Текст книги "Искусство цвета. Цветоведение: теория цветового пространства"

Глава II
Свет

Общее. Для того чтобы глаз видел цвета, он должен получить соответствующее раздражение. Все наши органы чувств приходят в активное состояние только при воздействии на них какой-нибудь внешней энергии. Для слуха необходимы колебания воздуха, для обоняния и вкуса – химические раздражения; органы кожи возбуждаются механическим давлением и теплотой, глаз же — светом.

Мы должны поэтому вспомнить о свойствах света или лучистой энергии. Правда, каждый школьник знаком теперь с основными законами учения о свете, или оптики; мы не имеем в виду предложить здесь сокращенный учебник этой отрасли знания. Тем не менее будет очень полезно напомнить некоторые места из отдела оптики, важные для учения, о цветах, и изложить знакомый нам соответствующий материал в той форме, в которой он окажется наиболее полезным для нашей настоящей цели.

Свет

Нормальное раздражение, к которому приспособлен наш глаз, есть свет, или лучистая энергия. Мы ее знаем как особого рода энергию, не связанную ни с каким весовым носителем. Гипотетически принятый, вследствие этого, световой эфир в наше время оказывается излишним и неприемлемым.

Основное свойство света – его периодичность. В тех границах, где наш глаз способен воспринимать свет, его колебания достигают громадных величин, 400 до 750 × 1012 раз в секунду. Есть еще большие области более быстрых и более медленных колебаний, но они не вызывают зрительных ощущений, а потому и не будут нас здесь занимать. Световые колебания по новейшим, хорошо обоснованным воззрениям, суть колебания электрической и магнитной энергии, регулярно переходящих друг в друга.

Свет распространяется в про– странстве с большой скоростью. В пустом пространстве он достигает наибольшей скорости, а именно 3,1010 сантиметров в секунду; в средах же, заполненных весомым веществом, его скорость уменьшается, и – в первом приближении – по мере возрастания плотности среды. При этом наблюдаются однако, и значительные влияния химического порядка. Тут мы имеем дело о неким элементарным свойством аддитивности (слагательности): степень замедления колебаний в элементах переносится без больших изменений и в их соединения. Наряду с этим наблюдаются и влияния конститутивного характера, которые особенно велики там, где число колебаний света совпадает с периодическими процессами в данном веществе. Тогда наступает сильное поглощение света и соответствующее изменение скорости его распространения.

Свойства световых лучей

Путь однородной световой волны определяется числом и плоскостью колебаний. Из этих двух свойств глаз воспринимает только первое – разному числу колебаний соответствуют различные цветовые тона (красный, оранжевый, желтый и т. д.). В дальнейшем нам придется специально остановиться на этой зависимости.

Плоскость колебаний нами не воспринимается. Биологическое объяснение данного явления следующее: в природе, очень редко встречается поляризованный свет одной плоскости колебаний, кроме того, такой свет не бывает обычно связан с чем-нибудь биологически важным. В природе нет поэтому факторов для развития в нашем глазу органа, приспособленного к восприятию плоскости колебаний, хотя выработать для этого воспринимающий аппарат живым существом и было бы совсем не трудно. Приведенные рассуждения помогают нам разобраться в психофизических фактах. В дальнейшем мы также будем по мере надобности пользоваться ими.

Отражение, преломление, поглощение

Если луч света или световой поток внезапно попадет из безвоздушного пространства в заполненную среду, то его скорость должна резко измениться. С этим связан целый ряд важных явлений, упоминание о которых в этой книге, ради специальных интересов всего нашего изложения, не лишне, хотя они и известны всем из физики. Явления эти: отражение, преломление и поглощение света.

Часть света отбрасывается телом назад, или отражается, при чем число колебаний не претерпевает изменений; на плоскости же колебаний это отражается таким образом, что волны располагаются более симметрично по отношению к граничной поверхности. Отражение захватывает собой тем большую часть падающего света, чем больше разница между скоростями света в обеих средах. Отражение усиливается также вместе с увеличением угла падения и при вертикальном падении равняется единице, т. е. все лучи отражаются.

От формы пограничной поверхности зависит результат отражения. Если поверхность гладкая, то параллельно падающие лучи также параллельно и отразятся под углом, равным углу падения. Направление падающих и отраженных лучей и перпендикуляр падения находятся в одной плоскости. Это явление называют зеркальным отражением.

Для зрения отражение имеет только то значение, что оно меняет направление лучей, не нарушая их расположения. Поэтому в зеркале мы и узнаем те предметы, от которых исходят лучи.

Другой крайний случай это тот, когда форма поверхности состоит из очень маленьких поверхностей всевозможных направлений. И здесь часть света тоже отражается, но, отражаясь, свет не остается упорядоченным, но рассеивается по всем направлениям. Поверхности такого рода называются матовыми.

Блеск

Большинство существующих поверхностей находится между этими границами. Вполне зеркальные и матовые поверхности суть поверхности идеальные. Если зеркальное отражение достаточно выражено, то говорят, что поверхность обладает блеском; блеск тем сильнее, чем больше лучей поверхность отражает. Жировой блеск, стеклянный блеск, бриллиантовый блеск, металлический блеск расположены по ступеням увеличивающего зеркального отражения. Очень часто отражение зависит от направления, как, например, у тканей, у которых разные неровности поверхности делают различные направления неравнозначными. Такого рода блеск называется шелковым блеском.

Блеск можно измерить или дать ему численное выражение, исходя из сравнения количества света, отражаемого блестящей поверхностью, с тем его количеством, которое отражается идеальной матовой поверхностью. Блеск, как неполное отражение, зависит от угла падения и угла отражения; он усиливается с увеличением обоих углов и достигает максимума тогда, когда оба угла равны. Нормальным углом для измерения блеска может служить половина прямого угла.

Преломление

Часть падающего света, оставшаяся после отражения, вступает в другую среду, где луч меняет свою скорость, а также и свое направление, если линия падения не перпендикулярна к поверхности разделяющей, эти среды. Угол определяется законом преломления Снеллиуса, по которому синус угла падения относится к синусу угла преломления, как скорость света в первой среде к скорости его во второй среде. Отношение этих скоростей друг к другу называется коэффициентом преломления. В данном случае также оба луча и перпендикуляр падения находятся в одной плоскости.

В среде, наполненной весомой материей, скорость света не только меньше, чем в безвоздушном пространстве, но и зависит еще от числа колебаний; замедление увеличивается с увеличением числа колебаний. Вот почему луч света, состоящий из различных длин волн, теряет, при переходе из одной среды в другую, свое единство: каждый сорт световых волн принимает в таком случае свое особое направление, соответствующее числу его колебаний. Это – наилучший и самый простой способ для отделения друг от друга различных сортов света. Открытие его принадлежит Ньютону.

Светорассеяние

Светорассеяние (дисперсия) всегда связано с преломлением света, и так как лучам различной частоты колебаний соответствуют различные цвета, оно служит причиной образования всем известных хроматических краев в тех случаях, когда по пути следования луча от предмета к глазу имеет место преломление.

Светорассеяние бывает различным по своей величине, в зависимости от того, насколько отношение скоростей различных длин волн в данной среде удаляется от единицы. Дисперсия света в общем увеличивается с преломлением, но помимо этого она зависит еще и от химической природы среды. Стекла, которые содержат бор и фтор, дают поразительную слабую дисперсию, содержащие же свинец и таллий – необычайно сильную. Эти особенности, для чисто практических целей, основательно изучены, и теперь мы имеем возможность изготовлять стекла любой рассеивающей силы.

Спектроскоп

Для анализа данного света посредством дисперсии употребляют призму, т. е. стекло, ограниченное двумя наклонными друг к другу плоскостями. Когда мы смотрим сквозь такое стекло на источник света, то он кажется нам сдвинутым со своего места и, в зависимости от числа колебаний, на равный угол. Всегда бывает видно через призму такое количество разноцветных изображений, сколько различных чисел колебаний имеется в данном свете. Большею частью мы имеем, в известных пределах, всевозможные числа колебаний. Изображение непрерывно переходит одно в другое, а все вместе располагаются в виде многоцветной полосы, в которой все цвета размещаются согласно числу соответствующих им колебаний.

Для того чтобы изображения возможно меньше покрывали друг друга, источнику света дают форму полосы, помещая его перед узкой щелью – так, чтобы она была параллельна линии пересечения двух поверхностей призмы. Проще всего это достигается тем, что перед источником света помещается щель, пропускающая лишь узкую полоску.

Изображение, которое мы получаем таким образом, называется спектром, а прибор, состоящий из призмы и щели, – спектроскопом. Для удобства наблюдения и большей его точности спектроскоп содержит еще целый ряд стеклянных чечевиц, которые в основном явлении ничего существенного не меняют. Призму лучше всего поставить таким образом, чтобы средние лучи имели прямолинейное направление – тогда легче направить спектроскоп на источник света. Наконец для многих целей очень желательно иметь в поле зрения также шкалу, на которой можно видеть числа колебаний (или длины волн). Все эти приспособления имеются у спектроскопов новейшей конструкции.

Полное отражение

Согласно закону преломления света, каждый луч может вступить под каким угодно углом из одной среды в другую, если только скорость его в этой среде уменьшается (т. е. среда оптически более плотна); в противном случае дело обстоит иначе. Тут существует предел, когда синус угла преломления равняется единице, а сам угол, следовательно, становится прямым; при дальнейшем увеличении угла падения – преломление становится уже невозможным и все количество падающего света отражается. Это есть явление полного отражения, очень важное, между прочим, и для понимания образа действия кроющих красящих веществ.

Поглощение

Часть света, попадающая в другую среду, превращается в другие виды энергии, преимущественно в тепловую, и поэтому первоначальное количество света постепенно уменьшается: Законом этого процесса – поглощения – является то, что каждую единицу своего пути данный свет проходит не полностью, а только определенной долей своего предыдущего количества. Эта доля, т. е. та часть света, которая проходит через новую среду, всегда выражается правильной дробью. Эта дробь очень часто приближается к единице; в таких случаях тела называются прозрачными. От силы света коэффициент прозрачности не зависит, зато обычно он в большей степени зависит от числа колебаний. Немного существует веществ, которые бы одинаково сильно поглощали все видимые волны света; строго говоря, ни одно тело, ни одна смесь не поглощают все лучи совершенно одинаково.

Если коэффициент прозрачности для длины пути, равной одному сантиметру, обозначит буквой d, то при длине пути, равной n сантиметрам, он выразится, как dn, поглощение же будет выражаться формулой:

1 – d_n.

Это есть математическое выражение вышеизложенного закона; d есть функция дайны волны, но не силы света.

Поглощение света в большой степени зависит от химической природы вещества. Здесь идет речь о конститутивных особенностях вещества. Элементы, валентность которых меняется при вступлении их в реакции с другими элементами, имеют во всех таких случаях разную поглощательную способность, хотя в простых соединениях она нередко одинакова или подобна. Более сложные и комплексные соединения проявляют уже иную лучепоглощаемость. Необыкновенно разнообразна поглощательная способность у ароматического ряда углеродистых соединений, если они содержат еще при этом азот и другие элементы. На этом и зиждется богатая и особенно ценная промышленность – добывание красящих веществ из продуктов коксования угля.

Поглощение зависит далее от состояния вещества. В то время как в газах часто наблюдаются узкие полосы поглощения, дающие линейчатый спектр, у жидкостей и растворов таковые очень редки. У жидких тел поглощение распространяется на большие части спектра, в границах которых оно непрерывно несколько меняется. К концам этих областей коэффициент прозрачности увеличивается и приближается к единице. Линейчатые спектры заменяются здесь спектрами, имеющими более широкие полосы поглощения с размытыми границами. Еще более равномерно и непрерывно распределяются области поглощения у твердых тел. Узкие линии поглощения очень редки, широкие, размытые полосы являются правилом. Эти факты имеют основное значение для биологического развития нашего цветного зрения, как уже и было указано нами выше. Дальше, при изложении учения о цветовом полукруге, будут изложены и правила, которые, сообразно с этим, определяют наше видение цветов.

Цвета предметов

Все цвета окружающих нас тел обусловливаются вышеизложенными явлениями. Прозрачные тела мы видим благодаря тем лучам света, которые, вследствие их частичного отражения с их поверхности, попадают в наш глаз. Когда разница в степени преломления (по сравнению с воздухом) мала, как, например, у различных газов, то такие тела не доступны нашему зрению. Если имеется частичное поглощение, то тела видятся нами как прозрачные цветные, как, например, цветные стекла, вода, многие драгоценные камни и т. д.

Если тело состоит из множества маленьких частиц с различными показателями преломления, то свет не может там проложить себе длинного прямого пути. Поэтому они не прозрачны. Если при этом нет заметного поглощения, то свет рассеивается и отражается; такие тела нам кажутся белыми.

Чаще всего в этом случае одной из составных частей такой смеси является воздух. При рассмотрении белых тканей под микроскопом мы видим прозрачные волокна, при рассмотрении белых порошков мы видим прозрачные кристаллики или частицы таковых; как те, так и другие заключают в промежутках между собой воздух. То же наблюдается и у всех других белых тел. Особенно характерно это для таких белых красящих веществ, как свинцовые белила, цинковые белила, мел и т. д. которые состоят из прозрачных, мелких, сильно преломляющих зернышек. Они кроют тем лучше, чем больше их преломляющая способность.

Хроматические (цветные) тела отличаются от белых только тем, что прозрачные кристаллики или волокна проявляют избирательное поглощение; непоглощенные же лучи отражаются и обусловливают цвет. Абсолютно непрозрачных веществ не существует; зато часты вещества с малым коэффициентом прозрачности. Непрозрачность большинства тел объясняется тем, что они состоят из оптическиразличных частиц довольно значительных размеров (немногим меньше 0,001 мм), которые дают сильное отражение и являются препятствием для прохождения света. У металлов мы наблюдаем особенности, обусловливающие их блеск; но и металлы при достаточном размельчении становятся прозрачными.

Таким образом, большинство цветов внешнего мира зависит от поглощательной способности твердых тел. Поэтому при спектральном анализе цветов тел мы видим, что их отраженный свет, который и является причиной их окраски, состоит из широкой полосы близких друг к другу световых волн. Рядом с ними находятся темные полосы или области поглощения. У ярких цветных тел эти области занимают приблизительно половину спектра. Очень часто мы встречаем область поглощения в середине спектра, как раз в зеленом цвете. Тогда отражаются световые волны обоих концов спектра, с одной стороны красные, а с другой – фиолетовые и синие. Эту смесь цветов мы воспринимаем целостно, как однородный цвет (как это бывает и при всех других смесях), и она дает нам ряд не встречающихся в спектре розовокрасных, синекрасных и пурпурных цветов. В дальнейшем мы будем иметь возможность их изучить. Красящие вещества естественного и искусственного происхождения с поглощением в зеленой части спектра встречаются весьма часто.

Диффракция

До сих пор рассмотренные нами свойства света выявляются в таких измерениях, которые велики по сравнению с длиной отдельной световой волны, и эта последняя не оказывала поэтому на них влияния. Но имеется еще и другая группа важных свойств, которые обусловливаются непосредственно длиною световых волн. Самое важное из них – диффракция света. Если мы пропустим солнечный свет через узкую щель в темную комнату, и в образовавшуюся узкую полосу света поместим волос или другой темный предмет, то получится не простая тень. Эта тень будет состоять из узкой средней линии, по обеим сторонам которой расположатся параллельные светлые и темные полоски, при более тщательном исследовании оказывающиеся хроматическими (цветными). В этом случае свет проходит не просто по прямой линии: его лучи, как будто «загибаясь», попадают в геометрическую область тени, отчего этот процесс и получил название «загибания» (Beugung), или диффракция света.

Если волос заменим узкой щелью, которую поставим параллельно первой щели, то увидим светлую среднюю линию. По обеим сторонам от этой линии симметрично расположатся темные и светлые полоски, которые становятся окрашенными и все более слабыми по мере удаления от средней линии.

Причина этого явления лежит в волнообразной природе света. Если две волны так проявляют себя, что понижение и понижение, или подъем и подъем совпадают, то они усиливают друг друга. Если же понижение одной совпадает с подъемом другой и наоборот, то эти волны уничтожают друг друга. Это явление называется интерференцией света.

Рис. 3

Рис. 3 дает представление о том, как образуются вышеупомянутые полоски. Согласно теории волн, щель, заполненная светом, действует как само светящееся тело. Представим себе, что из света, падающего на щель SS, взяты точки, e и d, тогда пути света по do и по ес будут иметь одинаковую длину; в точке О попадут одно на другое, подъем волны на подъем, понижение на понижение, и количества света сложатся.

В стороне от О, например, в С, находится точка, для которой пути dс и ес отличаются друг от друга наполовину длины волны. Там совпадут понижение одной и подъем другой, подъем одной и понижение другой, и волны, в результате этого уничтожат друг друга. Поэтому там получится темнота.

Еще дальше за С находится место, где разница между длинами путей составит полную длину волны. Там опять наступает сложение волн, т. е. яркий свет.

Таким образом, темные и светлые полоски чередуются друг с другом, но они ослабляются, так как количества света, падающие в стороны, все уменьшаются. Совершенно то же мы наблюдаем и по другую сторону от точки О.

Эти рассуждения будут верными только в том случае, если речь идет о свете одной определенной длины волны. Если же мы имеем дело с дневным светом или, как то обычно и бывает, с какими-нибудь другими неоднородными лучами, то от каждой длины волны должна получиться своя особая картина. Эти изображения не совпадут, так как чем длиннее волна, тем дальше отстоит точка С от средней точки О. Различным волнам соответствуют разные цвета; вместо чередования просто светлого и темного у нас получатся разноцветные полоски.

Диффракционный (решетчатый) спектр

Если вместо простой щели применить целый ряд тесно соприкасающихся друг с другом щелей, «решетку», то явление соответственно этому расширяется. При этом получается разложение света, подобное тому, какое дает и призма, и при помощи решетки можно так же приготовлять спектроскопы, как и при помощи призм. Все-таки решетчатые спектры во многом отличаются от призматических. Во-первых, в решетчатых спектрах меньше всего отклоняются короткие волны, а длинные больше всего, в призмах же дело обстоит наоборот. Во-вторых, у решетчатого спектра цвета расположены пропорционально увеличивающейся длине волн так, что они в этом отношении построены строго закономерно. Призматические спектры, наоборот, показывают некоторое отклонение в том смысле, что одинаковым различиям волн соответствуют тем большие участки в спектре, чем волны короче. Другими словами, призматические спектры сильно растянуты в сторону синего и фиолетового, в сторону же красного они сильно сжаты по сравнению с решетчатым спектром и расположением, пропорциональным длине волн.

В-третьих, призматические спектры гораздо более светосильны, чем решетчатые спектры, потому что в призме рассеивается весь вступающий в нее свет, в то время как в диффракционной решетке отклоняется только часть света, и эта часть дает не один спектр, а много спектров, смежных друг с другом.

В зависимости от того, насколько важны вышеописанные преимущества и недостатки того и другого вида спектров, и следует выбирать для аппаратуры призмы или диффракционные решетки. Последние имеют то преимущество, что, при условии наличия достаточного света, дают возможность достичь большей степени светорассеивания, благодаря чему с помощью диффракционного (решетчатого) спектра можно провести анализ гораздо дальше идущий, чем с помощью призмы. Призмы же имеют преимущество, если иметь в виду силу света.