Warto przeczytać

Źródła światła białego

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

R9TOhlslW8CqN

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia widok z góry na ośnieżony las. Śnieg pokrywa ziemię i korony drzew. Przez środek zdjęcia biegnie ścieżka.

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. Na rysunku po lewej stronie widzimy postać, która trzyma w ręce tubę w kształcie walca. Tuba z jednej strony jest zaślepiona przez siatkę dyfrakcyjną, z drugiej strony znajduje się zaślepka z żyletką. Elementy te są podpisane na zdjęciu i wskazują na nie strzałki. Postać trzyma tubę w ten sposób, że patrzy przez siatkę dyfrakcyjną, a koniec tuby z żyletką kieruje na żarówkę. Powyżej znajduje się obraz, który postać obserwuje wewnątrz tuby, patrząc przez nią. Obraz jest okrągły, co odzwierciedla kształt tuby. W jego środku znajduje się cienka, pionowa, biała linia, która odzwierciedla kształt żyletki i pokazuje, że światło przechodzi przez żyletkę w głąb tuby. Po lewej i po prawej stronie pionowej linii, na godzinie 9 oraz 3, widoczne są dwa, prostokątne pasy światła powstałe gdy białe światło padło na siatkę dyfrakcyjną z drugiej strony tuby i uległo dyfrakcji. Pas po lewej stronie ma po lewej stronie kolor czerwony, który idąc w prawo płynnie przechodzi przez pomarańczowy, żółty, zielony, błękitny, niebieski aż do fioletowego. Pas po prawej stronie ma odwrotne ułożenie barw – fioletowa znajduje się po lewej, a czerwona po prawej stronie.

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. Na rysunku po lewej stronie widzimy postać, który trzyma w ręce prostokąt symbolizujący siatkę dyfrakcyjną. Po prawej stronie znajduje się przysłona, przedstawiona jako prostokąt z otworem w środku. Za przysłoną znajduje się żarówka. Postać patrzy przez siatkę dyfrakcyjną na przysłonę.

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. Patrząc od dołu rysunku, widać skalę długości fal światła, wyrażoną w mikrometrach. Oś skali podpisana jest grecką literą lambda (która wygląda jak mała litera y obrócona o 180 stopni). Obok w nawiasie kwadratowym znajduje się jednostka – mikrometry. Skala pokrywa zakres od ok. 0,38 mikrometra do 0.75 mikrometra. W górnej części obrazka widoczny jest prostokąt o długości równej długości skali. W prostokącie tym, patrząc od lewej do prawej, barwy zmieniają się płynie od fioletowej (odpowiada ona zakresom długości od ok. 0.38 do 0.4 mikrometra) przez niebieską (od ok. 0.4 mikrometra do 0.46 mikrometra), błękitną (od ok. 0.46 mikrometra do 0.51 mikrometra), zieloną (od 0.51 mikrometra do 0.56 mikrometra), żółtą (od 0.56 mikrometra do 0.58 mikrometra), pomarańczową (od 0.58 mikrometra do 0.65 mikrometra) i czerwoną (od 0.65 mikrometra do 0.75 mikrometra).

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. Rysunek składa się z czterech zdjęć ułożonych po dwa w dwóch rzędach. Są na nich przedstawione widma emisyjne różnych źródeł światła. Każde zdjęcie składa się z czarnego tła, na którym widoczne są barwy emitowane przez dane źródło. Pod każdym zdjęciem znajduje się opis jakiego źródła światła widmo przedstawiono. W górnym rzędzie po lewej stronie widoczne jest widmo żarówki energooszczędnej. Nie zawiera ono wszystkich barw, lecz jedynie barwy fioletowo‑granatową, błękitną, zieloną, pomarańczową i czerwoną. W górnym rzędzie po prawej przedstawiono widmo żarówki halogenowej. W widmie tym brakuje przede wszystkim barwy fioletowej, żółtej i pomarańczowej. W dolnym rzędzie po lewej przedstawione jest widmo jarzeniówki starego typu. Nie zawiera ono barwy fioletowej, błękitnej i żółtej. Barwa niebieska i zielona mają o wiele wyższą intensywność niż pozostałe. W dolnym rzędzie po prawej przedstawiono widmo jarzeniówki nowego typu. Nie zawiera ono fioletu i żółtego. Pojedyncze linie w kolorze niebieskim, błękitnym, zielonym i czerwonym mają dużo większą intensywność niż pozostałe barwy.

Trzy rodzaje komórek wzrokowych

R1ZxwXUpzUY32

Rys. 6. Rysunek składa się z dwóch części. Na dole znajduje się długi prostokąt, którego dolny bok zawiera skalę długości fal światła, wyrażoną w mikrometrach. Oś skali podpisana jest grecką literą lambda (która wygląda jak mała litera y obrócona o 180 stopni). Obok w nawiasie kwadratowym znajduje się jednostka – mikrometry. Skala pokrywa zakres od ok. 0,38 mikrometra do 0.75 mikrometra. Wewnątrz prostokąta znajdują się trzy krzywe, oznaczone jako 1, 2 i 3 w kolorach odpowiednio niebieskim, zielonym i czerwonym. Wewnątrz prostokąta znajduje się również 6 pionowych linii wskazujących na długości fal, które postrzegane są odpowiednio jako światło fioletowe, niebieskie, zielone, żółte, pomarańczowe i czerwone. Linie znajdują się w położeniach ok. 0.39, 0.46. 0.52, 0.58, 0.61 i 0.68 mikrometra. W górnej części obrazka znajduje się prostokąt o długości równej dolnemu prostokątowi. Wewnątrz prostokąta, patrząc od lewej strony, kolory płynnie zmieniają się od fioletowego przez niebieski, błękitny, zielony, żółty, pomarańczowy do czerwonego. Krzywa oznaczona jako 1 ma maksimum w miejscu, gdzie na górnym prostokącie występuje kolor niebieski. Krzywa oznaczona jako 2 ma maksimum w obszarze koloru zielonego, krzywa oznaczona jako 3 – w obszarze koloru zielono‑żółtego. Poza maksimami, krzywe dość symetrycznie opadają do zera po obu stronach.

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:

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

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

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

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

7. 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. Rysunek składa się z trzech części. Patrząc od dołu, widzimy skalę długości fal światła, wyrażoną w mikrometrach. Oś skali podpisana jest grecką literą lambda (która wygląda jak mała litera y obrócona o 180 stopni). Obok w nawiasie kwadratowym znajduje się jednostka – mikrometry. Skala pokrywa zakres od ok. 0,38 mikrometra do 0.75 mikrometra. W środkowej części znajduje się prostokąt o długości równej długości skali. Prostokąt jest czarny, poza trzema jasnymi liniami, które występują dla długości fali ok. 0.42 (niebieska linia), 0.52 (zielona linia) i 0.65 mikrometra (pomarańczowa linia). W górnej części obrazka widoczny jest prostokąt o długości równej długości skali. W prostokącie tym, patrząc od lewej do prawej, barwy zmieniają się płynie od fioletowej (odpowiada ona zakresom długości od ok. 0.38 do 0.4 mikrometra) przez niebieską (od ok. 0.4 mikrometra do 0.46 mikrometra), błękitną (od ok. 0.46 mikrometra do 0.51 mikrometra), zieloną (od 0.51 mikrometra do 0.56 mikrometra), żółtą (od 0.56 mikrometra do 0.58 mikrometra), pomarańczową (od 0.58 mikrometra do 0.65 mikrometra) i czerwoną (od 0.65 mikrometra do 0.75 mikrometra).

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. Na schemacie przedstawiono układ pikseli w ekranie LCD. Piksele mają kształt wydłużonych w pionie zaokrąglonych prostokątów. Piksele ułożone są w poziome rzędy. Odległość między pikselami w rzędzie jest taka sama. W każdym rzędzie piksele można pogrupować po trzy, każda trójka występuje w kolejności zielony, niebieski, czerwony, idąc od lewej do prawej. Kolejne rzędy pikseli leżą dokładnie jeden nad drugim, tak, że piksele danego koloru zawsze wypadają pod sobą. Odległość między rzędami w pionie jest nieco większa niż odległość między pikselami w poziomie.

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. Rysunek składa się z dwóch części. Na dole znajduje się długi prostokąt, którego dolny bok zawiera skalę długości fal światła, wyrażoną w mikrometrach. Oś skali podpisana jest grecką literą lambda (która wygląda jak mała litera y obrócona o 180 stopni). Obok w nawiasie kwadratowym znajduje się jednostka – mikrometry. Skala pokrywa zakres od ok. 0,38 mikrometra do 0.75 mikrometra. Wewnątrz prostokąta znajdują się trzy krzywe, oznaczone kolorem niebieskim, zielonym i czerwonym oraz trzy pionowe linie wskazujące na długości fal związanych z kolorami pikseli ekranu LCD. Linie są podpisane wielkimi literami B, G i R. Linia B znajduje się w pozycji 0.42 mikrometra, linia G w pozycji 0.52 mikrometra, a linia R w pozycji 0.65 mikrometra. W górnej części obrazka znajduje się prostokąt o długości równej dolnemu prostokątowi. Wewnątrz prostokąta, patrząc od lewej strony, kolory płynnie zmieniają się od fioletowego przez niebieski, błękitny, zielony, żółty, pomarańczowy do czerwonego. Krzywa niebieska ma maksimum w miejscu, gdzie na górnym prostokącie występuje kolor niebieski. Krzywa zielona ma maksimum w obszarze koloru zielonego, krzywa czerwona – w obszarze koloru zielono‑żółtego. Poza maksimami, krzywe dość symetrycznie opadają do zera po obu stronach. Linia B przebiega w pobliżu maksimum krzywej niebieskiej, linia G w pobliżu maksimum krzywej zielonej, a linia R – na prawym obniżeniu krzywej czerwonej.

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