27.2 C
Timișoara
joi, iulie 25, 2024
ISSN 2734 – 6196
ISSN-L 2734 - 6196
DOI: 10.6084/m9.figshare.12925226.v1.
AcasăResurseNoțiuni teoreticeRelația dintre lumină și culoare - spectrul electromagnetic

Relația dintre lumină și culoare – spectrul electromagnetic

Lumina este considerată a fi radiația electromagnetică cu o lungime de undă de la aproximativ 380 la 700 nanometri – intervalul vizibil pentru ochiul uman. Prin convenție, vom considera ca fiind energie radiantă, cea a radiațiilor din afara spectrului perceptibil de către om (e.g. lumina ultravioletă sau cea infraroșie). Pe de altă parte, culoarea este strict o percepție, ea fiind răspunsul sistemelor noastre anatomice și fiziologice (ochiul, creierul și mecanismele asociativ-cognitive) la stimularea prin radiații electromagnetice, cuprinse în intervalul menționat, deci neavând o existență sau semnificație fizică reală.

Capacitatea umană de a explica semnificația cuvintelor care descriu o culoare (de exemplu roșu, galben, alb, negru ș.a.) este limitată la exemplificare.[1] Putem spune că sângele este roșu, aurul este galben sau că zăpada este albă – toate aceste afirmații având la bază accepțiunea conform căreia culoarea implică prezența luminii.

Negrul, în schimb, este rezultatul lipsei,[2] sau a absorbției complete a luminii, fiind o culoare[3] acromatică (negrul este lipsit de saturație).[4] Științele exacte, în special fizica, chimia și biologia, explică fenomenele și procesele implicate în formarea, procesarea și perceperea a ceea ce noi numim „culoare”.  Deși tindem să vedem lumea ca fiind colorată, legile fizicii ne demonstrează că aceasta, de fapt, este „necolorată”, bio-chimia arătând că doar o foarte mică parte, dintre organismele vii, o văd ca fiind colorată. Așadar, culoarea nu este o proprietate a materiei, ci o percepție subiectivă.

Lumina, sau „spectrul vizibil”, după denumirea dată de Isaac Newton,  primul cercetător care a studiat fenomenul, este o energie creată de oscilația particulelor electrizate din care este formată materia, fiind parte componentă a spectrului undelor electromagnetice. Punând bazele concepției corpusculare, el consideră că lumina se propagă în linie dreaptă și că este compusă din particule de materie extrem de mici, ca dimensiuni.

Fizicianul și astronomul olandez Christian Huygens  a publicat, în anul 1960, teoria conform căreia lumina se propagă sub formă de unde: de aici și noțiunea de „lungime de undă” – distanța dintre vârfurile a două valuri consecutive, întemeind concepția ondulatorie. Această teorie a fost supusă atenției, din nou, la începutul secolului al XIX-lea, când, în 1969, James Clark Maxwell a demonstrat că lumina este o undă electromagnetică, parte componentă a radiațiilor electromagnetice purtătoare de energie.

Potrivit teoriei lui Maxwell, vibrația unei sarcini electrice duce la perturbarea câmpului electromagnetic, rezultând o variație care se deplasează cu o viteză de 3×108 m/s.[5],[6]. Viteza luminii în vid este, de obicei, reprezentată de litera c (din cuvântul latin celeritas).

Câmpul electric al unei unde plane induce dipoli oscilanți, iar acești dipoli oscilanți, la rândul lor, modifică câmpul electric. Folosim indicele de refracție, pentru a descrie acest efect. Undele plane cu frecvențe diferite, au indici de refracție diferiți, ceea ce le determină să se deplaseze la viteze diferite în materiale. Astfel, o formă de undă arbitrară, care este compusă din multiple unde sinusoidale, își schimbă invariabil forma, pe măsură ce se deplasează printr-un material (Fig. 1).

Fig. 1: Oscilația câmpului magnetic și electric în perpendicular cu direcția de propagare a fasciculului luminos. Sursa: licență cumpărată (Adobe Stock Photos, licența cu numărul: 196401231) și recompilare în Adobe Photoshop (1 septembrie 2020).
Fig. 1: Oscilația câmpului magnetic și electric în perpendicular cu direcția de propagare a fasciculului luminos. Sursa: licență cumpărată (Adobe Stock Photos, licența cu numărul: 196401231) și recompilare în Adobe Photoshop (1 septembrie 2020).

Acest fenomen, de dispersie, este unul din motivele pentru care fizicienii și inginerii aleg să lucreze cu unde sinusoidale, fiecare formă de undă, cu excepția undelor sinusoidale individuale, schimbându-și forma, pe măsură ce se deplasează într-un material.[7] În medii transparente: apa, sticla și plexiglasul, viteza luminii (v), este mai mică decât viteza sa în vid (c).[8]

Valoarea reală a lui v depinde de mediu. Viteza luminii într-un mediu depinde de indicele de refracție n al mediului și poate fi găsită folosind următoarea ecuație:

v=c/n

Deși, mult timp, s-a crezut că fotonii nu încetinesc, în anul 2015, o echipă de cercetători de la Universitatea din Glasgow a dovedit contrariul.[9]

În anul 1900 fizicianul Max Planck contrazice teoria lui Maxwell, demonstrând că lumina nu se emite și transmite în mod continuu, matematica sa demonstrând faptul că radiațiile transportă energia sub formă de fotoni (cuante de energie luminoasă). Fotonii dau luminii un caracter granular, sunt particule indivizibile, infime, mult mai mici decât un atom și mărimea lor depinde de lungimea de undă a radiației care o produce.

De asemenea, un foton  este lipsit de masă, poate exista doar într-o stare de mișcare continuă, nu are încărcătură electrică, dar poate purta o cantitate de energie a cărei intensitate este direct proporțională cu frecvența electromagnetică și invers proporțională cu lungimea de undă a acesteia.

În 1905, Albert Einstein caracterizează și el fotonii, ca fiind particule, mergând mai departe cu studiul mecanicii cuantice și elaborarea teoriei relativității, iar în 1924, fizicianul francez Louis duc de Broglie demonstrează că fotonii sunt, atât particule, cât și unde.[10] Așadar, și în cazul luminii, câmpurile electrice și cele magnetice, sunt cele care oscilează, și o fac, în plan perpendicular pe direcția de deplasare .[11]

Influența câmpului magnetic devine importantă (în comparație cu câmpul electric), numai pentru particulele încărcate, care se deplasează cu o viteză care se apropie de cea a luminii [12] Electronii din jurul unui atom, atunci când își schimbă poziția, apropiindu-se de nucleu, provoacă degajarea de fotoni; astfel, putem spune că lumina are proveniență atomică.

Lumina vizibilă are o lungime de undă situată între aproximativ 400-700 nanometri,[13] violetul fiind la limita inferioară și roșul la limita superioară.[14] Toate celelalte culori se află între aceste două valori, parametrii de măsurare și control ale acesteia fiind frecvența (exprimată prin numărul de oscilații pe secundă ale radiației luminoase), lungimea de undă (distanța dintre crestele a două vibrații învecinate) și amplitudinea (înălțimea undelor sau distanța lor de deplasare pe o axă verticală) – Fig. 2.

Fig. 2: Amplitudinea, frecvența și lungimea de undă (λ) a luminii, Gombos Atila, 2020.
Fig. 2: Amplitudinea, frecvența și lungimea de undă (λ) a luminii, Gombos Atila, 2020.

Între cele două părți ale spectrului vizibil sunt situate energii radiante care au lungimi de undă mai mari, sau mai mici. Astfel, radiațiile electromagnetice sunt clasificate în raport cu lungimea de undă a acestora în: radiații cosmice, radiații gama, radiații X, radiații ultraviolete, radiații ale spectrului vizibil (lumina vizibilă), radiații infraroșii, radiații radar, TV și ultrascurte, radiații radio și radiații electrice ale curentului alternativ, utilizat în industrie.[15]

Fig. 3: Spectrul electro-magnetic, creație proprie, 2020.
Fig. 3: Spectrul electro-magnetic, creație proprie, 2020.

Cu toate că spectrul electromagnetic (Fig. 3) este imens, trebuie subliniat faptul că radiațiile spectrului vizibil ocupă o parte infimă a acestuia.

Radiațiile care au o lungime de undă mai mare decât cele din spectrul vizibil sunt: razele infraroșii (IR, numite și calorice sau termice) detectabile de aparatele utilizate noaptea, în armată; radiațiile TV, radar și cele ultrascurte, radiațiile radio cuprinse între câteva zeci și sute de metri, radiațiile electrice ale curentului alternativ industrial. [16]

Radiațiile electromagnetice cu lungimi de undă inferioare spectrului vizibil sunt: radiațiile ultraviolete (UV) care la rândul lor se împart în UVA și UVB, radiațiile X cu utilitate în medicină (radiologie, radioterapie, CT, IRM, PET etc.), radiațiile gama care sunt emise de elemente radioactive precum uraniul, plutoniul ș.a. și radiațiile cosmice care sunt produse de către exploziile solare, moartea sau nașterea stelelor ș.a.

Lumina ideală (monocromatică, pură) este o radiație perfect sinusoidală, fiind caracterizată prin frecvența oscilației și puterea transportată (f, respectiv P).

 

În locul frecvenței se mai poate utiliza și lungimea de undă astfel:

λ=c/f

unde c reprezintă viteza luminii. Lungimea de undă (λ) a spectrului vizibil, definită în literatura de specialitate, diferă foarte ușor de la un cercetător la altul, datorită instrumentelor și condițiilor de măsurare ale acesteia. Culorile spectrului vizibil au lungimi de undă diferite și se măsoară în nanometri (1 nm = 1×10^(-9) m). De exemplu, amplitudinea este aceeași pentru două unde, în timp ce lungimea de undă pentru lumina albastră este mai mică decât cea pentru lumina roșie

Sursele de lumină pot fi de două tipuri: naturale și artificiale. Sursele naturale de lumină includ soarele, luna (prin reflexia luminii solare), aurora boreală, stelele, erupțiile vulcanice și fulgerul. Există chiar și unele animale și plante care își pot crea propria lumină, cum ar fi licuricii, meduzele și ciupercile. Acest proces se numește bioluminiscență.

Lumina artificială este cea produsă de om și include: tuburile de lumină fluorescentă (funcționează pe principiul trecerii energiei electrice printr-un material fluorescent), becurile cu halogen (acestea conțin iod sau brom).

De la 1 septembrie 2018 Uniunea Europeană a implementat un proiect prin care interzice comercializarea becurilor cu halogen în Romania, în încercarea de a economisi energie, acestea fiind înlocuite, treptat, cu becurile LED.

Parametri psihofizici ai culorii: nuanța, saturația și luminozitatea

Culoarea spectrală, măsurabilă, diferă de culoarea percepută, psihologică. Un exemplu de culoare fizică, este galbenul spectral al luminii solare, sau lumina dată de o lampă cu sodiu. Aceasta este o culoare care este alcătuită dintr-o singură lungime de undă, cunoscută și sub numele de culoare spectrală. O culoare, sau o nuanță psihologică, poate fi o singură lungime de undă sau o suprapunere de diferite lungimi de undă. [17]

Un răspuns psihologic la stimuli fizici, generează senzația vizuală, culoarea fiind descrisă mai sugestiv prin parametrii psihofizici: nuanță, saturație și luminozitate. Lungimea de undă a culorii de bază se numește lungime de undă dominantă. Atributul corespunzător al senzației vizuale se numește nuanță.

Luminozitatea este parametrul unei culori, conform căruia, o zonă pare să emită mai multă, sau mai puțină lumină. Adjectivele „strălucitor” și „întunecat” (sau luminos și întunecat) sunt, prin urmare, antonime.[18]

Din punct de vedere psihologic, galbenul pur, pare să aibă o saturație redusă și pare a fi mai deschis, în timp ce roșu, verde și albastru, par să aibă o saturație ridicată și par a fi culori mai pline, comparativ cu galbenul mai pal, aceasta datorează sensibilității diferite a conurilor. Luminozitatea psihologică percepută, nu poate fi măsurată.[19]

Luminozitatea depinde de mediul înconjurător al obiectului observat. În lumina soarelui, un obiect negru, este perceput ca negru, căci, deși reflectă o cantitate de lumină, orice altceva, din jurul său, reflectă mai mult.

 

Note bibliografice:

[1] Ludwig Wittgenstein, „Bemerkungen Über Die Farben” (traducere proprie: Remarci despre culoare), ed. University of California Press, California, 1978, p. 68.

[2] Michael Ware; Justin Peatross. Physics of Light and Optics (Black & White) (in Engleză). Editura: Brigham Young University Press, Provo, UT, S.U.A., 2015, p. 61.

[3] Se va folosi termenul de „culoare” pentru negru, alb și griurile neutre din considerente de ordin gramatical.

[4] Tanya Kelley în Enciclopedia Britanică, https://www.britannica.com/science/black-color. Resursă accesată la data de 3 septembrie 2020.

[5] Stelian Acea, Op. cit, Loc. cit.

[6] Viteza luminii în vid este, de obicei, reprezentată de litera  – de la cuvântul latin celeritasceleritatis.

[7] Michael Ware; Justin Peatross, Op. cit., p. 43.

[8] Valoarea reală a lui  depinde de mediu. Viteza luminii într-un mediu, depinde de indicele de refracție  al mediului: cu cât acesta este mai dens, cu atât indicele de refracție este mai mare și astfel, viteza luminii care străbate acel mediu, scade. Cel mai mic index de refracție care există este indicele de refracție în vid și are o valoare egală cu .

[9] Daniel Giovannini, Jacquiline Romero et all., „Spatially structured photons that travel in free space slower than the speed of light” în Science, Feb 2015, vol. 347, nr. 6224, pp. 857-860.

[10] Liviu Lăzărescu, Culoarea în artă, Editura Polirom, Iași, 2009, pp. 15-17.

[11] Pupa U.P.A. Gilbert; Willy Haeberli, „Physics in the Arts: Revised Edition”, Editura Elsevier Academic Press, Amsterdam, Olanda, 2008, pp. 16–18.

[12] Acest lucru are loc, de obicei, numai pentru lasere extrem de intense (>1018W/〖cm〗^2), unde câmpul electric este suficient de puternic, pentru a determina oscilarea electronilor, cu viteze apropiate de viteza luminii. Putem deduce, în orice moment, câmpul magnetic, din câmpul electric, prin legea lui Faraday. Ilustrația în cauză, este folosită în mod universal, deși este înșelătoare, deoarece câmpurile nu arată în realitate ca unde transversale pe direcția de deplasare (k). O undă este alcătuită din straturi plane mari, de intensitate uniformă a câmpului, astfel fiind foarte dificil de reprezentat. O undă plană umple tot spațiul și poate fi gândită ca o serie de straturi infinite, fiecare cu o intensitate diferită a câmpului, care se deplasează în direcția k.

[13] 1 nanometru este o miliardime parte dintr-un metru, sau aproximativ diametrul unui atom de hidrogen.

[14] Aceste intervale de lungimi de undă nu sunt exacte din punct de vedere matematic, existând variații infime, de ordinul a maximum 40-50 milimicroni, care sunt naturale.

[15] Radiațiile electromagnetice se pot împărți în radiații ionizante și neionizante, diferența dintre cele două tipuri fiind puterea de a ioniza moleculele sau atomii, putere dată de energia individuală a fotonilor. Razele UV, X și gama, intră în categoria radiațiilor ionizante, deoarece energia individuală a fotonilor, la frecvențele caracteristice acestor tipuri de radiații, este suficient de înaltă pentru a ioniza molecule, inclusiv pentru a rupe legăturile proteice ale acidului ribonucleic și dezoxiribonucleic, provocând astfel, un set specific de reacții chimice, care duc la mutații genetice. Razele din spectrul vizibil, cele infraroșii, ultrascurte și cele folosite în telecomunicații, fac parte din categoria radiațiilor neionizante, neavând efecte negative asupra sănătății.

[16] Radiațiile electromagnetice cu lungimi de undă inferioare spectrului vizibil sunt: radiațiile ultraviolete (UV) care. la rândul lor, se împart în UVA și UVB. Există aproximativ 500 de ori mai multe raze UVA în lumina soarelui decât razele UVB. radiațiile X cu utilitate în medicină (radiologie, radioterapie, CT, IRM, PET etc.), radiațiile gama care sunt emise de elemente radioactive precum uraniul, plutoniul ș.a. și radiațiile cosmice care sunt produse de către exploziile solare, moartea sau nașterea stelelor ș.a.

Lumina ideală (monocromatică, pură) este o radiație perfect sinusoidală, fiind caracterizată prin frecvența oscilației și puterea transportată (f, respectiv P). Culorile spectrului vizibil au lungimi de undă diferite și se măsoară în nanometri (1nm=1×10^(-9) m). Amplitudinea poate fi aceeași pentru două unde, în timp ce lungimea de undă pentru lumina albastră este mai mică decât cea pentru lumina roșie.

[17] Pentru a face referire la culoarea amintită: culoarea pe care o vedem poate fi un galben spectral cu o lungime de undă dominantă de 570 nm sau suprapunerea luminilor roșii și verzi cu două lungimi de undă diferite, ar putea fi chiar un spectru de mai larg care, însumat, pare să aibă aceeași culoare ca și galbenul spectral. Toate aceste variațiuni sunt numite metameri: au origini fizice diferite, dar generează aceeași culoare percepută pentru ochiul uman. Parametrii fizici ai luminii nu sunt suficienți pentru a descrie cu exactitate culoarea pe care o vedem.

[18] În literatură există o preferință de a utiliza termenul strălucire pentru sursele de iluminant (emițătoare de lumină) și luminozitate pentru suprafețele iluminate (care reflectă lumina). Cu toate că nuanța, saturația și luminozitatea sunt considerate parametri psihologici, industria calculatoarelor a luat decizia adoptării acestor trei termeni (prescurtat HSB, de la „hue”, „saturation” și „brightness”) pentru a descrie cantitativ și reproductibil culorile.

[19] Este proporțională cu logaritmul intensității, dar variază, dramatic, de la persoană, la persoană și chiar pentru aceeași, în funcție de iluminarea din jur și de adaptarea ochiului, atât la culoare, cât și la intensitatea luminii. Dacă ochii sunt adaptați la întuneric – adică dacă sunt, un timp, în întuneric, atunci când lumina este aprinsă din nou, o culoare slabă poate apărea mai strălucitoare, decât atunci când nu s-a produs o anterioară adaptare, la întuneric. Intensitatea fizică a acelei culori, a rămas neschimbată, în ambele condiții.

Atila Gombos
Atila Gombos
Artist (cu acte 'n regulă). În rest, web designer, developer, marketing specialist. Acest proiect este unul foarte drag sufletului meu, cu atât mai mult cu cât este singurul loc din sfera online unde pot așterne ce și cum gândesc.

LĂSAȚI UN MESAJ

Vă rugăm să introduceți comentariul dvs.!
Introduceți aici numele dvs.

6 + 4 =

ULTIMELE ARTICOLE

SELECȚIILE REDACȚIEI

COMENTARII RECENTE