Физическая природа света и цвета

Думаю, что никто не будет возражать, что цвет зависит не только от того, как окрашен тот тили иной предмет, но и от того, как и когда мы на него смотрим. В темноте все представляется черным. Стоит включить свет и мир предстает перед нашими глазами во всем великолепии всех цветов и оттенков. Значит, не малую роль в восприятии цвета играет свет. Возможно, разгадка и кроется здесь. Рассмотрим понятие свет с точки зрения физики.

В старину проказы феи Морганы повергали людей в ужас. Теперь таинственные видения никого не пугают: люди разгадали их секрет. Суть секрета — в «игре» луча света в воздухе. Нам с земли небо видится голубым днем и красновато-оранжевым на закате. Почему же оно меняет свою окраску? Ведь солнце посылает на землю одни и те же лучи в любое время. Цвет неба зависит от того, какая часть дневного солнечного света доходит до наших глаз.

Сколько радости и детям и взрослым доставляет радуга, появляющаяся в небе после теплого летнего дождика. Разноцветная дуга, охватившая полнеба, вызывает в людях изумление перед природой и восхищение. Однако видеть радугу можно не всегда, а только в том случае, если солнце стоит невысоко и у вас за спиной. Это солнечные лучи, пройдя сквозь воздух и отразившись в капельках воды, возвращаются к нам разноцветной ра дугой.

То, что свет отражается от воды, знает каждый, стоит лишь вспомнить блеск воды в речке, озере или море в яс ный, солнечный день. Молекулы воды сливаются в капель ки, а капельки — в водоемы, и уже достаточно несколько десятков метров воды, как наступают под водой сумерки. Вода частично отражает, а частично поглощает свет, и он слабеет, пробиваясь сквозь толщу воды.

Воздух состоит из газов и паров воды. Молекулы этих веществ также являются преградой свету, но преградой, конечно, несравненно более слабой, чем вода. Солнечный луч легко доходит до поверхности планеты через многокилометровый слой воздуха, но стоит только появиться облачку, и мы оказываемся в его тени. И все же воздух не просто пропускает свет, а взаимодействует с ним. Поначалу, когда луч солнца только начинает проникать в атмосферу, он не встречает препятствий: верхние слои атмосферы сильно разрежены и расстояние между отдельными молекулами газов очень велико. Чем ниже проби вается луч, тем больше препятствий на его пути, так как ближе к земной поверхности воздух становится все более плотным. Сталкиваясь с молекулами газов, лучи света частично отражаются от них (как и от молекул воды) и рассеиваются. Эти рассеянные лучи мы и воспринимаем как голубой цвет неба. Если же смотреть прямо на солнце, то оно кажется нам желтоватым, а на закате оранжевым. Это те солнечные лучи, что прорвались к нам сквозь всю толщу воздуха. По цвету заката старожилы могут с до вольно большой долей вероятности даже предсказать по году на завтра. В этом нет ничего особенно удивительно го. Ведь нагретый воздух менее плотен, и через него лучи света проходят с меньшими потерями. Если близок дождь, то атмосфера насыщена парами воды, а они сильнее за держивают и отражают свет. Цвет закатного неба будет в каждом случае различен: слои холодного и теплого воз духа отличаются по своей плотности и по-разному пропу скают свет и по-разному его отражают. Случается, что лучи света отражаются от некоторых слоев воздуха, как от зеркала. В этом и заключен секрет видений феи Морганы, которые чаще всего появляются на огромных открытых пространствах: пустынях, степях или в открытом море вдали от берегов.

Воздух у нагретой солнцем поверхности менее плотен, чем находящиеся выше слои. Лучи света от освещенных солнцем предметов на поверхности земли отражаются от вышерасположенных воздушных слоев, как солнечный зайчик от зеркала, и возвращаются к поверхности уже за много километров от того места, где солнце освещает пред меты. Обманчивые видения спасительных оазисов в пу стыне — это отражения в атмосферном «зеркале» далеких реальных оазисов. Жители Лазурного берега Франции иногда видят в небе горы острова Корсика, хотя до него двести километров по морю. А однажды команда япон ского корабля, находившегося у восточных берегов Кореи, увидела силуэт высокой горы, находящейся на одном из островов Японии, до которого было чуть ли не тысяча километров.

Цвет того или иного участка радуги, так же как и цвет любого окрашенного вещества, определяется той длинной волны, энергия которой преобладает в данном излучении. Солнечный луч содержит в себе все цвета радуги или световые волны различной длины.

Цвет соединений, имеющих одну полосу поглощения в видимой части спектра (при облучении дневным светом)

0братите внимание, каждой длине волны соответствует определенная энергия, которую эти волны несут. Чем короче длина волны, тем больше энергии передает луч веществу при столкновении. Можно подсчитать, какую энергию несет свет той или иной длины волны. В 1900 М. Планк на основе своих наблюдений за поглощение света веществом и тепловым излучением пришел к выводу, что энергия света поступает к облучаемому веществ отдельными небольшими порциями. Такие порции энергии Планк предложил назвать квантами.

Если вещество способно поглощать только кванты определенной энергии, то этим однозначно определяется и цвет вещества. Когда белый свет, падая на какое-либо твердое тело, полностью рассеивается им, то такое тело кажется нашему глазу бесцветным, белым, неокрашенным. Наоборот, если все падающие на тело лучи им поглощаются, то получается впечатление черного цвета. Наконец, тела, поглощающие одни из падающих простых лучей и рассеивающие другие из них, кажутся нашему глазу цветными или окрашенными. Цвет является, таким образом, результатом избирательного поглощения определенных участков в непрерывном спектре падающего белого света.

Электроны и свет

Частица или волна? Эти два понятия применительно к свету долгое время существовали раздельно. Потребовалось довольно много времени на разрешение этого противоречия. Этому помогли физики объясни в природу электрона- элементарной частицы. Оказалось, что электрон одновременно представляет и волну и частицу. Кроме того состояние электрона в атоме можно описать с помощью запаса его энергии. Электроны, атомы и молекулы веществ обладают определенным запасом энергии, могут поглощать и излучать ее. Кванты света, падая на молекулы вещества, сообщают ему определенное количество энергии.

Итак, квант света воздействует на электроны молеку лы, переводит их в иное состояние. Если электрон из всего видимого спектра «чувствителен» к какому-то опре деленному виду лучей, то мы видим цвет вещества. Так, электроны, связывающие атомы в молекуле хлора, вос приимчивы к зеленовато-желтому участку спектра; в ме таллическом натрии — к красному.

Когда энергия кванта достаточно велика, то возможно более сильное взаимодействие фотона и электрона. В та ком случае электрон переходит на более высокий энерге тический уровень и некоторое время спустя излучает запасенную энергию. Волны, излучаемые электроном, как правило, иной длины. По этому серый или белый сульфид цинка становится голу бым, оранжевым или синим и светится в темноте.

Электронно-возбужденные молекулы представляют собой по сути дела новые молекулы, характеризующиеся своим распределением электронной плотности, структу рой, своими химическими свойствами. Наличие избыт ка энергии делает возбужденную молекулу химически более активной, чем исходная молекула. Значит, ве щество может приобретать цвет не только под действием видимого света, то и в результате взаимодействия с элек тромагнитными колебаниями в более широком диапазоне.

Таким образом, цвет обусловлен двумя потоками из лучения. Первый — это тот, что прошел сквозь вещество или отразился от него. В этом потоке нет уже квантов той резонансной частоты, которая поглощена веществом. Это явление мы и воспринимаем как появление цвета. Второй поток возникает в результате того, что возбужден ный электрон скачком возвращается в свое прежнее со стояние, а избыточная энергия высвечивается в виде квантов вторичного излучения — флуоресценции.