Спектральный состав света различных источников

Опытами Ньютона было установлено, что солнечный свет имеет сложный характер. Подобным же образом, т. е. ана­лизируя состав света при помощи призмы, можно убедить­ся, что свет большинства других источников (лампа нака­ливания, дуговой фонарь и т. д.) имеет такой же характер. Сравнивая спектры этих светящихся тел, обнаружим, что соответственные участки спектров обладают различной яр­костью, т. е. в различных спектрах энергия распределена по-разному. Еще надежнее удостовериться в этом можно, если исследовать спектры при помощи термоэлемента (см. § 149).

Для обычных источников эти различия в спектре не очень значительны, однако их можно без труда обнаружить. Наш глаз даже без помощи спектрального аппарата обнару­живает различия в качестве белого света, даваемого этими источниками. Так, свет свечи кажется желтоватым или даже красноватым по сравнению с лампой накаливания, а эта по­следняя заметно желтее, чем солнечный свет.

Еще значительнее различия, если источником света вме­сто раскаленного тела служит трубка, наполненная газом, светящимся под действием электрического разряда. Такие трубки употребляются в настоящее время для светящихся надписей или освещения улиц. Некоторые из этих газораз­рядных ламп дают ярко желтый (натриевые лампы) или крас­ный (неоновые лампы) свет, другие светятся беловатым све­том (ртутные), ясно отличным по оттенку от солнечного. Спектральные исследования света подобных источников показывают, что в их спектре имеются только отдель­ные более или менее узкие цветные участки.

В настоящее время научились изготовлять газоразряд­ные лампы, свет которых имеет спектральный состав, очень близкий к солнечному. Такие лампы получили наз­вание ламп дневного света (см. § 186).

Если исследовать свет солнца или дугового фонаря, профильтрованный через цветное стекло, то он окажется заметно отличным от первоначального. Глаз оце­нит этот свет как цветной, а спектральное разложение обна­ружит, что в спектре его отсутствуют или очень слабы более или менее значительные участки спектра источника.

§ 165. Свет и цвета тел. Опыты, описанные в § 164, показы­вают, что свет, вызывающий в нашем глазу ощущение того или иного цвета, обладает более или менее сложным спект­ральным составом. При этом оказывается, что глаз наш представляет собой довольно несовершенный аппарат для анализа света, так что лучи разнообразного спектраль­ного состава могут иногда производить почти одинаковое цветовое впечатление. Тем не менее именно при помощи глаза мы получаем знание о всем многообразии цветов в ок­ружающем мире.

Случаи, когда свет от источника направляется непо­средственно в глаз наблюдателя, сравнительно редки. Гораздо чаще свет предварительно проходит через тела, преломляясь и частично поглощаясь в них, либо в бо­лее или менее полной степени отражаясь от их поверхности. Таким образом, спектральный состав света, дошедшего до нашего глаза, может оказаться значительно изменен­ным благодаря описанным выше процессам отражения, поглощения и т. д. В громадном большинстве случаев все подобные процессы ведут только к ослаблению тех или иных спектральных участков и могут даже полностью устранить некоторые из таких участков, но не добавляют к свету, при­шедшему от источника, излучения тех длин волн, которых в нем не было. Однако и такие процессы могут иметь место (например, в явлениях флюоресценции).

§ 166. Коэффициенты поглощения, отражения и пропуска­ния. Цвет различных предметов, освещенных одним и тем же источником света (например, солнцем), бывает весьма разнообразен, несмотря на то, что все эти предметы осве­щены светом одного состава. Основную роль в таких эф­фектах играют явления отражения и пропускания света. Как уже было выяснено, световой поток, падающий на тело, частично отражается (рассеивается), частично пропускается и частично поглощается телом. Доля светового потока, уча­ствующего в каждом из этих процессов, определяется с помощью соответствующих коэффициентов: отражения r, пропускания t и поглощения a (см. § 76).

Каждый из указанных коэффициентов (a, r, t) может зависеть от длины волны (цвета), благодаря чему и возни­кают разнообразные эффекты при освещении тел. Нетрудно видеть, что какое-либо тело, у которого, например, для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффи­циент отражения мал, а для зеленого, наоборот, будет казаться красным в проходящем свете и зеленым в отражен­ном. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл — зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обус­ловливающее зеленый цвет их. Раствор (вытяжка) хлоро­филла в спирту оказывается на просвет красным, а на отражении — зеленым.

Тела, у которых для всех лучей поглощение велико, а отражение и пропускание очень малы, будут черными непрозрачными телами (например, сажа). Для очень белого непрозрачного тела (окись магния) коэффициент r близок к единице для всех длин волн, а коэффициенты a и t очень малы. Вполне прозрачное стекло имеет малые коэффициен­ты отражения r и поглощения a и коэффициент пропу­скания t, близкий к единице для всех длин волн; наоборот, у окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффи­циенты t и r равны практически нулю и соответственно значение коэффициента а близко к единице. Различие в значениях коэффициентов a, t и r и их зависимость от цвета (длины волны) обусловливают чрезвычайное разно­образие в цветах и оттенках различных тел.

§ 167. Цветные тела, освещенные белым светом. Окра­шенные тела кажутся цветными при освещении белым све­том. Если слой краски достаточно толст, то цвет тела опре­деляется ею и не зависит от свойств лежащих под краской слоев. Обычно краска представляет собой мелкие зернышки, избирательно рассеивающие свет и погруженные в прозрач­ную связывающую их массу, например масло. Коэффициен­ты a, r и t этих зернышек и определяют собой свойства краски.

Действие краски схематически изображено на рис. 316. Самый верхний слой отражает практически одинаково все

Рис. 316. Схема действия слоя краски

лучи, т. е. от него идет белый свет. Доля его не очень зна­чительна, около 5%. Остальные 95% света проникают в глубь краски и, рассеиваясь ее зернами, выходят наружу. При этом происходит поглощение части света в зернах краски, причем те или иные спектральные участки поглоща­ются в большей или меньшей степени в зависимости от цвета краски. Часть света, проникающая еще глубже, рассеивается на следующих слоях зерен и т. д. В результате тело, освещенное белым светом, будет иметь цвет, обуслов­ленный значениями коэффициентов a, t и r для зерен по­крывающей егокраски.

Краски, поглощающие падающий на них свет в очень тонком слое, называются кроющими. Краски, действие ко­торых обусловлено участием многих слоев зерен, носят наз­вание лессировочных. Последние позволяют добиваться очень хороших эффектов путем смешивания нескольких сортов цветных зерен (стирание на палитре). В результате можно получить разнообразные цветовые эффекты. Инте­ресно отметить, что смешение лессировочных красок, соот­ветствующих дополнительным цветам, должно привести к очень темным оттенкам. Действительно, пусть в краске смешаны красные и зеленые зерна. Свет, рассеянный красными зернами, будет поглощаться зелеными и наоборот, так что из слоя краски свет почти не будет выходить. Та­ким образом, смешение красок дает совершенно иные результаты, чем смешение света соответствующих цветов. Это обстоятельство должен иметь в виду художник при смешивании красок.

§ 168. Цветные тела, освещенные цветным светом. Все вышесказанное относится к освещению белым светом. Если же спектральный состав падающего света значительно отличается от дневного, то эффекты освещения могут быть совершенно иными. Яркие красочные места цветной карти­ны выглядят темными, если в падающем свете отсутствуют как раз те длины волн, для которых эти места имеют большой коэффициент отражения. Даже переход от дневного освеще­ния к искусственному вечернему может значительно изме­нить соотношение оттенков. В дневном свете относительная доля желтых, зеленых и синих лучей гораздо больше, чем в искусственном свете. Поэтому желтые и зеленые материи кажутся при вечернем освещении более тусклыми, чем днем, а синяя при дневном свете ткань нередко кажется совсем черной при лампах. С этим обстоятельством должны счи­таться художники и декораторы, выбирающие краски для театрального представления или для парада, происходяще­го днем на открытом воздухе.

Во многих производствах, где важна правильная оценка оттенков, например при сортировке пряжи, работа при вечернем освещении очень затруднена или даже совсем невозможна. Поэтому в подобных условиях рационально применение ламп дневного света, т. е. ламп, спектральный состав света которых был бы по возможности близок к спектральному составу дневного освещения (см. § 187).

§ 169. Маскировка и демаскировка. Даже при ярком осве­щении мы не в состоянии различать тела, цвет которых не отличается от цвета окружающего фона, т. е. тела, для которых коэффициент r имеет для всех длин волн практически те же значения, что и для фона. Поэтому, например, так трудно различить животных с белым мехом или людей в белой одежде на снежной равнине. Этим пользуются в воен­ном деле для цветовой маскировки войск и военных объек­тов. В природе, в процессе естественного отбора, многие животные приобрели защитную окраску (мимикрия).

Из вышеизложенного понятно, что наиболее совершен­ной маскировкой является подбор такой окраски, у которой коэффициент отражения r для всех длин волн име­ет те же значения, что и у окружающего фона. Практически этого очень трудно достичь, и поэтому нередко ограничи­ваются подбором близких коэффициентов отражения для излучения, которое играет особо важную роль при дневном освещении и наблюдении глазом. Это — по преимуществу желто-зеленая часть спектра, к которой особенно чувстви­телен глаз и которая сильнее других представлена в сол­нечном (дневном) свете. Однако если замаскированные с таким расчетом объекты наблюдать не глазом, а фотографи­ровать, то маскировка может утратить свое значение. Действительно, на фотографическую пластинку особенно сильно действует фиолетовое и ультрафиолетовое излучение. Поэтому, если для этой области спектра коэффициенты отражения у объекта и фона заметно отличаются друг от друга, то при наблюдении глазом такой дефект маски­ровки останется незамеченным, но он резко даст себя знать на фотографии. Так же отчетливо скажется несовершенство маскировки, если вести наблюдение через светофильтр, практически устраняющий те длины волн, на которые маскировка по преимуществу рассчитана, например через синий фильтр. Несмотря на значительное понижение яр­кости всей картины при рассматривании через такой фильтр, на ней могут выступать детали, которые были скрыты при наблюдении в белом свете. Соединение фильтра с фотогра­фией может дать особенно сильный эффект. Поэтому при подборе маскирующих цветов надо быть внимательным к определению r для довольно широкой области спектра, в том числе для инфракрасной и ультрафиолетовой.

Светофильтрами пользуются иногда, чтобы улучшить правильную передачу освещенности при фотографировании. Ввиду того, что максимумы чувствительности глаза и фото­пластинки лежат в разных областях (для глаза — желто-зеленая, для фотопластинки — сине-фиолетовая), зритель­ное и фотографическое впечатления могут быть довольно различными. Фигура девушки, одетой в желтую блузку и фиолетовую юбку, кажется глазу светлой в верхней своей части и темной в нижней. На фотографической же карточке она может казаться одетой в темную блузку и светлую юбку. Если же перед фотографическим объективом поставить жел­тый светофильтр, он изменит соотношение освещенностей юбки и блузки в сторону, приближающуюся к зрительному впечатлению. Применяя, сверх того, фотопленку с повышен­ной по сравнению с обычными чувствительностью к длин­ным волнам (ортохроматические), мы можем добиться до­вольно правильной передачи освещенности фигуры.

§ 170. Насыщенность цветов. Кроме обозначения цвета — красный, желтый, синий и т. д.,— мы нередко различаем цвет по насыщенности, т. е. по чистоте оттен­ка, отсутствию белесоватости. Примером глубоких, или на­сыщенных, цветов являются спектральные цвета. В них представлена узкая область длин волн без примеси других цветов. Цвета же тканей и красок, покрывающих предметы, обычно бывают менее насыщенными и в большей или мень­шей степени белесоватыми. Причина лежит в том, что коэффициент отражения большинства красящих веществ не равняется нулю ни для одной длины волны. Та­ким образом, при осве­щении окрашенной тка­ни белым светом мы на­блюдаем в рассеянном свете по преимуществу одну область цвета (на­пример, красную), но к ней примешивается за­метное количество и дру­гих длин волн, дающих в совокупности белый свет. Но если такой рас­сеянный тканью свет с преобладанием одного цвета (например, крас­ного) направить не пря­мо в глаз, а заставить вторично отразиться от той же ткани, то доля преобладающего цвета значительно усилится по сравнению с остальными и белесоватость уменьшится.. Многократное повторение такого процесса (рис. 317) может привести к получению достаточно насыщенного цвета.

Рис. 317. Получение насыщенного цве­та при отражении от красной драпи­ровки

Если интенсивность падающего света какой-либо длины волны обоз­начить через I, а коэффициент отражения для той же длины волны — через r, то получим после однократного отражения интенсивность I r, после двукратного I r², после трехкратного I r³ и т. д. Отсюда видно, что если r для какого-то узкого спектрального участка равняется, напри­мер, 0,7, а для остальных равняется 0,1, то после однократного отраже­ния примесь белого цвета составляет 1/7, т. е. около 15%, после дву­кратного отражения 1/49, т. е. около 2%, и после трехкратного 1/343, т. е. меньше 0,3%. Такой свет можно считать вполне насыщенным.

Описанным явлением объясняется насыщенность цветов бархатных тканей, ниспадающих складками драпировок или реющих знамен. Во всех этих случаях имеются много­численные углубления (бархат) или складки окрашенной материи. Падая на них, белый свет претерпевает многократ­ное отражение, прежде чем достигнет глаза наблюдателя. При этом, конечно, ткань представляется более темной, чем, например, гладкая натянутая полоса цветного сатина; но насыщенность цвета увеличивается чрезвычайно сильно, и ткань выигрывает в красоте.

В § 167 мы упоминали, что поверхностный слой любой краски всегда рассеивает белый свет. Это обстоятельство портит насыщенность цветов картины. Поэтому картины, писанные масляными красками, обычно покрывают слоем лака. Заливая все неровности краски, лак создает гладкую зеркальную поверхность картины. Белый свет от этой по­верхности не рассеивается во все стороны, а отража­ется по определенному направлению. Конечно, если смот­реть на картину с неудачно выбранной позиции, то такой свет будет очень мешать {«отсвечивание»). Но если рассмат­ривать картину с других мест, то благодаря лаковому покрытию белый свет от поверхности в этих направлениях не распространяется, и цвета картины выигрывают в насы­щенности.

§ 171. Цвет неба и зорь. Изменение спектрального состава света, отраженного или рассеянного поверхностью тел, связано с наличием избирательного поглощения и отражения, выражающегося в зависимости коэффициентов a и r от длины волны.

В природе играет большую роль еще одно явление, ведущее к изменению спектрального состава солнечного света. Свет, доходящий до наблюдателя от участков безоб­лачного небесного свода, далеких от Солнца, характеризу­ется довольно насыщенным голубым или даже синим оттен­ком. Несомненно, что свет неба есть солнечный свет, рас­сеиваемый в толще воздушной атмосферы и по­этому доходящий до наблюдателя со всех сторон, даже по направлениям, далеким от направления на Солнце. Рис. 318 поясняет происхождение рассеянного света неба. Теоретическое исследование и опыты показали, что такое рассеяние происходит благодаря молекулярному строению воздуха; даже вполне свободный от пыли воздух рассеивает

Рис. 318. Происхождение цвета неба (свет Солнца, рассеянный атмо­сферой). До поверхности Земли (например, точки А) доходит как пря­мой свет Солнца, так и свет, рассеянный в толще атмосферы. Цвет этого рассеянного света и называется цветом неба

солнечный свет. Спектр рассеянного воздухом света замет­но отличается от спектра прямого солнечного света: в сол­нечном свете максимум энергии приходится на желто-зеленую часть спектра, а в свете неба максимум передвинут к голубой части. Причина лежит в том, что короткие све­товые волны рассеиваются значительно сильнее длинных. По расчетам английского физика Джона Стретта лорда Рэлея (1842—1919), подтвержденным измерениями, интен­сивность рассеянного света обратно пропорциональна чет­вертой степени длины волны, если рассеивающие частицы малы по сравнению с длиной волны света, следовательно, фиолетовые лучи рассеиваются почти в 9 раз сильнее крас­ных. Поэтому желтоватый свет Солнца при рассеянии пре­вращается в голубой цвет неба. Так обстоит дело при рассея­нии в чистом воздухе (в горах, над океаном). Наличие в воз­духе сравнительно крупных частичек пыли (в городах) добавляет к рассеянному голубому свету свет, отраженный частичками пыли, т. е. почти неизмененный свет Солнца. Благодаря этой примеси цвет неба становится в этих усло­виях более белесоватым.

Преимущественное рассеяние коротких волн приводит к тому, что доходящий до Земли прямой свет Солнца оказы­вается более желтым, чем при наблюдении с большой высоты. На пути через толщу воздуха свет Солнца частично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются ко­роткие волны, так что достигший Земли свет становится от­носительно богаче излучением длинноволновой части спект­ра. Это явление особенно резко сказывается при восходе и закате Солнца (или Луны), когда прямой свет проходит зна­чительно большую толщу воздуха (рис. 319). Благодаря это­му Солнце и Луна на восходе (или закате) имеют медножелтый, иногда даже красноватый оттенок. В тех случаях,

Рис. 319. Объяснение красного цвета Луны и Солнца на восходе и за­кате: S₁ — светило в зените — короткий путь в атмосфере (АВ); S₂ — светило на горизонте — длинный путь в атмосфере (СВ)

когда в воздухе имеются очень мелкие (значительно мень­шие длины волны) частички пыли или капельки влаги (туман), рассеяние, вызываемое ими, также идет по закону,

Рис. 320. Рассеяние света мутной жидкостью: падающий свет — белый, рассеянный свет — синеватый, проходящий свет — красноватый

близкому к закону Рэлея, т. е. по преимуществу рассеива­ются короткие волны. В этих случаях восходящее и захо­дящее Солнце может быть совершенно красным. В красный же цвет окрашиваются и плавающие в атмосфере облака. Таково происхождение прекрасных розовых и красных оттенков утренней и вечерней зорь.

Можно наблюдать описанное изменение цвета при рас­сеянии, если пропустить пучок света от фонаря через сосуд (рис. 320), наполненный мутной жидкостью, т. е. жид­костью, содержащей мелкие взвешенные частицы (напри­мер, водой с несколькими каплями молока). Свет, идущий в стороны (рассеянный), заметно синее, чем прямой свет фонаря. Если толща мутной жидкости довольно значитель­на, то свет, прошедший сквозь сосуд, теряет при рассеянии столь значительную часть коротковолновых лучей (синих и фиолетовых), что оказывается оранжевым и даже красным. В 1883 г. произошло сильнейшее извержение вулкана на острове Кракатау, наполовину разрушившее остров и вы­бросившее в атмосферу огромное количество мельчайшей пыли. На протяжении нескольких лет пыль эта, развеянная воздушными течениями на огромные расстояния, засоряла атмосферу, обусловливая интенсивные красные зори.