Je kolem nás a umožňuje nám vidět svět. Ale zeptejte se kohokoli z nás a většina vám nebude schopna vysvětlit, co to světlo skutečně je. Světlo nám pomáhá porozumět světu, ve kterém žijeme. Náš jazyk to odráží: ve tmě se pohybujeme dotykem a s nástupem úsvitu začínáme vidět světlo. A přesto jsme daleko od úplného pochopení světla. Když přiblížíte paprsek světla, co v něm bude? Ano, světlo se šíří neuvěřitelně rychle, ale nedalo by se využít k cestování? A tak dále a tak dále.
Co je světlo z vědeckého hlediska? Pojďme na to přijít
co je světlo?
Samozřejmě, že to tak být nemusí. Světlo mátlo ty nejlepší mysli po staletí, ale přelomové objevy za posledních 150 let postupně poodhalily závoj tajemství nad tímto tajemstvím. Nyní víceméně chápeme, o co jde.
Moderní fyzici nejen chápou podstatu světla, ale také se jej snaží ovládat s nebývalou přesností – což znamená, že světlo může velmi brzy fungovat tím nejúžasnějším způsobem. Z tohoto důvodu Organizace spojených národů vyhlásila rok 2015 Mezinárodním rokem světla.
Světlo lze popsat všelijak. Ale začněme tímto: světlo je forma záření. A toto srovnání dává smysl. Víme, že příliš mnoho slunečního záření může způsobit rakovinu kůže. Víme také, že vystavení záření může způsobit riziko rozvoje některých forem rakoviny; není těžké kreslit paralely.
Světlo přichází v různých podobách a někdy může ublížit.
Ale ne všechny formy záření jsou si rovny. Koncem 19. století se vědcům podařilo určit přesnou podstatu světelného záření. A nejpodivnější je, že tento objev nepochází ze studia světla, ale vyšel z desetiletí práce na povaze elektřiny a magnetismu.
Jak vědci studovali světlo
Zdá se, že elektřina a magnetismus jsou zcela odlišné věci. Ale vědci jako Hans Christian Oersted a Michael Faraday zjistili, že jsou hluboce propojeni. Oersted objevil, že elektrický proud procházející drátem vychyluje střelku magnetického kompasu. Mezitím Faraday zjistil, že pohyb magnetu v blízkosti drátu může generovat elektrický proud v drátu.
Tehdejší matematici použili tato pozorování k vytvoření teorie popisující tento zvláštní nový fenomén, který nazvali „elektromagnetismus“. Ale pouze James Clerk Maxwell byl schopen popsat úplný obrázek.
Maxwellův přínos vědě je těžké přeceňovat. Albert Einstein, který se inspiroval Maxwellem, řekl, že navždy změnil svět. Jeho výpočty nám mimo jiné pomohly pochopit co je světlo.
James Clerk Maxwell
Maxwell ukázal, že elektrická a magnetická pole se šíří ve formě vln a tyto vlny se šíří rychlostí světla. To umožnilo Maxwellovi předpovědět, že samotné světlo je neseno elektromagnetickými vlnami – což znamená, že světlo je formou elektromagnetického záření.
Na konci 1880. let XNUMX. století, několik let po Maxwellově smrti, byl německý fyzik Heinrich Hertz prvním, kdo formálně prokázal, že Maxwellův teoretický koncept elektromagnetické vlny byl správný.
„Jsem si jistý, že kdyby Maxwell a Hertz žili v éře Nobelovy ceny, určitě by ji dostali,“ říká Graham Hall z University of Aberdeen ve Spojeném království – kde Maxwell koncem 1850. let XNUMX. století působil.
Maxwell má místo v análech vědy o světle z jiného, praktičtějšího důvodu. V roce 1861 odhalil první trvalou barevnou fotografii vyrobenou pomocí systému tříbarevných filtrů, která položila základ mnoha podob dnešní barevné fotografie.
První barevná fotografie na světě
Světlo je spektrum barev
Samotná věta, že světlo je formou elektromagnetického záření, mnoho neříká. Ale pomáhá popsat něco, čemu všichni rozumíme: světlo je spektrum barev. Toto pozorování sahá až k práci Isaaca Newtona. Barevné spektrum vidíme v celé jeho kráse, když se na obloze zvedne duha – a tyto barvy přímo souvisí s Maxwellovým konceptem elektromagnetických vln.
Červené světlo na jednom konci duhy je elektromagnetické záření o vlnové délce 620 až 750 nanometrů; fialová barva na druhém konci je záření o vlnové délce 380 až 450 nm. Ale v elektromagnetickém záření je víc než jen viditelné barvy. Světlo s vlnovou délkou delší než červené nazýváme infračervené. Světlo s vlnovou délkou kratší než fialová se nazývá ultrafialové. Mnoho zvířat vidí v ultrafialovém světle a někteří lidé také, říká Eleftherios Goulilmakis z Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku v Garchingu v Německu. V některých případech lidé dokonce vidí infračervené záření. Možná proto nás nepřekvapuje, že nazýváme ultrafialové a infračervené formy světla.
Proč rentgenové záření není světlo
Je však zajímavé, že pokud se vlnové délky ještě zkrátí nebo prodlouží, přestaneme jim říkat „světlo“. Mimo ultrafialové záření mohou být elektromagnetické vlny kratší než 100 nm. Toto je říše rentgenového a gama záření. Už jste někdy slyšeli o rentgenovém záření označovaném jako forma světla?
Vědec nikdy nenazve rentgenové záření světlem
“Vědec neřekne: ‘Prosvítám rentgenem přes předmět’.” Řekne: ‚Používám rentgeny‘,“ říká Goulilmakis.
Mezitím, mimo infračervené a elektromagnetické vlnové délky, vlny dosahují až 1 cm a dokonce až tisíce kilometrů. Takové elektromagnetické vlny se nazývají mikrovlny nebo rádiové vlny. Někomu může připadat zvláštní vnímat rádiové vlny jako světlo.
“Mezi rádiovými vlnami a viditelným světlem z fyzikálního hlediska není velký fyzikální rozdíl,” říká Goulilmakis. “Popíšete je stejnými rovnicemi a matematikou.” Rozlišuje je pouze naše každodenní vnímání.
Dostáváme tak další definici světla. Jedná se o velmi úzký rozsah elektromagnetického záření, které naše oči vidí. Jinými slovy, světlo je subjektivní označení, které používáme pouze kvůli omezením našich smyslů.
Lidé vidí barvy jinak
Pokud potřebujete další důkaz o tom, jak subjektivní je naše vnímání barev, zamyslete se nad duhou. Většina lidí ví, že světelné spektrum obsahuje sedm základních barev: červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigovou a fialovou. Máme dokonce šikovná přísloví a úsloví o myslivcích, kteří chtějí znát polohu bažanta. Podívejte se na dobrou duhu a zkuste vidět všech sedm. To se nepodařilo ani Newtonovi. Vědci mají podezření, že vědec rozdělil duhu do sedmi barev, protože číslo „sedm“ bylo pro starověký svět velmi důležité: sedm not, sedm dní v týdnu atd.
Lidé obvykle vidí v duze pět barev
Maxwellova práce v elektromagnetismu nás posunula dále a ukázala, že viditelné světlo je součástí širokého spektra záření. Vyjasnila se také pravá podstata světla. Po staletí se vědci pokoušeli pochopit, jaký tvar světlo skutečně nabývá na základních měřítcích, když putuje od světelného zdroje k našim očím.
Jak se šíří světlo?
Někteří věřili, že světlo se pohybuje ve formě vln nebo vln, vzduchem nebo tajemným „éterem“. Jiní si mysleli, že tento vlnový model je chybný a považovali světlo za proud drobných částic. Newton byl nakloněn druhému názoru, zvláště po sérii experimentů, které provedl se světlem a zrcadly.
Isaac Newton je jedním z těch lidí, kteří chtěli pochopit, co je světlo
Uvědomil si, že paprsky světla se řídí přísnými geometrickými pravidly. Paprsek světla odražený v zrcadle se chová jako míč vržený přímo do zrcadla. Vlny by se nemusely nutně pohybovat v těchto předvídatelných přímých liniích, navrhoval Newton, takže světlo musí být neseno nějakou formou malých, bezhmotných částic.
Problém je v tom, že existují stejně přesvědčivé důkazy, že světlo je vlna. Jedna z nejnázornějších ukázek toho přišla v roce 1801. Experiment Thomase Younga s dvojitou štěrbinou lze v zásadě provádět samostatně doma.
Vezměte list silné lepenky a opatrně do něj udělejte dva tenké svislé řezy. Pak si pořiďte „koherentní“ světelný zdroj, který bude vyzařovat světlo pouze určité vlnové délky: laser bude v pohodě. Poté namiřte světlo na dvě štěrbiny tak, aby při průchodu jimi dopadalo na druhý povrch.
Očekávali byste, že na druhém povrchu, kde světlo procházelo štěrbinami, uvidíte dvě jasné svislé čáry. Ale když Jung provedl experiment, uviděl sekvenci světlých a tmavých čar, jako čárový kód.
Experiment Thomase Younga s dvojitou štěrbinou
Když světlo prochází tenkými štěrbinami, chová se jako vodní vlny procházející úzkým otvorem: jsou rozptýleny a rozprostřeny v podobě polokulovitých vlnek.
Když toto světlo prochází dvěma štěrbinami, každá vlna ruší druhou a vytváří tmavé oblasti. Když se vlnky sbíhají, doplňují se a tvoří jasné svislé čáry. Youngův experiment doslova potvrdil vlnový model, takže Maxwell dal tuto myšlenku do pevné matematické podoby. Světlo je vlna.
Pak ale přišla kvantová revoluce.
Co je fotoelektrický jev
Ve druhé polovině devatenáctého století se fyzici snažili přijít na to, jak a proč některé materiály absorbují a vyzařují elektromagnetické záření lépe než jiné. Stojí za zmínku, že v té době se elektrický světelný průmysl teprve rozvíjel, takže materiály, které by mohly vyzařovat světlo, byly vážnou záležitostí.
Ke konci devatenáctého století vědci zjistili, že množství elektromagnetického záření emitovaného objektem se mění v závislosti na jeho teplotě, a tyto změny měřili. Ale nikdo nevěděl, proč se to děje. V roce 1900 Max Planck tento problém vyřešil. Zjistil, že výpočty by mohly vysvětlit tyto změny, ale pouze pokud bychom předpokládali, že elektromagnetické záření se přenáší v malých, diskrétních záblescích. Planck je nazval „quanta“, množné číslo latinského „quantum“. O pár let později vzal Einstein své myšlenky za základ a vysvětlil další úžasný experiment.
Fyzici zjistili, že kus kovu se kladně nabije, když je vystaven viditelnému nebo ultrafialovému světlu. Tento efekt se nazýval fotoelektrický.
Atomy v kovu ztratily záporně nabité elektrony. Světlo zjevně dodalo kovu dostatek energie k uvolnění některých elektronů. Ale proč to elektrony udělaly, nebylo jasné. Mohly by nést více energie jednoduše změnou barvy světla. Konkrétně elektrony uvolněné kovem ozářeným fialovým světlem nesly více energie než elektrony uvolněné kovem ozářeným červeným světlem.
Kdyby bylo světlo jen vlnou, bylo by to směšné.
Typicky měníte množství energie ve vlně, takže je vyšší – představte si silnou tsunami ničivé síly – spíše než delší nebo kratší. Obecněji řečeno, nejlepší způsob, jak zvýšit energii, kterou světlo přenáší na elektrony, je zvýšit vlnovou délku světla: to znamená, že světlo bude jasnější. Změna vlnové délky, a tedy i světla, by neměla znamenat velký rozdíl.
Einstein si uvědomil, že fotoelektrický jev je snazší pochopit, pokud uvažujeme o světle v termínech Planckových kvant.
Navrhl, že světlo bylo neseno v malých kvantových kouscích. Každé kvantum nese část diskrétní energie spojené s vlnovou délkou: čím kratší vlnová délka, tím hustší energie. To by mohlo vysvětlit, proč kusy fialového světla s relativně krátkou vlnovou délkou nesou více energie než kusy červeného světla s relativně dlouhou vlnovou délkou.
To by také vysvětlovalo, proč pouhé zvýšení jasu světla nedělá velký rozdíl.
Jasnější světlo dodává kovu více kousků světla, ale nemění to množství energie přenesené každým kouskem. Zhruba řečeno, jeden kus fialového světla může přenést více energie na jeden elektron než mnoho kusů červeného světla.
Co jsou fotony světla
Einstein nazval tyto kousky energie fotony a nyní jsou rozpoznávány jako základní částice. Viditelné světlo je přenášeno fotony, stejně jako jiné typy elektromagnetického záření, jako je rentgenové záření, mikrovlny a rádiové vlny. Jinými slovy, světlo je částice.
Světlo je částice
Tímto se fyzici rozhodli ukončit debatu o tom, z čeho se skládá světlo. Oba modely byly tak přesvědčivé, že nemělo smysl jeden opouštět. K překvapení mnoha nefyziků se vědci rozhodli, že světlo se chová jako částice i jako vlna. Jinými slovy, světlo je paradox.
S rozdvojenou osobností světla přitom fyzici neměli žádné problémy. Díky tomu bylo světlo do jisté míry užitečné dvojnásob. Dnes, když se spoléháme na práci světel v pravém slova smyslu – Maxwella a Einsteina – vymačkáme ze světla všechno.
Ukazuje se, že rovnice používané k popisu vlnového světla a částicového světla fungují stejně dobře, ale v některých případech je použití jedné jednodušší než druhé. Fyzici mezi nimi tedy přepínají, podobně jako my používáme metry při popisu vlastní výšky, a přecházejí na kilometry při popisu jízdy na kole.
Jak vědci využívají světlo
Někteří fyzici se snaží využít světlo k vytvoření šifrovaných komunikačních kanálů, například pro převody peněz. Dává jim smysl uvažovat o světle jako o částicích. Svalte to na podivnou povahu kvantové fyziky. Dvě základní částice, jako je dvojice fotonů, se mohou „zamotat“. To znamená, že budou sdílet společné vlastnosti bez ohledu na to, jak daleko od sebe budou, takže je lze použít k přenosu informací mezi dvěma body na Zemi.
Dalším rysem tohoto zapletení je, že kvantový stav fotonů se mění, když jsou čteny. To znamená, že pokud se někdo pokusí odposlouchávat šifrovaný kanál, teoreticky okamžitě prozradí svou přítomnost.
Jiní, jako Goulilmakis, používají světlo v elektronice. Považují za užitečnější uvažovat o světle jako o sérii vln, které lze zkrotit a ovládat. Moderní zařízení nazývaná „syntetizéry světelného pole“ dokážou spojit světelné vlny v dokonalé vzájemné synchronizaci. Díky tomu vytvářejí světelné pulzy, které jsou intenzivnější, krátkodobější a cílenější než světlo běžné lampy.
Za posledních 15 let byla tato zařízení používána ke zkrocení světla v mimořádné míře. V roce 2004 se Goulilmakis a jeho kolegové naučili produkovat neuvěřitelně krátké rentgenové pulsy. Každý puls trval pouhých 250 attosekund nebo 250 kvintiliontin sekundy.
Pomocí těchto drobných pulzů, jako je blesk fotoaparátu, dokázali pořídit snímky jednotlivých vln viditelného světla, které oscilují mnohem pomaleji. Doslova fotili pohybující se světlo.
„Od Maxwella víme, že světlo je oscilující elektromagnetické pole, ale nikoho nenapadlo, že bychom mohli pořizovat snímky oscilujícího světla,“ říká Goulilmakis.
Pozorování těchto jednotlivých vln světla bylo prvním krokem k manipulaci a úpravě světla, říká, podobně jako upravujeme rádiové vlny, aby přenášely rádiové a televizní signály.
Před sto lety fotoelektrický jev ukázal, že viditelné světlo ovlivňuje elektrony v kovu. Goulilmakis říká, že by mělo být možné přesně ovládat tyto elektrony pomocí vln viditelného světla upravených tak, aby interagovaly s kovem přesně definovaným způsobem. “Můžeme ovládat světlo a používat ho k ovládání hmoty,” říká.
Jak jistě chápete, světlo je velmi složitý jev.
To by mohlo způsobit revoluci v elektronice a vést k nové generaci optických počítačů, které budou menší a rychlejší než ty naše. “Budeme moci pohybovat elektrony, jak se nám zlíbí, a vytvářet elektrické proudy uvnitř pevných látek pomocí světla spíše než v konvenční elektronice.”
Zde je další způsob, jak popsat světlo: je to nástroj.
Nicméně nic nového. Život využívá světlo od doby, kdy první primitivní organismy vyvinuly na světlo citlivé tkáně. Lidské oči zachycují fotony viditelného světla a my je používáme ke studiu světa kolem nás. Moderní technologie posouvají tuto myšlenku ještě dále. V roce 2014 byla Nobelova cena za chemii udělena výzkumníkům, kteří sestrojili světelný mikroskop tak výkonný, že to bylo považováno za fyzicky nemožné. Ukazuje se, že když se o to pokusíme, světlo nám může ukázat věci, o kterých jsme si mysleli, že je nikdy neuvidíme.
Často mluvíme o takovém konceptu, jako je světlo, světelné zdroje, barva obrázků a předmětů, ale nemáme moc dobrou představu o tom, co je světlo a jaká barva. Je čas se s těmito otázkami popasovat a přejít od reprezentace k porozumění.
Jsme obklíčeni
Ať si to uvědomujeme nebo ne, jsme v neustálé interakci s okolním světem a přijímáme vliv různých faktorů v tomto světě. Vidíme prostor kolem nás, neustále slyšíme zvuky z různých zdrojů, cítíme teplo a chlad, nevnímáme, že jsme pod vlivem přirozeného záření pozadí, a také jsme neustále v zóně záření, které pochází z velkého množství zdrojů. telemetrie, rádiových a telekomunikačních signálů. Téměř vše kolem nás vyzařuje elektromagnetické záření. Elektromagnetické záření je elektromagnetické vlnění vytvářené různými emitujícími předměty – nabitými částicemi, atomy, molekulami. Vlny se vyznačují opakovací frekvencí, délkou, intenzitou a řadou dalších charakteristik. Zde je jen úvodní příklad. Teplo vycházející z hořícího ohně je elektromagnetické vlnění, nebo spíše infračervené záření, velmi vysoké intenzity, nevidíme, ale cítíme. Lékaři udělali rentgen a ozářili ho elektromagnetickými vlnami, které mají vysokou pronikavou sílu, ale my jsme tyto vlny necítili ani neviděli. Jistě všichni víte, že elektrický proud a všechna zařízení, která pod jeho vlivem fungují, jsou zdroji elektromagnetického záření. Ale v tomto článku vám neřeknu teorii elektromagnetického záření a jeho fyzikální podstatu, pokusím se víceméně jednoduchým jazykem vysvětlit, co je viditelné světlo a jak se tvoří barva předmětů, které vidíme. Začal jsem mluvit o elektromagnetických vlnách, abych vám řekl to nejdůležitější: Světlo je elektromagnetické vlnění, které je vyzařováno zahřátou nebo excitovanou látkou. Úlohou takové látky může být slunce, žárovka, LED svítilna, plamen ohně nebo různé druhy chemických reakcí. Příkladů může být poměrně hodně, vy sami je můžete uvést v mnohem větším množství, než jsem psal. Je potřeba si ujasnit, že pod pojmem světlo rozumíme světlo viditelné. Vše výše uvedené lze znázornit ve formě obrázku, jako je tento (obrázek 1).
Obrázek 1 – Místo viditelného záření mezi ostatními typy elektromagnetického záření.
Na obrázku 1 viditelné záření prezentovány ve formě stupnice, která se skládá ze „směsi“ různých barev. Jak jste možná uhodli, je to tak spektrum. Celým spektrem (zleva doprava) prochází vlnovka (sinusová křivka) – jedná se o elektromagnetické vlnění, které odráží podstatu světla jako elektromagnetické záření. Zhruba řečeno, každé záření je vlna. Rentgenové, ionizující, rádiové záření (rádiové přijímače, televizní komunikace) – na tom nezáleží, všechno jsou to elektromagnetické vlny, jen každý typ záření má jinou délku těchto vln. Sinusovka je jednoduše grafické znázornění vyzařované energie, jak se mění v čase. Toto je matematický popis emitované energie. Na obrázku 1 si také můžete všimnout, že zobrazená vlna se zdá být v levém rohu mírně stlačená a v pravém roztažená. To naznačuje, že má v různých oblastech různé délky. Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma sousedními vrcholy. Viditelné záření (viditelné světlo) má vlnovou délku, která se pohybuje od 380 do 780 nm (nanometrů). Viditelné světlo je jen část jedné velmi dlouhé elektromagnetické vlny.
Od světla k barvě a zpět
Ze školy víte, že pokud do dráhy slunečního paprsku umístíte skleněný hranol, většina světla projde sklem a na druhé straně hranolu uvidíte různobarevné pruhy. To znamená, že zpočátku bylo sluneční světlo – bílý paprsek a po průchodu hranolem byl rozdělen do 7 nových barev. To naznačuje, že bílé světlo se skládá z těchto sedmi barev. Pamatujte si, že jsem právě řekl, že viditelné světlo (viditelné záření) je elektromagnetická vlna, a tak ty vícebarevné pruhy, které se objevily poté, co sluneční paprsek prošel hranolem, jsou samostatné elektromagnetické vlny. To znamená, že se získá 7 nových elektromagnetických vln. Podívejme se na obrázek 2.
Obrázek 2 – Průchod paprsku slunečního světla hranolem.
Každá vlna má svou délku. Vidíte, že vrcholy sousedních vln se navzájem neshodují: protože červená barva (červená vlna) má délku přibližně 625-740 nm, oranžová barva (oranžová vlna) je přibližně 590-625 nm, modrá barva (modrá vlna) je 435-500nm., nebudu uvádět čísla pro další 4 vlny, myslím, že rozumíte. Každá vlna vyzařuje světelnou energii, to znamená, že červená vlna vyzařuje červené světlo, oranžová vlna vyzařuje oranžovou, zelená vlna vyzařuje zelenou atd. Když je všech sedm vln vyzařováno současně, vidíme spektrum barev. Pokud matematicky sečteme grafy těchto vln dohromady, dostaneme původní graf elektromagnetické vlny viditelného světla – dostaneme bílé světlo. Dá se tedy říci, že spektrum elektromagnetická vlna viditelného světla je součet vlnění různých délek, které při navrstvení na sebe vytvářejí původní elektromagnetické vlnění. Spektrum „ukazuje, z čeho je vlna vyrobena“. No, velmi zjednodušeně řečeno, spektrum viditelného světla je směsí barev, které tvoří bílé světlo (barvu). Je třeba říci, že ostatní druhy elektromagnetického záření (ionizující, rentgenové, infračervené, ultrafialové atd.) mají také svá vlastní spektra.
Jakékoli záření může být znázorněno ve formě spektra, i když v jeho složení nebudou tak barevné čáry, protože člověk není schopen vidět jiné typy záření. Viditelné záření je jediným druhem záření, které může člověk vidět, a proto se toto záření nazývá viditelné. Energie určité vlnové délky však sama o sobě žádnou barvu nemá. Lidské vnímání elektromagnetického záření ve viditelné oblasti spektra nastává díky tomu, že sítnice lidského oka obsahuje receptory, které mohou na toto záření reagovat.
Ale můžeme získat bílou pouze přidáním sedmi základních barev? Vůbec ne. Výsledkem vědeckého výzkumu a praktických experimentů bylo zjištěno, že všechny barvy, které je lidské oko schopno vnímat, lze získat smícháním právě tří základních barev. Tři základní barvy: červená, zelená, modrá. Pokud můžete získat téměř jakoukoli barvu smícháním těchto tří barev, pak můžete získat bílou! Podívejte se na spektrum znázorněné na obrázku 2; na spektru jsou jasně viditelné tři barvy: červená, zelená a modrá. Tyto barvy jsou základem barevného modelu RGB (Red Green Blue).
Pojďme se podívat, jak to funguje v praxi. Vezměme si 3 světelné zdroje (bodová světla) – červený, zelený a modrý. Každý z těchto reflektorů vyzařuje pouze jednu elektromagnetickou vlnu o určité délce. Červená – odpovídá emisi elektromagnetické vlny o délce přibližně 625-740nm (spektrum paprsku tvoří pouze červená), modrá vyzařuje vlnu o délce 435-500nm (spektrum paprsku tvoří pouze modrá) , zelená – 500-565nm (spektrum paprsku obsahuje pouze zelenou) ). Tři různé vlny a nic víc, neexistuje žádné vícebarevné spektrum a další barvy. Nyní nasměrujme reflektory tak, aby se jejich paprsky částečně překrývaly, jak je znázorněno na obrázku 3.
Obrázek 3 – Výsledek překrytí červené, zelené a modré barvy.
Podívejte se, kde se světelné paprsky vzájemně protínají, vznikají nové světelné paprsky – nové barvy. Zelená a červená tvořily žlutou, zelenou a modrou – azurovou, modrou a červenou – fialovou. Změnou jasu světelných paprsků a kombinací barev tedy můžete získat širokou škálu barevných tónů a odstínů barev. Věnujte pozornost středu křižovatky zelené, červené a modré: ve středu uvidíte bílou. Ten samý, o kterém jsme nedávno mluvili. Bílá barva je součet všech barev. Je to „nejsilnější barva“ ze všech barev, které vidíme. Opakem bílé je černá. Černá barva – to je úplná absence světla vůbec. To znamená, že tam, kde není světlo, je tma, vše zčerná. Příkladem toho je obrázek 4.
Obrázek 4 – Nedostatek světelného záření
Nějak nepostřehnutelně přecházím od pojmu světla k pojmu barvy a nic vám neřeknu. Je čas uvést rekord na pravou míru. To jsme zjistili světlý – Jedná se o záření, které je vyzařováno zahřátým tělesem nebo látkou v excitovaném stavu. Hlavní parametry světelného zdroje jsou vlnová délka a intenzita světla. Barva je kvalitativní charakteristika tohoto záření, která se určuje na základě výsledného zrakového vjemu. Vnímání barev samozřejmě závisí na člověku, jeho fyzickém a psychickém stavu. Budeme ale předpokládat, že se cítíte dostatečně dobře, čtete tento článek a dokážete rozlišit 7 barev duhy od sebe. Podotýkám, že v tuto chvíli mluvíme konkrétně o barvě světelného záření, nikoli o barvě předmětů. Obrázek 5 ukazuje vzájemně závislé parametry barvy a světla.
Obrázky 5 a 6 – Závislost barevných parametrů na zdroji záření
Existují základní charakteristiky barvy: odstín, jas, světlost, sytost.
– Toto je hlavní charakteristika barvy, která určuje její pozici ve spektru. Vzpomeňte si na našich 7 barev duhy – to je jinými slovy 7 barevných tónů. Červený barevný tón, oranžový barevný tón, zelený barevný tón, modrý atd. Barevných tónů může být poměrně hodně, jen jsem jako příklad uvedl 7 barev duhy. Je třeba poznamenat, že barvy, jako je šedá, bílá, černá, stejně jako odstíny těchto barev nepatří do pojmu barevný tón, protože jsou výsledkem míchání různých barevných tónů.
– Charakteristika, která se projevuje jak silný je vyzařována světelná energie jednoho nebo druhého barevného tónu (červená, žlutá, fialová atd.). Co když se nevydává vůbec? Pokud nevyzařuje, znamená to, že není žádná energie, a pokud není žádná energie, není žádné světlo, a kde není žádné světlo, je černá barva. Když se jas sníží na maximum, jakákoli barva zčerná. Například řetězec snížení jasu červené: červená – šarlatová – vínová – hnědá – černá. Maximální zvýšení jasu, například stejné červené barvy, poskytne „maximální červenou barvu“.
– Stupeň blízkosti barvy (barevného tónu) k bílé. Jakákoli barva se stane bílou, když se světlost zvýší na maximum. Například: červená – malina – růžová – světle růžová – bílá.
– Stupeň blízkosti barvy k šedé. Šedá je přechodná barva mezi bílou a černou. Šedá barva vzniká přimícháním stejné množství červené, zelené, modré s poklesem jasu zdrojů záření o 50 %. Sytost se neúměrně mění, to znamená, že snížení saturace na minimum neznamená, že se jas zdroje sníží na 50 %. Pokud je barva již tmavší než šedá, s klesající sytostí bude ještě tmavší a s dalším poklesem zcela černá.
Barevné charakteristiky, jako je odstín, jas a sytost, jsou základem barevného modelu HSB (jinak známého jako HCV).
Abyste porozuměli těmto barevným charakteristikám, zvažte na obrázku 7 paletu barev grafického editoru Adobe Photoshop.
Obrázek 7 – Paleta barev Adobe Photoshop
Pokud se pozorně podíváte na výkres, najdete malý kruh, který se nachází v pravém horním rohu palety. Tento kruh ukazuje, která barva je vybrána na paletě barev, v našem případě je to červená. Začněme na to přijít. Nejprve se podívejme na čísla a písmena, která se nacházejí v pravé polovině obrázku. To jsou parametry barevného modelu HSB. Nejvyšší písmeno je H (odstín, barevný tón). Určuje polohu barvy ve spektru. Hodnota 0 stupňů znamená, že se jedná o nejvyšší (nebo nejnižší) bod na barevném kole – to znamená, že jde o červenou barvu. Kruh je rozdělen na 360 stupňů, tzn. Ukazuje se, že má 360 barevných tónů. Další písmeno je S (saturace). Máme zadanou hodnotu 100% – to znamená, že barva bude „přitlačena“ k pravému okraji palety barev a bude mít maximální možnou sytost. Poté přichází na řadu písmeno B (jas, jas) – ukazuje, jak vysoko se bod nachází na barevné paletě a charakterizuje intenzitu barvy. Hodnota 100 % znamená, že intenzita barvy je maximální a bod je „přitlačen“ k hornímu okraji palety. Písmena R(červená), G(zelená), B(modrá) jsou tři barevné kanály (červená, zelená, modrá) modelu RGB. V každém z nich je uvedeno číslo, které označuje množství barvy v kanálu. Připomeňme si příklad reflektoru na obrázku 3, kde jsme se dozvěděli, že libovolnou barvu lze vytvořit smícháním tří světelných paprsků. Zapsáním číselných údajů do každého z kanálů jednoznačně určíme barvu. V našem případě je 8bitový kanál a čísla v rozsahu od 0 do 255. Čísla v kanálech R, G, B udávají intenzitu světla (jas barvy). Máme kanál R nastavený na 255, což znamená, že je čistě červený a nejjasnější. Kanály G a B obsahují nuly, což znamená úplnou absenci zelené a modré barvy. V úplně spodním sloupci vidíte kombinaci kódu #ff0000 – toto je kód barvy. Každá barva v paletě má svůj vlastní hexadecimální kód, který barvu definuje. Existuje úžasný článek Teorie barev v číslech, ve kterém autor říká, jak určit barvu pomocí hexadecimálního kódu.
Na obrázku si také můžete všimnout přeškrtnutých polí číselných hodnot s písmeny „lab“ a „CMYK“. Toto jsou 2 barevné prostory, kterými lze také charakterizovat barvy; jedná se zcela o samostatný rozhovor a v této fázi není třeba se do nich ponořit, dokud neporozumíte RGB.
Můžete otevřít paletu barev Adobe Photoshop a experimentovat s hodnotami barev v polích RGB a HSB. Všimnete si, že změna číselných hodnot v kanálech R, G a B způsobí, že se změní číselné hodnoty v kanálech H, S, B.
Barva objektu
Je na čase si popovídat o tom, jak se stává, že předměty kolem nás získávají svou barvu a proč se mění s různým osvětlením těchto předmětů.
Objekt lze vidět pouze tehdy, pokud odráží nebo propouští světlo. Pokud je objekt téměř celý absorbuje dopadající světlo, objekt přijímá černá barva. A když objekt odráží téměř veškeré dopadající světlo, které přijímá bílá. Okamžitě tedy můžeme usoudit, že barva předmětu bude určena množstvím absorbované a odražené světlo, kterým je tento objekt osvětlen. Schopnost odrážet a absorbovat světlo je určena molekulární strukturou látky, jinými slovy fyzikálními vlastnostmi předmětu. Barva předmětu „není od přírody vlastní“! Od přírody má fyzikální vlastnosti: odrážet a pohlcovat.
Barva předmětu a barva zdroje záření jsou neoddělitelně spojeny a tento vztah je popsán třemi podmínkami.
– První podmínka: Objekt může nabýt barvy, pouze pokud je k dispozici zdroj světla. Pokud nebude světlo, nebude ani barva! Červená barva v plechovce bude vypadat černě. V temné místnosti nevidíme a nerozlišujeme barvy, protože tam žádné nejsou. Celý okolní prostor a předměty v něm budou černé.
– Druhá podmínka: Barva předmětu závisí na barvě světelného zdroje. Pokud je zdrojem světla červená LED, pak všechny předměty osvětlené tímto světlem budou mít pouze červenou, černou a šedou barvu.
– A konečně třetí podmínka: Barva předmětu závisí na molekulární struktuře látky, která předmět tvoří.
Zelená tráva nám připadá zelená, protože při osvětlení bílým světlem absorbuje červené a modré vlnové délky spektra a odráží zelenou vlnovou délku (obrázek 8).
Obrázek 8 – Odraz zelené vlny spektra
Banány na obrázku 9 vypadají žlutě, protože odrážejí vlny ve žluté oblasti spektra (žlutá vlna spektra) a absorbují všechny ostatní vlny ve spektru.
Obrázek 9 – Odraz vlny žlutého spektra
Pes, ten znázorněný na obrázku 10, je bílý. Bílá barva je výsledkem odrazu všech vln spektra.
Obrázek 10 – Odraz všech vln spektra
Barva předmětu je barvou odražené vlny spektra. Předměty tak získávají barvu, kterou vidíme.
V příštím článku si povíme něco o nové charakteristice barev – barevné teplotě.
