Warto przeczytać

Źródła światła białego

W naszym codziennym otoczeniu znajduje się wiele źródeł światła, których barwę odbieramy jako białe (Rys. 1.).

R9TOhlslW8CqN
Rys. 1. Oprószony białym śniegiem las, widziany z góry
Źródło: dostępny w internecie: https://www.pexels.com/photo/aerial-photography-of-snow-covered-trees-3509971/ [dostęp 11.05.2022 r.].

Są to między innymi:

  1. Słońce, którego światło obserwujemy po odbiciu od przedmiotów,

  2. tradycyjne żarówki z żarzącym się włóknem wolframowym,

  3. świetlówki w postaci świecących rur,

  4. żarówki energooszczędne,

  5. ekrany telewizorów i monitorów komputerowych, itp.

Obserwujemy widma

Siatka dyfrakcyjnaSiatka dyfrakcyjnaSiatka dyfrakcyjna jest to przyrząd służący do rozszczepiania światła na barwy składowe. Więcej na ten temat w e‑materiale nr. 759 pt.: „Siatka dyfrakcyjna”. Z jej pomocą można badać widma interesujących nas źródeł światła. Podobnie, jak pryzmat może posłużyć do rozszczepienia światła białego.

Jeśli posiadasz siatkę dyfrakcyjną, możesz zbudować własny spektroskopSpektroskopspektroskop, czyli przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widmWidmowidm promieniowania świetlnego. Jak to zrobić? Bardzo prosto! Wystarczy wspomniana siatka dyfrakcyjna, rolka po ręczniku papierowym , czarny karton, czarna taśma klejąca i żyletka. Żyletkę należy przeciąć na pół i skleić ostrzami skierowanymi do siebie. Najlepiej zostaw między nimi szczelinę około 1mm. Tubę wyłóż w środku czarnym papierem (to nie jest konieczne, ale poprawia widoczność widma obserwowanego przez siatkę dyfrakcyjną). Z czarnego kartonu wytnij dwa koła zgodne w rozmiarze z otworem tuby. Będą to zaślepki na końcówki tuby. W kołach wytnij odpowiednie miejsce: w jednym na szczelinę z żyletki, w drugim na siatkę dyfrakcyjną. Następnie za pomocą taśmy klejącej przymocuj do przygotowanych kół żyletkę i siatkę dyfrakcyjną. Gotowe zaślepki przyklej do tuby. Żeby zrobić spektroskop i mieć z niego dobry obraz widma warto zwrócić uwagę, żeby kierunek szczeliny był zgodny z liniami w siatce dyfrakcyjnej. W tym celu przymocuj jedną zaślepkę (tą z żyletką). Z drugiej strony przyłóż drugą zaślepkę. Skieruj szczelinę na dowolne źródło światła i zajrzyj do tuby przez siatkę dyfrakcyjną (Rys. 2.). Po prawej i lewej stronie szczeliny zobaczysz barwne widmo światła z lampy. Obracając siatką dyfrakcyjną ustaw ją w takim położeniu, aby widok widma był bobrze widoczny. Dopiero wtedy przyklej drugą zaślepkę na stałe.

RNisJb2NLp7UW
Rys. 2. Widok wnętrza tuby od strony siatki dyfrakcyjnej. Szczelina skierowana jest na źródło światła.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Doświadczenie 1

Wykonajmy proste doświadczenie – obejrzyjmy widmo źródła światła białego. Będziemy badać je w bardzo prosty sposób: patrząc przez siatkę dyfrakcyjną na szczelinę, oświetloną z tyłu przez interesujące nas źródło światła (Rys. 3.). Do doświadczenia potrzebne nam będą: siatka dyfrakcyjna posiadająca 500 rys na milimetr, przesłona z czarnego kartonu o szerokości około 0,5 m ze szczeliną o szerokości około 1 mm i matowa żarówka z włóknem wolframowym.

Rk5HOF8h99O9R
Rys. 3. Obserwacja widma światła, pochodzącego od żarówki wolframowej, za pomocą siatki dyfrakcyjnej
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Obejrzyj przez siatkę dyfrakcyjną widmo żarówki z włóknem wolframowym. Następnie porównaj je z widmem emisyjnym helu. Oba widma znajdują się na Rys. 4.: widmo żarówki na górze, widmo helu – na dole. Widmo helu odbieramy jako światło o barwie biało‑żółtej.

RwDblyujkx7Bl
Rys. 4. Widmo pochodzące od żarówki wolframowej (górny obraz) oraz widmo Helu (dolny obraz)
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Powiedzieliśmy wyżej, że zarówno żarówka z włóknem wolframowym jak i hel wysyłają światło, które odbieramy jako białe. W obu wypadkach obserwujemy, że badane światło ma składowe o bardzo wielu długościach fali (wielu kolorach).

W doświadczeniu widać jednak istotną różnicę między tymi widmami:

  1. Widmo żarówki tradycyjnej jest widmem ciągłym (Rys. 4. górny obraz). Jest to nieprzerwane barwne pasmo, w którym kolory przechodzą płynnie jeden w drugi. Obejmuje ono cały zakres promieniowania widzialnego (a także nadfiolet i podczerwień, czego oko ludzkie nie rejestruje).

  2. Widmo helu składa się z oddzielnych wąskich linii (Rys. 4. dolny obraz). Pomiędzy nimi istnieją ciemne obszary. Jego światło jest złożone – ale ma zupełnie inny charakter niż widmo żarówki tradycyjnej.

Możesz także obejrzeć widma innych źródeł światła, na przykład żarówki energooszczędnej, halogenowej czy jarzeniówki (Rys. 5.). Uwaga! Nie patrz bezpośrednio na Słońce, bo mogłoby ci to zaszkodzić! Możesz obejrzeć widmo światła słonecznego rozproszonego na białej kartce papieru.

RpuBF6kgxb5BN
Rys. 5. Widma światła emitowanego przez cztery typy żarówek
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Trzy rodzaje komórek wzrokowych

R1ZxwXUpzUY32
Rys. 6. Względna absorpcja światła przez białka receptorowe czopków oka ludzkiego
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Aby zrozumieć wynik omówionych doświadczeń trzeba wiedzieć, że w oku zdrowego człowieka są trzy rodzaje komórek do widzenia dziennego, czyli czopków. Wykresy na Rys. 6. przedstawiają zależność czułości tych komórek od długości fali światła.

  1. Pierwszy rodzaj komórek najsilniej reaguje na światło niebiesko‑fioletowe (krzywa niebieska). Światła żółtego, pomarańczowego i czerwonego nie „widzi” niemal zupełnie.

  2. Drugi rodzaj komórek najsilniej reaguje na światło zielone (krzywa zielona). Niemal nie reaguje na światło fioletowe i czerwone.

  3. Trzeci rodzaj komórek najsilniej reaguje na światło żółte (krzywa czerwona). Nie widzi światła fioletowego.

Omówimy najpierw, jak reaguje oko, kiedy pada na nie światło o ściśle określonej długości fali (Rys. 6.).

  1. Jeżeli jest to światło fioletowe, pobudza tylko komórki pierwszego rodzaju. Wskazuje to pionowa linia fioletowa. Tylko te komórki wysyłają sygnały do mózgu. Odbieramy to jako barwę fioletową.

  2. Światło czerwone pobudza tylko komórki trzeciego rodzaju. Odbieramy to jako barwę czerwoną.

Wszystkie inne barwy widmowe pobudzają jednocześnie więcej niż jeden rodzaj komórek:

  1. Światło pomarańczowe pobudza silnie komórki trzeciego rodzaju, słabo – komórki drugiego rodzaju, a komórek pierwszego rodzaju wcale.

  2. Światło żółte pobudza bardzo silnie komórki trzeciego rodzaju i silnie, choć nieco słabiej – komórki drugiego rodzaju.

  3. Światło zielone pobudza bardzo silnie komórki drugiego rodzaju, silnie, choć nieco słabiej – komórki trzeciego rodzaju i słabo komórki pierwszego rodzaju.

  4. Światło niebieskie pobudza silnie komórki pierwszego rodzaju i znacznie słabiej – komórki drugiego i trzeciego rodzaju.

  5. Wrażenie czerni (ciemności) mamy wtedy, gdy do komórek nie dobiega żadne światło i żaden rodzaj komórek nie jest pobudzany.

Za każdym razem mózg porównuje sygnały docierające do niego od różnych rodzajów komórek i wytwarza wrażenie określonej barwy światła.

Światło białe

Z punktu widzenia naszych doświadczeń najważniejsze jest stwierdzenie: widzimy światło białe, jeżeli wszystkie trzy rodzaje komórek pobudzane są jednakowo silnie. Może to mieć miejsce wtedy, kiedy oko oświetlone jest światłem o widmie ciągłym, takim jak w górnej części Rys. 6., ale również na niezmiernie wiele innych sposobów. Przykładem jest widmo z dolnego Rys. 6.

System RGBSystem RGBSystem RGB

Doświadczenie 2

Powtórz doświadczenie 1, stosując jako źródło światła świecący białym światłem ekran telewizora. Ponieważ jest to światło słabe, przeprowadź obserwację w ciemnym pokoju.

R1XyQWNrR7AV9
Rys. 7. Widmo pochodzące od ekranu telewizora (dolny obraz) oraz widmo światła białego (górny obraz)
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Wynik doświadczenia przedstawia dół Rys. 7. W widmie obserwujemy tylko trzy dość ostre linie: czerwoną (angielskie Red), zieloną (Green) i niebieską (Blue).

Nie ma w tym nic dziwnego. Ekran telewizora podzielony jest na malutkie piksele, które świecą właśnie światłem o takich barwach. Rys. 8. przedstawia schemat ekranu LCD, powiększony około 100 razy. Nasze oko widzi mieszaninę tych świateł.

RraOplnLk1DE5
Rys. 8. Schemat ekranu LCD powiększony około 100 razy
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Łatwo jest samemu zobaczyć strukturę ekranu używając odpowiedniego powiększenia.

Doświadczenie 3

Obejrzyj ekran telewizora lub monitora komputerowego przez silne szkło powiększające (możesz spojrzeć przez dwie złożone ze sobą lupy).

RJLQ4esdH1oUL
Rys. 9. Linie widmowe ekranu telewizora nałożone na krzywe czułości detektorów oka
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Rys. 9. przedstawia linie widmowe ekranu telewizora z Rys. 7. nałożone na krzywe czułości detektorów oka. Światło białe o widmie ciągłym pobudzało jednakowo komórki wszystkich trzech rodzajów. Taki sam efekt można uzyskać przez zmieszanie światła czerwonego (R), zielonego (G) i niebieskiego (B) w odpowiednich proporcjach.

Permanentne oszustwa

W gruncie rzeczy telewizyjny system RGB służy do stałego oszukiwania oka ludzkiego. Na przykład:

  1. Widmowe światło żółte pobudzało jednocześnie komórki drugiego i trzeciego rodzaju (Rys. 6.). Taki sam efekt można uzyskać, oświetlając równocześnie oko światłem zielonym i czerwonym (G i R na Rys. 9.). A więc odpowiednie zmieszanie światła zielonego i czerwonego daje odczucie barwy żółtej.

  2. Pobudzając komórki oka jednocześnie światłem czerwonym i niebieskim uzyskujemy wrażenie fioletu. Możemy jednak otrzymać także barwę pośrednią pomiędzy czerwienią a fioletem, czyli purpurę (niektórzy nazywają ten kolor amarantowym; Anglicy ten kolor nazywają magenta). Taka barwa nie występuje w omawianych wyżej widmach.

Słowniczek

Siatka dyfrakcyjna
Siatka dyfrakcyjna

(ang.: diffraction grating) – przyrząd służący do analizy widma światła. Charakteryzuje ją stała siatki dyfrakcyjnej, która jest równa odległości między sąsiednimi szczelinami siatki.

Widmo
Widmo

(ang.: spectrum) zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie. Widmo, które powstało w wyniku emisji promieniowania przez analizowaną substancję albo na skutek kontaktu z nią (przeszło przez nią lub zostało przez nią odbite), może dostarczyć szeregu cennych informacji o badanej substancji.

Spektroskop
Spektroskop

(ang.: spectrometer) przyrząd służący do przeprowadzania zdalnej analizy poprzez badanie widma odpowiadającego określonemu rodzajowi promieniowania (np. promieniowanie świetlne, rentgenowskie, akustyczne). Spektroskop optyczny jest to przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego (od podczerwieni do nadfioletu). Składa się z poziomej tarczy z podziałką kątową, w środku której umieszczony jest pryzmat lub siatka dyfrakcyjna, lunety obracanej wokół tarczy oraz kolimatora, wyposażonego w źródło światła. Spektroskopy mają szerokie zastosowanie w astronomii. W 1863 roku astronom William Huggins wykazał przy pomocy spektroskopu, że gwiazdy składają się z tych samych pierwiastków, jakie występują na Ziemi.

System RGB
System RGB

system stosowany w telewizorach i monitorach służący do wyświetlania kolorów poprzez odpowiednie zmieszanie trzech barw: czerwonej (ang.: red), zielonej (ang.: green) i niebieskiej (ang.: blue).