Свет состоит из электромагнитных волн, которые распространяются в пространстве в гармоническом узоре, причем каждая волна содержит различное количество энергии. Энергия увеличивается с увеличением частоты, то есть более высокочастотные световые волны содержат больше энергии, чем низкочастотные волны. Когда свет попадает в наши глаза, мы воспринимаем разные частоты как разные цвета.
Полный диапазон частот электромагнитного излучения называется электромагнитным спектром. Очень малая часть спектра, видимая человеческому глазу, известна как видимый спектр. Видимый спектр состоит из цветов, которые производятся различными частотами видимого света. Видимый спектр можно запомнить по аббревиатуре ROYGBIV:
Эти цвета перечислены в порядке возрастания частоты, причем красный имеет самую низкую частоту, а фиолетовый — самую высокую. Этот порядок соответствует количеству энергии в каждой световой волне — более высокочастотный фиолетовый свет содержит больше энергии, чем более низкочастотный красный свет.
Цвет видимого света определяется его длиной волны, которая связана с частотой световой волны. Длина волны относится к расстоянию между последовательными пиками волны, в то время как частота относится к тому, сколько циклов волны проходит заданную точку за единицу времени. Более короткие длины волн соответствуют более высоким частотам, в то время как более длинные длины волн соответствуют более низким частотам.
Длина волн видимого света варьируется от примерно 380 нанометров (фиолетовый) до примерно 740 нанометров (красный). Частота измеряется в герцах (Гц) или циклах в секунду. Фиолетовый свет имеет частоту около 790 терагерц (ТГц), а красный свет имеет частоту около 405 ТГц.
| Цвет | Длина волны (нм) | Частота (ТГц) |
|---|---|---|
| Фиолетовый | 380-450 | 668-789 |
| Синий | 450-495 | 606-668 |
| Зеленый | 495-570 | 526-606 |
| Желтый | 570-590 | 508-526 |
| Оранжевый | 590-620 | 484-508 |
| Красный | 620-750 | 400-484 |
В этой таблице показаны длины волн и соответствующие им частоты цветов видимого спектра в порядке. По мере увеличения длины волны и уменьшения частоты количество энергии уменьшается, переходя от фиолетового к красному.
Когда белый свет проходит через призму, различные компоненты длины волны преломляются под немного разными углами, в результате чего белый свет рассеивается в видимом спектре. Это происходит из-за того, что показатель преломления в призме немного отличается для разных цветов. Длинные красные волны изгибаются меньше всего, а короткие фиолетовые волны изгибаются больше всего. Это рассеивание света в цветовом спектре показывает порядок цветов от самой длинной волны/самой низкой частоты (красный) до самой короткой волны/самой высокой частоты (фиолетовый).
Исаак Ньютон был первым, кто продемонстрировал, что белый свет состоит из полного спектра цветов, используя эксперименты с призмой в конце 1600-х годов. Путем рекомбинации рассеянных цветов он показал, что они составляют обычный солнечный свет.
Упорядочение цветов по возрастанию частоты напрямую соответствует увеличению энергии, переносимой светом. Излучение с более высокими частотами/более короткими длинами волн несет больше энергии. Фиолетовый свет с самой высокой частотой в видимом спектре является наиболее энергичным, в то время как красный свет с самой низкой частотой является наименее энергичным.
Когда свет взаимодействует с веществом, энергия, которую он передает, зависит от его частоты. Свет с более высокой частотой может инициировать химические реакции, вызывать флуоресценцию и создавать зрение за счет более энергичного поглощения фотонов. Свет с более низкой частотой обеспечивает меньше энергии для взаимодействия с веществом. Энергетический порядок видимого света следующий:
Когда объект нагревается, он начинает испускать излучение, начиная с инфракрасного света с более низкой частотой, который невидим для наших глаз. По мере дальнейшего повышения температуры он начинает испускать видимые красные длины волн. С большим теплом излучаются оранжевый, а затем постепенно более высокочастотные цвета. Очень горячие объекты кажутся голубовато-белыми, поскольку они испускают свет по всему видимому спектру.
Порядок появления цвета указывает на температуру объекта. Красный цвет испускается при более низких температурах около 1000 °F. Желто-белый свет испускается более горячими объектами от 3000 до 5000 °F. Даже более горячие объекты, такие как солнце при 10 000 °F, кажутся белыми с оттенком синего из-за добавления света более высокой частоты.
Колбочки в нашей сетчатке содержат фотопигменты, которые чувствительны к различным диапазонам длин волн, что позволяет нам различать различные цвета. Колбочки S обнаруживают более короткие длины волн в сине-фиолетовом конце спектра. Колбочки M чувствительны к средним длинам волн, соответствующим зеленому свету. Колбочки L стимулируются более длинными красными длинами волн.
Сигналы от трех типов колбочек обрабатываются зрительной корой для создания нашего цветного зрения. Диапазоны чувствительности колбочек соответствуют порядку видимого спектра, при этом колбочки S реагируют на наиболее энергичный фиолетовый свет, а колбочки L — на наименее энергичный красный свет.
Когда солнечный свет попадает в каплю воды, происходит дисперсия, которая разделяет свет на полный спектр цветов. Различные длины волн отражаются под немного разными углами, создавая последовательность цветов радуги. Более длинные длины волн, такие как красный, отражаются под меньшим углом, чем более короткие фиолетовые длины волн.
В радуге красный цвет появляется на внешней полосе, а фиолетовый — на внутренней, что соответствует их различным углам отражения. Порядок цветов изнутри наружу радуги также следует за увеличением частоты/энергии видимого спектра.
Материалы поглощают и пропускают различные длины волн преимущественно в зависимости от их молекулярной структуры. Это избирательное поглощение определяет, какой цвет мы воспринимаем объектом или веществом.
Например, красное яблоко поглощает более высокие частоты и отражает более длинные красные волны для наших глаз. Голубое небо пропускает более короткие волны, но рассеивает более длинные красные и оранжевые частоты солнечного света.
В целом, пропущенный или отраженный цвет соответствует диапазону частот, который не был поглощен материалом. Следуя порядку видимого спектра, материалы пропускают/отражают более низкие частоты и поглощают более высокие частоты.
Цвета видимого спектра упорядочены от самой длинной волны и самой низкой частоты красного света к самой короткой длине волны и самой высокой частоте фиолетового света. Этот порядок соответствует от низкой к высокой энергии в световых волнах. Знание последовательности цветов полезно для понимания радужной дисперсии, теплового излучения, цветового зрения и взаимодействия света с веществом, которые все следуют одному и тому же шаблону увеличения частоты.
Запоминание аббревиатуры ROYGBIV обеспечивает мнемонику для запоминания правильной последовательности видимых цветов от красного, через радугу, к фиолетовому.