ФОТОНЫ,СПЕКТРЫ И ЦВЕТ
I. Электромагнитное излучение
Электромагнитноеизлучение представляет собой поток особых частиц — фотонов (photon = «светон» по-русски). Эти частицы,которые принято обозначать символом γ (или hn), все время летят с огромнойскоростью c = 300 000 км/с = 3·1010см/с в вакууме (несколько медленнее в прозрачных конденсированных средах).Направление движения и скорость представляют собой вектор скорости />, который являетсяфундаментальным свойством (атрибутом) фотона (при этом скорость и направление,как правило, независимы). Фотон обладает электрическим и магнитным полями,которые совершают противофазные гармонические колебания перпендикулярнонаправлению полета фотона с частотой n (Гц = с-1). Эта частота неизменна и является атрибутом фотона.
За период (т.е. за времяодного колебания) фотон пролетает в вакууме расстояние l = c/n, которое называется «длина волны». Длине волны 550 нм (это наиболееяркий цвет для нашего глаза) соответствует частота 5,455·1014 Гц =545,5 ТГц. Условно можно считать, что размер фотона равен (соответствует)величине l.
/>/>
Рис. 1. Схема движенияфотона.
/> — фотон и его спиральная траектория; /> - вектор скорости фотона; /> — вектор напряженностимагнитного поля; /> — векторнапряженности электрического поля фотона; l — длина волны.
На рис. 1 показана схемадвижения фотона. Плоскость колебаний вектора H называется плоскостью поляризации или просто поляризациейфотона; плоскость колебаний вектора E так и называется — плоскость колебаний. В вакууме эти плоскостификсированы (неизменны) в пространстве, поэтому поляризация является одним изатрибутов фотона.
Если провести кривуючерез сумму векторов H и E (сумма векторов равна диагоналипрямоугольника, сторонами которого являются слагаемые вектора) получитсяспираль, закрученная либо по часовой стрелке (правая спираль), либо противчасовой стрелки (как на рис. 1, левая спираль). Эти две возможныепространственные траектории соответствуют квантово-механическому свойствуэлементарных частиц, которое называется «спин» и которое у фотона имеет 2состояния (±1). Спин и соответствующая спиральность представляют собой важноефундаментальное свойство фотона. Важнейшим атрибутом фотона является егоэнергия: Eγ = h·n = h·c/l; здесь h = 6,626·10-34 Дж·с – фундаментальная физическаяконстанта, которая называется «постоянная Планка»; c — скорость света в вакууме.
Энергии фотонов видимогосвета расположены в диапазоне от ~160 кДж/моль (дальний красный свет) до ~310кДж/моль (дальний фиолетовый свет). Для l = 550 нм (см. выше) Eγ = NA·3,614·10-19 Дж/(моль g) = ~218 кДж/моль (NA = 6,022·1023 моль−1 — число Авогадро).
Для сравнения «условносредняя» энергия гамма-квантов (фотонов гамма-излучения) около 5∙1011Дж/моль = 500 000 000 кДж/моль(!), а энергия, выделяемая при окислении глюкозыдо CO2 и H20, составляет ~2870 кДж/моль[1],однако в организме большая часть (~60%) этой энергии рассеивается (переходит втепло) и запас химической энергии составляет ~1145 кДж/моль глюкозы — это 36молекул АТФ с энергией гидролиза ~31,8 кДж/моль АТФ.
Таким образом,существует 5 фундаментальных свойств фотона: скорость, направление, поляризация, энергия (илисопряженная частота) и спин (или сопряженная спиральность).
Монохромное(монохроматическое) и гетерохромное излучение. Цвет.
Поток фотонов сприблизительно одинаковыми значениями n называется монохроматическим (или монохромным)излучением (одноцветное излучение по-русски). В видимом диапазоне оновоспринимается как окрашенный световой поток. Цвет однозначно определяетсяэнергией (или сопряженной частотой) фотонов, что позволяет приписать фотонуцвет соответствующего монохромного излучения. Наиболее чистые монохромные линииизлучения дают лазеры: полуширина (т.е. ширина на половине высоты) линиииспускания гелий-неонового лазера меньше 0,01 нм (рис. 2). Лазерные фотоны,кроме того, имеют одинаковые направления и поляризации, т.е. практическиидентичны. Такое излучение называется когерентным.
/>
Рис. 2. Спектрыиспускания трех типов источников фотонов оптического диапазонаэлектромагнитного излучения.
ГНЛ – гелий–неоновыйлазер: монохроматическое излучение при 632,8 нм; ДЛР – дуговая ртутная лампа(высокого давления): линейчатый (дискретный) спектр (показан его вид вспектроскопе и соответствующий график с указанием длин волн некоторых линийлюминесценции паров ртути); РТ – раскаленные тела (солнце, лампа накаливания):сплошной (непрерывный) спектр излучения.
Однако наиболеераспространенные источники электромагнитного излучения, например, солнце, испускаютфотоны с различными энергиями (гетерохромное излучение), которые различаются повсем фундаментальным свойствам. Совокупность этих фотонов образует СПЕКТРиспускания.
Спектром какого-либопараметра в общем случае называется зависимость параметра от частоты (илиточнее – распределение значений параметра по частоте). В оптике спектром такженазывают и чаще используют зависимость параметра от длины волны в вакууме,которую называют просто «длина волны».
Как видно из рисунка,существует 2 типа такого излучения – дискретное и непрерывное. Дискретныелинейчатые спектры характерны для атомов и небольших молекул в газовой фазе(при нормальном или умеренном давлении). Сплошные (непрерывные) спектры воптическом диапазоне характерны для тел, нагретых до нескольких тысяч градусов.
Совокупность фотонов,исходящих от солнца (спектр излучения солнца) в космосе соответствуеттемпературе ~6000° смаксимумом при ~500 нм. Этот спектр наш зрительный анализатор принимает за«точку отсчета», и мы воспринимаем его как белый цвет. В атмосферекоротковолновая часть спектра рассеивается, и максимум спектра сдвигается ~ к550 нм (слегка желтоватый цвет).
II. Взаимодействие фотоновэлектромагнитного излучения с
веществом
Фотоны весьма эффективновзаимодействуют с электронами – как свободными, так и входящими в состав атомови молекул, причем оптические фотоны взаимодействуют исключительно с внешнимиэлектронами, которые поэтому называются оптическими электронами:взаимодействуют векторы электрического поля частиц. Существует два основныхтипа таких взаимодействий: упругие и резонансные.
1. Упругиевзаимодействия. Фотоны видимого и ультрафиолетового излучения «залипают»(задерживаются) на внешних электронах атомов и молекул. В результате этого скоростьv движения фотонов в конденсированных(плотных) прозрачных средах уменьшается:
v = c/n,
где n – (абсолютный) показательпреломления. Показатель преломления любого газа, в том числе воздуха (n = 1,0003), при обычных условияхмного меньше, чем показатели преломления жидкостей (~1,5) или твердых тел (уводы n = 1,333).
При этом изменяютсянаправление движения и поляризация фотонов и длина волны, но энергия (ичастота) и спин не изменяются.
С этим типомвзаимодействия фотонов и электронов связаны такие явления, как зеркальноеотражение и преломление света (рис. 3), диффузное (неупорядоченное, хаотичное)отражение, дифракция (отклонение от прямолинейного направления движения фотоновв неоднородных средах, огибание препятствий) и интерференция (взаимодействиекогерентных пучков, приводящее к неравномерному распределению интенсивностиизлучения в пространстве) и, наконец, дисперсия – расхождение цветных лучей(фотонов с разной энергией) при преломлении и дифракции.
Упругие взаимодействиятакже являются причиной молекулярного рассеяния света – хаотического изменениянаправления и поляризации фотонов при взаимодействии с внешними электронамиатомов и молекул.
Вероятность и величинаэтих изменений в прозрачных средах малы, но накапливаются при большом пробеге (сотникм в атмосфере) и становятся заметными, например, синее небо: рассеяниепропорционально ν4 (λ–4), и рассеиваются восновном фотоны синей области спектра. Рассеяние пропорционально n2 (n –показатель преломления), поэтому эффекты рассеяния более выражены в плотныхсредах, например, вода синеет на глубине (при толщине слоя) несколько метров.Рассеяние ~ пропорционально размеру молекул и/или их агрегатов (надмолекулярныхкомплексов или молекулярных систем, к которым можно отнести внутриклеточныечастицы – митохондрии, хлоропласты etc.)
/>
Рис. 3. Зеркальноеотражение и преломление света.
Гетерохромный потокфотонов на границе двух сред разной плотности разделяется на несколько пучков:луч отражения (3) и лучи преломления (2). Если среда, из которой поток исходит(луч 1) – вакуум или газ, а плотная среда прозрачна и однородна, то характерраспределения фотонов по пучкам определяется спектральным составом иполяризацией входящего луча и показателем преломления n = c/v плотной среды: sin(a)/sin(b) = n; n синего луча ~ на 2% больше, чем n красного луча, т.е. углы преломления разноцветных лучейнезначительно различаются: b2 – b1 = ~1º, но на больших расстояниях расхождениелучей – дисперсия – становится существенным (радуга, например).
Оба выходящих пучка (2 и3) частично поляризованы, даже если входящий луч (1) не поляризован (т.е. состоитиз фотонов с разной произвольной поляризацией): пучок 2 частично поляризован вплоскости, перпендикулярной плоскости отражения, а луч 3 – частично илиполностью (tg(a) = n) поляризован в плоскости отражения.
Если плотный объект имеетплоскую параллельную нижнюю грань, как на рисунке, на этой грани произойдетотражение (4) и преломление (5), а отраженный луч в свою очередь отразится (6)и преломится (7) на верхней грани и т.д. Причем лучи 1 и 5, 2 и 6, 3 и 7параллельны, а углы отражения лучей 4 равны b1и b2, соответственно. Если sin(b) > 1/n, наблюдаетсяявление полного внутреннего отражения (преломленные лучи 5 и 7 отсутствуют), –это свойство реализуется в волоконной оптике.
2. Резонансныевзаимодействия – поглощение света.
Все атомы и молекулы,наряду с заполненными s, p, d и f орбиталями, имеютбольшое количество вакантных – не заполненных – орбиталей, как это показано нарис. 4.
Эти орбитали далекоотстоят от уровня энергии ближайших к ним внешних оптических электроновмолекулы, и самопроизвольно электроны не могут попасть на эти орбитали. Однакоэлектрон может захватить подходящий фотон и перескочить на одну из вакантныхорбиталей.
Этот переход имеетсвойства электрического диполя и характеризуется дипольным моментом перехода μ= q∙l (q – зарядэлектрона, l – длина диполя), который имеетстрого определенное направление относительно молекулярных осей. Для захватафотона, который (захват) называется поглощением света и приводит к возбуждениюмолекулы, необходимо выполнение следующих условий:
1) электрон и фотоннаходятся на расстоянии взаимодействия;
2) резонанс энергий:разность энергий основного S0и возбужденного Sk состояний электрона равна энергиифотона (поэтому резонансные взаимодействия);
3) направлениедипольного момента перехода S0→ Sk в пространстве ~ совпадает снаправлением колебаний вектора Eэлектрического поля фотона (в растворе молекулы ориентированы в пространствехаотично, и 1/3 из них всегда удовлетворяет этому условию);
4) совпадают спины(спиновые состояния) электрона и фотона.
/>
Рис. 4. Структура внешнейэлектронной оболочки сложной органической молекулы.
S0– основное состояние, молекулярная орбиталь, накоторой находятся внешние оптические электроны; S1–S6 – вакантные орбитали; A – захват фотона, поглощение(возбуждение молекулы); F –излучение фотона, флуоресценция (люминесценция, свечение молекулы); R1 – тепловая релаксация возбужденных состояний (спотерей части энергии фотона); R2 – тепловая релаксация в основноесостояние (с полной потерей энергии) – фотон исчезает.
Слева – виртуальнаяструктура в газовой фазе (по аналогии с атомными спектрами), которойсоответствует линейчатый спектр поглощения; справа – реальная структура с«размытыми» электронными уровнями вследствие внутри– и межмолекулярныхвзаимодействий. Структуре соответствует гладкий широкополосный спектрпоглощения (рис. 5).
В виртуальной структуревозбужденные уровни не взаимодействуют, переходы между ними маловероятны,поэтому основной канал дезактивации возбужденных состояний – флуоресценция(почти без потери энергии).
В реальной структуреуровни существенно перекрываются, и возбуждение ~ за 10–12 сскатывается на нижнюю орбиталь, на которой задерживается на время 10–9–10–8с, в течение которого переходит в основное состояние путем тепловой релаксации(R2) или с излучением фотона флуоресценции (F).
/>
Рис. 5. Спектрыпоглощения сложной органической молекулы (пигмента).
Показан виртуальныйлинейчатый спектр молекулы в газовой фазе и реальный широкополосный спектрпоглощения молекулы в растворе. Соответствующие электронные структуры молекулыприведены на рис. 4.
При соблюдении этихусловий электрон с большой вероятностью захватит фотон и перейдет насоответствующую вакантную орбиталь Sk. Поскольку таких уровней много, поглощение молекулы в целомхарактеризуется спектром поглощения. Для электронной структуры, показанной нарис. 4, соответствующие спектры поглощения приведены на рис. 5.
У сложных органическихмолекул в конденсированных средах вследствие внутри– и межмолекулярныхвзаимодействий возникает большая неопределенность энергий молекулярныхорбиталей, электронные уровни становятся размытыми и перекрываются между собой(рис. 4), в результате чего возбужденный электрон быстро (~ за 1 пс)скатывается на нижний возбужденный уровень S1 (см. подпись к рис. 4), откуда он переходит в основноесостояние либо путем безизлучательной тепловой релаксации, либо с излучениемфотона флуоресценции. Энергия этих фотонов значительно меньше, чем у исходного,захваченного фотона, а излучаются они в направлении, перпендикулярном направлениюперехода S0→ S1; за времяжизни возбуждения (среднее время пребывания электрона на S1) молекула в растворе успевает повернуться на любойугол, поэтому направление движения и поляризация фотона флуоресценции могутбыть любые, случайные, а спиновое состояние – как у электрона на S1 орбитали (как правило, совпадает с исходным). Врезультате резонансных взаимодействий фотона и электрона (захвата фотонамолекулой) этот фотон исчезает. Вместо него можетпоявиться новый фотон с меньшей энергией, произвольным направлением движения,поляризацией и спином (спин электрона может измениться в процессе релаксации),т.е. меняются ВСЕ фундаментальные свойства фотона или он вообще исчезает.
/>
Рис. 6. Схема измерениякоэффициентов и спектров поглощения пигментов в растворе.
Параллельный(сфокусированный) пучок фотонов, как правило, монохроматический с переменнойдлиной волны, пропускают через кювету с раствором пигмента. При прохождениичерез раствор пучок ослабляется, т.к. часть фотонов поглощается молекуламипигмента. Процесс поглощения описывается законом Бугера–Ламберта–Бера[2].
ЗаконБугера–Ламберта–Бера можно выразить следующими формулами:
T = I/I0= 10–D; D = k(l)·L;
здесь I0–интенсивность (мощность) входящего пучка фотонов, I – интенсивность (мощность)выходящего пучка, L – толщина слоявещества, через которое проходит свет (длина оптического пути); T – [оптическое] пропускание; D – оптическая плотность; k(λ) –[десятичный] показатель поглощения, характеризующий свойства вещества изависящий от длины волны (в вакууме) λ поглощаемого света. Эта зависимостьназывается спектром поглощения вещества.
Для растворов пигментов внепоглощающих растворителях k(λ) = e(l)·[C], где e(l) – молярный коэффициент поглощения, [C] – концентрация растворенноговещества, моль/л.
Спектры k(λ), e(l) и D(l) не зависят от концентрации. Спектр пропускания T(l,C), наоборот, зависит, однако именноэтот спектр, с учетом спектральной зависимости нашего субъективного восприятия,однозначно определяет цвет пигмента.
Рассмотрим связьпоглощения и цвета на примере растворов растительного пигмента антоциана,который обуславливает окраску цветов и зрелых плодов и ягод. Спектры поглощенияантоциана (точнее, смеси антоцианов) приведены на рис. 7.
Эксперимент выполненученицей 9б класса МОУ Лицея «Физико-техническая школа» (г. Обнинск) ЮлиейДуфлот под руководством преподавателя химии высшей категории Е.В. Тетенькиной.Спектры измерены на спектрофотометре «Specord» (Германия). Математическая обработка (интерполирование,экстраполирование и сглаживание спектров) проведена в среде MatLab (MatLab®, the MathWorks, Inc.) автором, сотрудником ВНИИ СХРАЭРАСХН (г. Обнинск, 109 км Киевского шоссе) Тетенькиным В.Л.
/>
Рис. 7. Спектрыпоглощения антоцианов из ягод черники при разных pH растворов.
Цвет линий и точекприблизительно соответствует окраске растворов пигментов (в скобках – pH образцов по универсальномуиндикатору): образцы №1 (2,5) и №2 (4) красные; №3 (6,5) розовый; №4 (8)зеленоватый; №5 (10) светло-желтый.
Как видно из рисунка 7,спектры антоциана очень подвижны, зависят от pH раствора и, как показал эксперимент, могут соответствоватьпрактически любому цвету раствора. Широкая цветовая гамма антоцианов и простотасмены цвета объясняет, почему именно этот пигмент выбран природой для окраски.Локализация пигмента в вакуолях (рис. 9) позволяет создать любую егоконцентрацию и придать окраске необходимую густоту и насыщенность.
При движении от кислой кщелочной среде можно отметить монотонные изменения спектров поглощенияантоцианов:
1) уменьшаетсяамплитуда поглощения в видимой области спектра, т.е. растворы становятся болеесветлыми (прозрачными);
2) максимум ввидимой области смещается в длинноволновую сторону, что приводит к характернымизменениям цвета растворов;
3) увеличиваетсяамплитуда поглощения в фиолетовой (ультрафиолетовой) области спектра,доминирование поглощения в которой придает растворам желтоватый оттенок.
/>
Рис. 8. Антоциандельфинол.
Присоединения глюкозыпревращает антоцианидиндельфинидол в антоциан (моно или дигликозид).
У пигментов все 7 двойныхсвязей сопряжены, одна из них (красная) – полуизолирована.
Катион металла уоксоний–аниона кислорода определяет цвет пигментов: Fe – синий, Mo –фиолетовый, Ca – пурпурный. Цвет зависит также отдиссоциации OH групп и, следовательно, от pH раствора пигментов.
/>
Рис. 9. Схема строенияклетки растений.
Все пигменты фотосинтеза(хлорофиллы, каротиноиды) находятся во внутренних мембранах хлоропластов, аводорастворимые антоцианы локализованы в изолированных мешках — вакуолях. Вживых листьях антоцианы поглощают избыточную солнечную радиацию в видимойобласти спектра (максимум поглощения антоцианов расположен в областиэнергетического максимума излучения солнца) и ультрафиолет, защищая, такимобразом, важные молекулярные компоненты клеток от повреждения. В цветах изрелых плодах антоцианы обуславливают их окраску, хлоропласты отсутствуют,а вакуоль с раствором антоцианов занимает почти весь объем клетки, что придаетокраске необходимые густоту, колорит, яркость и насыщенность.
При увеличенииконцентрации возрастает вклад слабых полос в формирование цвета раствора. Вчастности, например, образец 4 при высокой концентрации, вероятно, будет«казаться» синим, а образец 5 – зеленоватым.
Структурная химическаяформула одного из антоцианов показана на рис. 8. Большое число двойныхсопряженных связей и анион оксония в гетероцикле приводят к общему смещениюглавного длинноволнового максимума ~ в середину оптического диапазона.Конкретное положение и амплитуда максимума зависят от pH раствора и катиона (рис. 8).
/>
Рис. 10. Спектральныеэффекты зрительного восприятия света:
a – спектр поглощения пигментов клетоксетчатки человеческого глаза (колбочек), ответственных за цветовосприятие; b – спектр цветовосприятиячеловека (спектральная чувствительность сетчатки, скорректированнаязрительным анализатором); 1, 2, 3, 4, 5 – спектры зрительного восприятияокраски антоциана при разных pHрастворов (см. рис. 7). Номера соответствуют номерам образцов.
По спектрам,представленным на рис. 7, можно рассчитать пропускание растворов и определитьих цвет.
Зрительный эффект,производимый цветом светового луча некоторой длины волны, пропорционаленинтенсивности излучения и чувствительности зрительного анализатора кэлектромагнитному излучению этой длины волны:
эффект = Const·T·b,
где T – оптическое пропускание растворовпигмента, b – спектральная зависимостьцветовосприятия.[3] Спектры цветовосприятиярастворов антоциана с различными значениями pH представлены на рис. 10.
Из указанных спектроврассчитаны вклады цветовых составляющих палитры RGB в каждый из спектров растворов антоциана, суммойкоторых окрашены круги, показанные на рис. 11.
Совпадение с реальнойокраской растворов антоциана очень хорошее. Синий цвет, подобный 4a, имеет экстракт ягод черники, вкотором концентрация антоцианов достаточно велика, при щелочных pH.
/>
Рис. 11. Реконструкцияцвета растворов антоциана из ягод черники.
Цвета получены в палитре RGB (Red-Green-Blue) компьютера, соотношениеинтенсивностей цветов RGBрассчитано из спектров зрительного восприятия окраски растворов антоциана (рис.10). Номера окрашенных кругов соответствуют номерам образцов. 4a – образец 4 при ~ пятикратноувеличенной концентрации антоциана: при высоких концентрациях происходитассоциация (как правило, димеризация) молекул пигментов, вследствие которойпроисходит перераспределение амплитуд коротковолновых и длинноволновых полоспоглощения в пользу последних. В результате этого в спектре 4 (рис. 10) нарядус общим уменьшением амплитуд произойдет значительное ослабление краснойсоставляющей (650 нм) и существенное усиление синей составляющей (450 нм).Комбинирование RGB дает цвет 4a.
III. Особенности человеческогоцветовосприятия
В сетчатке глаза имеется3 типа специальных клеток – колбочек, содержащих 3 разных зрительных пигмента сразличающимися спектрами поглощения. Общий спектр этих пигментов показан нарис. 9 (кривая a). Этих трехпигментов в трех типах колбочек достаточно для различения огромного количествацветовых оттенков.
При поглощении пигментомфотона колбочки посылают импульс в зрительный анализатор, расположенный взатылочной части коры головного мозга. Анализатор подразделен на три:анализатор контуров, анализатор движения и анализатор цвета. Первые дваполучают информацию от других клеток сетчатки – палочек, а сигналы от колбочекпоступают в анализатор цвета, который выдает информацию о пространственномраспределении цветовой палитры. В сознание поступает интегрированная информациявсех трех анализаторов.
Колбочки первого типа(К1) содержат пигмент, поглощающий синий свет (~450 нм); колбочки второго (К2)и третьего (К3) типов содержат пигмент, поглощающие в широком спектральномдиапазоне с максимумом в желто-зеленой области спектра (~550 нм); спектр К3смещен относительно К2 ~ на 10 нм в длинноволновую сторону.
Частота нервных импульсов,поступающих в анализатор, зависит от λ и пропорциональна амплитудепоглощения колбочек при этой длине волны.
Обработка информацииначинается уже в нервных волокнах: импульсы от К1 и К2 поступаютнепосредственно в анализатор, а импульс от К3 гасится импульсами от К2.Вследствие этого в спектральной области, где поглощение К2 ³ К3, импульс от К3 в анализаторпроходит редко, т.к. высока вероятность его подавления импульсом от К2. Вдлинноволновой части спектра поглощение К3 >> К2, импульс от К3 гаситсяредко. В результате спектр импульсов от К3 оказывается в красной областиспектра (~650 нм). Таким образом формируется третий квазипигмент.[4]
Очевидно, что амплитудыпоглощения этих пигментов неодинаковы: поглощение и частота импульсов отпигмента К1 и квазипигмента К3 ~ в 5 раз меньше, чем у желто-зеленого пигментаК2. Анализатор корректирует спектральную чувствительность зрения сиспользованием всего накопленного опыта и запомненной информации, подравниваяспектральную чувствительность к виду (рис. 10, кривая b), близкому к спектру солнечного излучения, прошедшего черезатмосферу.
Три типа детекторов цветав сетчатке означает, что в цветовосприятии должны существовать три базовыхцвета… Предположительно это – красный,желтый и синий, комбинации которых показаны на рис. 12.
/>
Рис. 12. Спектральныеособенности зрительного анализатора человека.
1, 2 и 3 – комбинациитрех базовых цветов, предположительно красного, желтого и синего, зараспознавание которые отвечают три типа колбочек и три зрительных пигмента, врезультате дают 3 промежуточных цвета[5] (в парах кругов один –полупрозрачный). При этом фиолетовый цвет оказывается между красным и синим.Это означает, что линейная цветовая шкала (соответствующая шкале длин волн) ванализаторе цвета свернута в кольцо (4), как это показано на рисунке.
Комбинации пар этихцветов дает промежуточные 3 цвета (фиолетовый, зеленый и оранжевый), при этомфиолетовый оказывается промежуточным между красным и синим. Это означает, что узрительного анализатора линейная цветовая шкала свернута в непрерывное кольцо,как это показано на рис. 12 (см. подпись к рис. 12).[6]
Это наблюдениеподтверждают и непосредственные эксперименты по восприятию цвета: цвет лучей вдальней красной области бордовый, который относится скорее к фиолетовойцветовой гамме, чем к красной. Соответственно, цвет лучей фиолетовойкоротковолновой области приобретает красноватый оттенок (пурпурный цвет).Смыкание шкалы происходит при длинах волн, которые глаз и анализатор уже невидят (около 350 и 780 нм).
Эта свертка создаетвозможность для компактной формы записи и хранения информации: необходимохранить коды трех базовых цветов и для любого оттенка – 3 числа (вернее, ихмозговые аналоги или коды), которые соответствуют интенсивности трех базовыхцветов в окраске объекта. Большей информацией анализатор цвета и нерасполагает, поскольку пигментов всего 3.[7]
В линейной шкале тожеможно выделить базовые оттенки, но в эту базовую цветовую систему должныобязательно входить краевые цвета: дальний красный и дальний фиолетовый,которые для анализатора ничего не означают и зрительно не представимы,поскольку человек их никогда не видел. По этой же причине этим базовымкомпонентам невозможно приписать «число», соответствующее амплитуде компонента.Если же взять те же базовые цвета, что получились при кольцевой свертке,спектральные области ниже 450 нм и выше 650 нм не могут быть оцифрованы ивыпадают из анализа.
В случае простых спектровшестиугольник цветовосприятия (рис. 12) позволяет предсказать цвет пигмента,если известно спектральное положение его максимума поглощения: цвет будетпротивоположным. Например, в спектре образца №1 (рис. 7) ярко выраженный максимумрасположен при 520 нм, следовательно, цвет раствора – красный.
Для двухкомпонентныхспектров излучения или пропускания с ~ одинаковыми амплитудами компонентов цветбудет промежуточным. Например, объект, спектр которого состоит из синей изеленой полос, будет голубой etc.Сложение противоположных цветов дает цвет в черно-белой палитре.
Кроме трех «чисел»,характеризующих цвет, цветовой анализатор передает в интегратор информацию оформе (по аналогии с цветом можно предположить, что анализатор имеет базовый наборформ – круг, квадрат etc.),размере (это «число») и координатах в пространстве (3 «числа») данного цветногопятна и, последовательно, всех таких пятен в поле зрения. Интегратор сиспользованием информации от анализатора контуров детализирует форму цветногопятна, и в сознание поступает четкая цветная картинка.
Литература
1. В.Л. Тетенькин, ВНИИСельскохозяйственной Радиологии и АгроЭкологии, г. Обнинск, 109 км Киевскогошоссе, 2011 г.