dužine veće od 1 mikrona ne mogu proći kroz sloj vode debljine nekoliko centimetara, pa se voda koristi kao filter koji štiti od topline.

Reči "elektromagnetno zračenje" znače mnogo, ali neupućenom čitaocu ne znače ništa. Kratka evolucija razumevanja prirode svetlosti je sledeća: krajem 17. veka Isak Njutn je predložio korpuskular, a Kristijan Hajgens - teorija talasa Sveta. Prema korpuskularnoj teoriji, svjetlost je bila struja čestica (korpuskula) koju emituju svijetleća tijela, a kretanje svjetlosnih čestica je bilo podređeno zakonima mehanike. Na primjer, refleksija svjetlosti je shvaćena slično kao i refleksija elastične lopte od ravnine, a prelamanje svjetlosti objašnjeno je promjenom brzine čestica pri prelasku iz jednog medija u drugi. Teorija talasa je svetlost posmatrala kao talasni proces sličan mehaničkim talasima. Teorija se zasnivala na Huygensovom principu, prema kojem svaka tačka do koje talas dosegne postaje centar sekundarnih talasa, a omotač ovih talasa daje položaj fronta talasa u sledećem trenutku.

Kako se kasnije pokazalo, oba pristupa su na zadovoljavajući način objasnila neke fenomene, ali su bila potpuno neprikladna za druge. Maksvel je 60-ih godina 19. veka uspostavio opšte zakone elektromagnetno polje, što ga je dovelo do zaključka da svjetlost nije mehanički, već elektromagnetski valovi. elektromagnetska teorija svetlost je omogućila da se objasne mnoge pojave, kao što su interferencija, difrakcija, polarizacija, pritisak svetlosti. Ali za razumijevanje fenomena zračenja crnog tijela, fotoelektričnog efekta, Comptonovog efekta, bilo je potrebno uvesti kvantne koncepte, a Albert Einstein je 1905. godine, primjenjujući kvantnu hipotezu Maxa Plancka da objasni fenomen fotoelektričnog efekta, predložio da elektromagnetski talas se sastoji od odvojenih delova - svetlosnih kvanta, kasnije nazvanih fotonima.

Dakle, svjetlost je kod nas zamišljena kao oblik materije (kvantno polje), koja nije ni valovi ni struja čestica, već ispoljava svoja svojstva pod određenim uvjetima. Ovaj dualitet se naziva dualitet svetlosti talas-čestica. Da bi se opisali takvi objekti, nastala je kvantna mehanika u kojoj se stanje čestice opisuje valovnom funkcijom.

Šireći se, svjetlost pada, posebno, na retinu - unutrašnju školjku oka, koja sadrži receptore osjetljive na svjetlost. Opažujući elektromagnetno zračenje, fotoreceptori ga pretvaraju u električne impulse i prenose ga kao signal mozgu. Ljudska mrežnica sadrži 110-125 miliona štapića, koji su vrlo osjetljivi na svjetlost i omogućavaju noćni vid, te 6-7 miliona čunjića odgovornih za percepciju boja.

Prema osetljivosti na različite talasne dužine svetlosti, postoje tri vrste čunjeva. Konusi tipa S (kratki - kratki) najosjetljiviji su u ljubičasto-plavom, kratkovalnom dijelu spektra, M-tip (srednji - srednji) - u zeleno-žutom i L-tip (dugi - dugi) - u žuto-crveni, dugovalni dio spektra. Prisustvo ove tri vrste čunjeva i štapića, osjetljivih u smaragdno zelenom dijelu spektra, daje osobi vid u boji. Ovo je „trokomponentna teorija vida boja“ ili „trihromatska teorija percepcije boja“ formulisana u 19. veku (Thomas Jung, Hermann Helmholtz, James Clerk Maxwell).

Zone osetljivosti čunjića srednje i duge talasne dužine se značajno preklapaju, pa čunjići određene vrste ne reaguju samo na svoju boju; samo reaguju na to intenzivnije od drugih.

Noću, kada je protok fotona nedovoljan za normalan rad čunjića, samo štapići daju vid, pa noću čovjek ne može razlikovati boje. Osetljivost štapa je dovoljna da registruje pogodak jednog fotona, osetljivost čunjića je 100 puta manja: od nekoliko desetina do nekoliko stotina fotona mora biti pogođeno. Štapići percipiraju svjetlost uglavnom u smaragdno zelenom dijelu spektra, tako da u sumrak smaragdna boja djeluje svjetlije od svih ostalih.

Štapići reaguju na svjetlost sporije od čunjeva - štap reagira na podražaj u roku od stotinjak milisekundi. To vam omogućava da budete osjetljiviji na manje količine svjetlosti, ali smanjuje vašu sposobnost percipiranja brzih promjena, kao što su brze promjene slike. Kada se dostigne svjetlina neophodna za percepciju boje, visokoosjetljivi receptori sumračnog vida - štapići - se automatski isključuju. Štapići se uglavnom nalaze na rubovima mrežnjače i odgovorni su za periferni vid.

Čunjići mnogo bolje percipiraju brze pokrete. Svjetlosna osjetljivost čunjića nije visoka, stoga je potrebno dovoljno osvjetljenja ili svjetline za dobru percepciju boja. Najbogatiji receptorima za boju su centralni dijelovi retine.

Sada se možemo vratiti konceptu boje. Boja je kvalitativna subjektivna karakteristika elektromagnetnog zračenja u vidljivom opsegu, određena na osnovu nastalog fiziološkog vizuelnog osjeta i ovisno o nizu fizičkih, fizioloških i psihičkih faktora. Percepcija boja je također određena njegovom spektralnom kompozicijom, kontrastom boje i svjetline s okolnim izvorima svjetlosti i nesvjetlećim objektima. Razumijevanje ove činjenice vrlo je važno za dizajnere: žuta na crvenoj pozadini će izgledati zelenkasto-žuta, a plava će poprimiti zelenkastu nijansu.

AT ljudski um boja ima postojanost - fiksirana ideja o boji predmeta kao integralnoj osobini poznatog objekta promatranja. Konkretno, lišće drveća se nesvjesno prepoznaje kao zeleno čak i pod crvenkastim osvjetljenjem pri zalasku sunca. Za uvođenje takve korekcije u nepoznatoj situaciji koriste se površine bijele boje: usporedba s njima kao "standardom", zajedno s prilagodbom oka, omogućava vam nesvjesno uvođenje korekcije za osvjetljenje. Na primjer, uđemo u mračnu prostoriju i vidimo crnu loptu na sivoj krpi, shvatimo da je siva krpa zapravo bijeli stolnjak i pretpostavimo da je crna lopta crvena jabuka. U nedostatku opservacijskog iskustva, senzacije u boji i prosudbe osobe o boji predmeta postaju nesigurne ili pogrešne. Dakle, opisi i pokušaji da se reproducira boja "kozmičkih zora" (izlasci i zalasci sunca na Zemlji, posmatrani sa letelice), koje su napravili različiti astronauti, umnogome se razlikuju jedni od drugih i od boje ovih "zora" zabeleženih na fotografijama. .

Tokom godina, vizija boja svijeta se mijenja. To je zbog postepenog zamućenja sočiva tokom života, zbog čega boje postaju žute. Pričaju priču o Ilji Repinu, koji je na kraju života zamoljen da obnovi svoju sliku, naslikanu mnogo godina ranije. Kakvo je bilo iznenađenje restauratora kada su vidjeli da umjetnik ne odgovara bojom - sada je vidio drugačije.

Štaviše, apsolutno nema načina da provjerimo vidimo li iste boje. Zaista, kada smo bili mali, pitali smo odrasle kako se zove ova ili ona boja. I naučili smo da imenujemo boje koje vidimo kako nam je rečeno. U isto vrijeme, mogli smo vidjeti boje na koje smo pokazali na potpuno drugačiji način od ovih odraslih.

Da biste razumjeli percepciju boja, morate znati za takvo svojstvo naše vizije kao što je metamerizam. Nisu sve dugine boje "nezavisne" jedna od druge. Neki od njih se mogu dobiti miješanjem drugih. Na primjer, ako crveni i zeleni zraci udare u retinu istovremeno, tada ćemo vidjeti jedan snop, a žuta boja i oko neće primijetiti zamjenu (eksperiment se može izvesti pomoću dva projektora, križajući se na bijelom ekranu zraci su prolazili kroz jedno ili drugo staklo u boji). Ovaj fenomen se naziva metamerizam.

Metamerizam je svojstvo vida u kojem svjetlost različitog spektralnog sastava može izazvati osjećaj iste boje. Metamerija boje raste sa smanjenjem njene zasićenosti, tj. što je boja manje zasićena, to je veliki broj kombinacija mješavina zračenja različitog spektralnog sastava, može se dobiti. Bijeli cvjetovi se odlikuju najvećom metamerizmom. Fiziološki, metamerizam vida se zasniva na strukturi perifernog dela vizuelnog analizatora. Ljudski vid je analizator sa tri stimulusa. Ako upoređeni tokovi zračenja različitog spektralnog sastava proizvode isti učinak na čunjeve, tada se boje percipiraju kao iste.

Matematički opis boja označio je početak nove nauke - kolorimetrije. Godine 1853. Hermann Grassmann je formulisao tri zakona sinteze boja: zakon "trodimenzionalnosti", "kontinuiteta" i "aditivnosti". "Zakon trodimenzionalnosti" - svaka boja je jedinstveno predstavljena kao kombinacija tri nezavisne boje (nezavisnost leži u činjenici da se nijedna od ove tri boje ne može dobiti dodavanjem druge dvije). "Zakon kontinuiteta" - uz kontinuiranu promjenu zračenja, boja se također kontinuirano mijenja; stoga, bilo kojoj boji možete pokupiti beskonačno blizu. "Zakon aditivnosti" - boja mješavine zračenja zavisi samo od njihovih boja, ali ne i od spektralnog sastava; to jest, boja mješavine, na primjer, žute i ljubičaste, ne ovisi o mješavini koje su boje, zauzvrat, dobivene ove žute i ljubičaste boje.

Vid u boji karakterističan je za mnoge životinjske vrste. U kičmenjaka (majmuni, mnoge vrste riba, vodozemci), te kod insekata kod pčela i bumbara, vid boja je trobojan, kao i kod ljudi. Kod vjeverica i mnogih vrsta insekata vid boja je dvokomponentan, odnosno zasniva se na radu dvije vrste svjetlosnih detektora, kod ptica i gmizavaca vid je četverokomponentan. Kod insekata, vidljivo područje spektra je pomaknuto prema kratkotalasnom zračenju i uključuje ultraljubičasti opseg. Stoga se svijet boja insekata bitno razlikuje od našeg.

U životinjskom svijetu poznati su analizatori boja sa četiri ili čak pet stimulusa, tako da boje koje ljudi percipiraju kao iste mogu izgledati drugačije kod životinja (npr. ptice grabljivice vide tragove glodara na stazama do jazbina isključivo zbog ultraljubičasta luminiscencija njihovih komponenti urina).

Slična situacija se razvija i sa sistemima za registraciju slike, digitalnim i analognim. Iako su većinom, kao i ljudski vid, trostimulus (tri sloja filmske emulzije, tri vrste ćelija digitalnog fotoaparata ili skenera), njihov se metamerizam razlikuje od ljudskog vida. Stoga se boje koje oko percipira kao iste mogu izgledati drugačije na fotografiji.

Time je potkrijepljena mogućnost (do utjecaja svjetlosnih uslova i subjektivnosti percepcije boje od strane pojedinca) da se razviju metode kvantitativnog izražavanja boje u obliku skupa od tri broja. Godine 1860. Maxwell je predložio korištenje crvene, zelene, plave kao trio nezavisnih boja. Odgovarajući sistem aditiva po prvim slovima odgovarajućeg engleske riječi pod nazivom RGB, i trenutno dominira sistemima za reprodukciju boja za monitore i televizore.

Međutim, naše oko percipira ne samo emitovanu, već i (uglavnom) reflektovanu svetlost. Pitanje boje reflektovane svjetlosti razlikuje se od već razmatranog. Prisjetite se uobičajenih akvarelnih boja na listu papira. Mješavina crvene i zelene boje ne proizvodi žutu. Isto vrijedi iu graničnom slučaju: ako pomiješate sve boje palete, nećete dobiti bijele, već prljave. Koja je razlika?

Da bismo razumjeli percepciju boje reflektirane boje, moramo napomenuti da kada zračenje udari na određenu površinu, dio se može djelomično ili potpuno apsorbirati, dok se drugi dio reflektira. Zajednička akcija elektromagnetno zračenje u cijelom vidljivom dijelu spektra izaziva osjećaj bijele svjetlosti, a odvojeno djelovanje sveukupnosti zračenja koja ostaje nakon apsorpcije nekih od njih - obojena.

U isto vrijeme vidimo reflektirani, odnosno ne apsorbirani dio spektra koji je upao u naše oko. Stoga je boja, koju mi ​​percipiramo kao narandžastu, u stvari apsorbirala sve zrake, osim što je dala osjećaj narandže. A to znači da je reflektirana površina zapravo zelenkasto-plava. (A kada bismo mogli da napravimo da površina narandže sjaji, sami bismo se uverili u to.) U tom smislu, narandže koje volimo su zapravo boje patlidžana, a patlidžani su, naprotiv, obojeni u vesele narandžaste tonove ( vidi tabelu).

Da bi opisao reflektovanu boju 1951. godine, Andy Muller je predložio subtraktivan (subtraktivan) CMYK model (od engleskih riječi cyan, magenta, yellow, key). Ovaj sistem ima prednosti u štampi, fotografiji u boji i štampi. Na primjer, kompjuter isporučuje boje koje emituje monitor u RGB sistemu i štampač u CMYK sistemu.

Razumevanje svetlosti kao elektromagnetnog talasa je blisko razumevanju zvuka kao mehaničkog talasa. Glavno svojstvo svih talasa, bez obzira na njihovu prirodu, jeste da se u obliku talasa energija prenosi bez prenosa materije (potonji se može odvijati samo kao nuspojava). Na primjer, nakon što val koji stvara kamen bačen u vodu prođe preko površine tekućine, čestice tekućine će ostati približno u istom položaju kao prije nego što je val prošao.

Zvuk je vibracija elastične sredine koja se širi u obliku valova u plinovitom, tekućem ili čvrstom mediju. U užem smislu, ovo je pojava koju subjektivno percipira uho ljudi i životinja.

Osoba čuje zvuk frekvencije od 16 Hz do 20.000 Hz. fizički koncept o zvuku pokriva i čujne i nečujne zvukove. Zvuk sa frekvencijom ispod 16 Hz naziva se infrazvuk, iznad 20.000 Hz - ultrazvuk. Visokofrekventni elastični talasi u opsegu od 10 9 do 10 12 -10 13 Hz se nazivaju hiperzvukom.

Raspon infrazvučnih frekvencija odozdo je praktički neograničen - u prirodi se infrazvučne vibracije javljaju s frekvencijom od desetih i stotih dijelova herca. Frekvencijski opseg hipersoničnih talasa ograničen je odozgo fizičkim faktorima koji karakterišu atomsku i molekularnu strukturu medija: dužina elastičnog talasa mora biti mnogo veća od srednjeg slobodnog puta molekula u gasovima i veća od međuatomske udaljenosti u tečnosti i u čvrste materije. Zbog toga se hiperzvuk frekvencije od 109 Hz i više ne može širiti u zraku, a frekvencijom većom od 10 12 -10 13 Hz u čvrstim tvarima.

Glavni parametri svih valova, uključujući i zvučne, su frekvencija i amplituda oscilacija. Frekvencija zvuka se mjeri u hercima (Hz - broj vibracija u sekundi). Ljudsko uho je sposobno da percipira zvuk od približno 16 Hz do 20 kHz.

Amplituda zvučnih vibracija naziva se zvučnim pritiskom ili zvučnom snagom. Ova vrijednost karakterizira percipiranu glasnoću zvuka. Apsolutna vrijednost zvučnog tlaka mjeri se u jedinicama pritiska - Pascalima (Pa). Najslabiji zvukovi koje naše uho može da percipira, prag sluha, imaju amplitudu od 20 μPa, najjači - 10 miliona puta veći - 200 Pa.

Budući da je raspon vrijednosti preširok, nezgodno je koristiti apsolutne vrijednosti zvučnog tlaka (pokušajte prikazati vrijednosti koje se razlikuju milionskim faktorom s prihvatljivom preciznošću). Stoga se u praksi koristi koncept nivoa zvuka koji se mjeri u decibelima (dB) i karakterizira njegovu relativnu jačinu.

Nivo zvuka se određuje po formuli (gdje je pritisak mjerenog zvuka, a je prag čujnosti), odnosno kao decimalni logaritam odnosa apsolutne vrijednosti zvučnog pritiska i vrijednosti praga čujnosti; na osnovu nekih razmatranja, logaritam se množi sa 20. Sa ovom definicijom, čitav opseg zvučnih zvukova se uklapa u skalu od 0-140 dB; razlika od 1 decibela odgovara promjeni volumena od oko 10%, a ljudsko uho nije u stanju uhvatiti manju razliku.

Logaritamska skala, iako neobična, vrlo je bliska ljudskoj percepciji zvuka. Na primjer, mala promjena jačine tihog zvuka ostavit će utisak primjetnog povećanja jačine, dok će mala promjena jačine glasnog zvuka ostati gotovo neprimjetna. Ovo u potpunosti odgovara matematičkom opisu relativne jačine zvuka pomoću logaritama.

Neki nivoi zvuka

Zvučni val se dobro prenosi preko tla, pa kada želimo znati ide li naš voz negdje u blizini, prislonimo uvo na šinu. Zvuk takođe može putovati kroz vodu - razmislite o zvučnim kanalima u okeanima. I konačno, može doći do nas kroz zrak. Šta tačno i kako dolazi do nas?

Za percepciju zvuka u ljudskom tijelu odgovoran je poseban organ koji se zove uho. Vani je takozvano spoljašnje uho, koje prelazi u ušni kanal prečnika oko 0,6 cm i dužine oko 2,5 cm, završavajući bubne opne razdvajanje vanjskog i srednjeg uha. Za bubnu opnu pričvršćena je kost koja se zove malleus. Zajedno sa druga dva - nakovnjem i stremenom - prenose vibraciju bubne opne na sljedeću puževu membranu - unutrašnje uho. Ovo je cev sa tečnošću prečnika oko 0,2 mm i dužine 3-4 cm.Vibracije vazduha su preslabe da direktno vibriraju tečnost, ali srednje uho, zajedno sa bubnjićem i opnom unutrašnjeg uha, čine hidraulično pojačalo: površina bubne opne je višestruko veća od unutrašnje opne uha, pa se pritisak povećava deset puta.

Unutar pužnice nalazi se membranski kanal, takođe ispunjen tečnošću, na čijem se donjem zidu nalazi receptorski aparat slušnog analizatora, prekriven ćelijama dlake. Ćelije dlake preuzimaju fluktuacije u tečnosti koja ispunjava kanal. Svaka ćelija dlake je podešena na određenu zvučnu frekvenciju, pri čemu su ćelije podešene na niske frekvencije smještene u gornjem dijelu pužnice, a visoke frekvencije preuzimaju ćelije u donjem dijelu pužnice.

Dakle, pokreti stapesa uzrokuju valovite vibracije u tekućini unutrašnjeg uha, koje pohvataju ćelije dlake koje se nalaze duž cijele dužine pužnice i pretvaraju se u električne impulse. Ovi električni impulsi se zatim prenose duž slušnog živca do mozga.

Slušni nerv se sastoji od hiljada najfinijih nervnih vlakana. Svako vlakno počinje od određenog dijela pužnice i prenosi određenu zvučnu frekvenciju. Niskofrekventni zvuci, poput zvuka automobila ili voza, prenose se duž vlakana koja izviru iz vrha pužnice, a visokofrekventni zvuci, poput cvrkuta ptica, prenose se duž vlakana povezanih s njegovom bazom. Na ovaj način, raznih zvukova izazivaju električnu ekscitaciju različitih vlakana u sastavu slušnog živca. Mozak je u stanju da uoči i protumači te razlike.

Osim percepcije svjetla, boje i zvuka, za razvoj čovječanstva važna su i pitanja njihove fiksacije. Nažalost, naučili smo da snimamo zvuk mnogo kasnije nego da čuvamo slike: Thomas Alva Edison izumio je fonograf, koji se koristio za snimanje i čitanje na voštanim cilindrima metalnom iglom zvučne informacije, tek 1877.

Uređaj modernih uređaja za digitalno snimanje zvuka zasniva se na najvažnijem aspektu matematičkog opisa zvuka - Kotelnikov-Nyquist-Shannon teoremi, inače zvanoj teoremi uzorkovanja. Suština teoreme je da digitalni uređaj mora snimati zvuk najmanje dva puta češće od frekvencije tog zvuka, da bi se dobio kvalitetan zvučni zapis.

Na primjer, najjednostavniji mobilni telefoni, diktafoni, telefonske sekretarice dizajnirani su za prijenos ili snimanje glasa osobe čiji frekvencijski spektar nije veći od 3 kHz. Stoga se govor osobe snima telefonskom sekretaricom kao električni signal 8-11 hiljada puta u sekundi (drugim riječima, koristi se frekvencija uzorkovanja od 8-11 kHz). Kao drugi primjer, najviša frekvencija zvuka koju čovjek percipira je 20 kHz, tako da kako bi se garantirao kvalitet bilo kojeg audio materijala, Audio CD standard koristi stopu uzorkovanja od 44,1 kHz.

Druga važna karakteristika zvuka je njegov spektar, koji se dobija kao rezultat razlaganja zvuka na jednostavne harmonijske vibracije (tzv. frekvencijska analiza zvuka). Spektar je kontinuiran, kada je energija zvučnih vibracija kontinuirano raspoređen u manje ili više širokom frekventnom opsegu, i linearan, kada postoji skup diskretnih (diskontinuiranih) frekvencijskih komponenti. Zvuk iz kontinuirani spektar percipira se kao buka, kao što je šuštanje drveća na vjetru, zvuci radnih mehanizama. Muzički zvuci imaju linijski spektar sa više frekvencija; osnovna frekvencija određuje visinu zvuka koji percipira uho, a skup harmonijskih komponenti određuje tembar zvuka.

Mogućnost snimanja zvuka omogućava čovjeku da pohranjuje, obrađuje i prenosi zvukove našeg svijeta potomcima.

Razumeti kako tačno vidimo i čujemo, shvatajući da su naši višebojni i mnogoglasni svetovi individualni, a samim tim i jedinstveni, znajući da je svet oko nas samo naš i ničiji - uostalom, drugi svetovi su drugačije obojeni i zvuče drugačije; čujući kišu i gledajući dugu ispred sebe, zapamtite da su sve ovo samo valovi. I samo im mi dajemo značenje, ljepotu i zvuk.

Jeste li ikada pokušali držati školjku na uhu? Sećate se?.. Ovako zvučimo.