Ви́димое излуче́ние (видимый спектр) — часть электромагнитного спектра, воспринимаемая человеческим глазом. Электромагнитное излучение в этом диапазоне длин волн называется видимым излучением, или светом (в узком смысле этого слова). Типичный человеческий глаз реагирует на длины волн примерно от 380 до 750 нанометров. В терминах частоты это соответствует диапазону в окрестности 400—790 терагерц. Эти границы не имеют резких очертаний и могут варьироваться в зависимости от индивидуальных особенностей человека. При оптимальных условиях эти пределы человеческого восприятия могут расширяться до 310 нм (ультрафиолет) и 1100 нм (ближний инфракрасный диапазон).
Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Часто в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (790—750 ТГц), а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (395—385 ТГц).
Видимый спектр не содержит всех цветов, которые способна различить зрительная система человека. То есть не всем цветам, которые различает человеческий глаз, соответствует какое-либо монохроматическое излучение. Ненасыщенные цвета, такие как розовый и бежевый, или пурпурные вариации, такие как маджента, отсутствуют, поскольку они могут быть получены только при смешении нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн. Цвета, содержащие только одну длину волны, также называются чистыми цветами или спектральными цветами.
Излучение видимых длин волн проходит через атмосферу Земли практически без ослабления через так называемое «оптическое окно» прозрачности электромагнитного спектра. Примером этого явления служит то, что чистый воздух сильнее рассеивает синий свет, чем красный, из-за чего полуденное небо кажется синим (за исключением области вокруг Солнца, которая кажется белой, поскольку там свет рассеивается в меньшей степени). Оптическое окно также называют «видимым окном», поскольку оно перекрывается со спектром видимого восприятия человека. Окно ближнего инфракрасного диапазона (NIR) лежит сразу за пределами человеческого зрения, так же как и окно среднего инфракрасного диапазона (MWIR) и окно длинноволнового или дальнего инфракрасного диапазона (LWIR или FIR), хотя некоторые животные способны их воспринимать.
Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящее в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые воспринимают излучение в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар в цветах, также они способны различать поляризацию света. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете. Крайне сложно устроенные глаза рака-богомола и вовсе могут различать как ближний ИК, так и ультрафиолетовое излучение, а также способны различать поляризацию света.
Термин «оптический спектр» иногда считается синонимом видимого спектра, однако некоторые авторы определяют этот термин шире, включая в него также ультрафиолетовую и инфракрасную части электромагнитного спектра, которые в совокупности известны как «оптическое излучение».
Спектр видимого излучения
При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разными углами. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены с помощью света одной длины волны (точнее, с очень узким диапазоном длин волн), называются спектральными цветамиThomas J. Bruno, Paris D. N. Svoronos. CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts. CRC Press, 2005.. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:
ЦветДиапазон длин волн, нмДиапазон частот, ТГцДиапазон энергии фотонов, эВФиолетовый380—450667—7892,75—3,26Синий450—480625—6672,58—2,75Голубой480—510588—6252,43—2,58Зелёный510—550545—5882,25—2,43Салатовый550—570526—5452,17—2,25Жёлтый570—590508—5262,10—2,17Оранжевый590—630476—5081,97—2,10Красный630—780384—4761,59—1,97Примечание: Указанные в таблице границы диапазонов носят условный характер, в действительности же цвета плавно переходят друг в друга, и расположение видимых наблюдателем границ между ними в большой степени зависит от условий наблюдения
Для запоминания последовательности основных цветов радуги в русском языке используется мнемоническая фраза «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». В американском английском языке аналогично используется фраза «Richard of York gave battle in vain» (Red Orange Yellow Green Blue Indigo Violet), в британском английском — акроним Roy G. Biv.
Характеристики границ видимого излучения Длина волны, нм 380 780 Энергия фотонов, Дж 5,23 2,55 Энергия фотонов, эВ 3,26 1,59 Частота, Гц 7,89 3,84 Волновое число, см−1 1,65 0,81
История
Первые объяснения причин возникновения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория цветов». Однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой и теорию, что радуга возникает в результате процесса, аналогичного прохождению света через стекло или кристалл.
В XVII веке Исаак Ньютон открыл, что призмы способны разделять белый свет на составные части и собирать его обратно. Он описал это явление в своей книге «Оптика» (Opticks), опубликованной в 1704 году. Он был первым, кто использовал слово «спектр» ( — видение, появление) в этом смысле в печати в 1671 году при описании своих экспериментов по оптике. Ньютон заметил, что когда узкий пучок солнечного света падает на грань стеклянной призмы под углом, часть его отражается, а часть проходит в стекло и сквозь него, выходя в виде полос разного цвета. Ньютон выдвинул гипотезу, что свет состоит из «корпускул» (частиц) разных цветов, причём свет разных цветов движется в прозрачной материи с разной скоростью: красный свет движется в стекле быстрее, чем фиолетовый. В результате красный свет преломляется менее резко, чем фиолетовый при прохождении через призму, создавая спектр цветов.
Изначально Ньютон разделил спектр на шесть названных цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий и фиолетовый. Позже он добавил индиго в качестве седьмого цвета, поскольку верил (опираясь на идеи древнегреческих софистов), что семь — это совершенное число, и что существует связь между цветами, музыкальными нотами, известными (на тот момент) объектами Солнечной системы и днями недели. Человеческий глаз относительно нечувствителен к частотам индиго, и некоторые люди с в остальном хорошим зрением не могут отличить индиго от синего и фиолетового. По этой причине некоторые более поздние комментаторы, в том числе Айзек Азимов, предполагали, что индиго не следует рассматривать как самостоятельный цвет, а лишь как оттенок синего или фиолетового. Данные свидетельствуют о том, что то, что Ньютон называл «индиго» и «синим», не соответствует современным значениям этих цветовых терминов. Сравнение наблюдений Ньютона за призматическими цветами с современным цветным изображением спектра видимого света показывает, что его «индиго» соответствует тому, что сегодня называется синим, тогда как его «синий» соответствует голубому (циану).
В XVIII веке Иоганн Вольфганг фон Гёте писал об оптических спектрах в своем труде «К теории цвета». Гёте использовал слово спектр (Spektrum) для обозначения призрачного оптического послеобраза, как это делал и Шопенгауэр в трактате «О зрении и цветах». В отличие от Ньютона, он считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Гёте утверждал, что непрерывный спектр — это составное явление. Там, где Ньютон сужал луч света, чтобы изолировать явление, Гёте наблюдал, что более широкая апертура даёт не спектр, а скорее красно-жёлтые и сине-голубые края с белым пространством между ними. Спектр появляется только тогда, когда эти края сходятся достаточно близко, чтобы перекрываться.
В начале XIX века концепция видимого спектра стала более определённой, поскольку свет за пределами видимого диапазона был открыт и охарактеризован Уильямом Гершелем (инфракрасное излучение) и Иоганном Вильгельмом Риттером (ультрафиолетовое излучение), Томасом Юнгом, Томасом Иоганном Зеебеком и другими. Томас Юнг и Герман фон Гельмгольц также исследовали взаимосвязь между спектром видимого излучения и цветным зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз использует рецепторы трёх различных типов.
Томас Юнг был первым, кто измерил длины волн света разных цветов. 12 ноября 1801 года в Бейкеровской лекции им были представлены длины волн, соответствующие различным цветам видимого излучения. Они были получены путём перевода в длины волн параметров колец Ньютона, измеренных самим Исааком Ньютоном. Эти кольца Ньютон получал пропусканием через линзу, лежащую на ровной поверхности, соответствующей нужному цвету части разложенного призмой в спектр света, повторяя эксперимент для каждого из цветов. Юнг представил полученные значения длин волн в виде таблицы, выразив во французских дюймах (1 дюйм = 27,07 мм). Будучи переведёнными в нанометры, его значения с большой точностью соответствуют современным, принятым для различных цветов.
В 1821 году Йозеф Фраунгофер положил начало измерению длин волн спектральных линий, получив их от видимого излучения Солнца с помощью дифракционной решётки, измерив углы дифракции теодолитом и переведя в длины волн. Как и Юнг, он выразил их во французских дюймах, и при переведении их в нанометры, они отличаются от современных на единицы. Таким образом, ещё в начале XIX века стало возможным измерять длины волн видимого излучения с точностью до нескольких нанометров.
Пределы видимого диапазона
Видимый спектр ограничен длинами волн, которые могут одновременно достичь сетчатки и запустить зрительную фототрансдукцию (возбудить зрительный опсин). Нечувствительность к УФ-свету в основном ограничена его пропусканием через хрусталик. Нечувствительность к ИК-свету ограничена функциями спектральной чувствительности зрительных опсинов. Диапазон определяется психометрически функцией относительной спектральной световой эффективности (кривой видности), которая учитывает все эти факторы. У людей существует отдельная функция для каждой из двух зрительных систем: одна для фотопического (дневного) зрения, опосредованного колбочками, и другая для скотопического (ночного) зрения при тусклом свете, опосредованного палочками. У каждой из этих функций разные видимые диапазоны. Однако в дискуссиях о видимом диапазоне, как правило, подразумевается фотопическое зрение.
Видимый диапазон большинства животных эволюционировал в соответствии с оптическим окном — диапазоном света, который способен проходить сквозь атмосферу Земли. Озоновый слой поглощает почти весь ультрафиолетовый свет (около 315 нм).
Прозрачность глазных сред
Прежде чем достичь сетчатки, свет должен пройти через роговицу и хрусталик. Свет в диапазоне UVB (< 315 нм) фильтруется в основном роговицей, а свет UVA (315—400 нм) фильтруется преимущественно хрусталиком. Хрусталик также желтеет с возрастом, сильнее всего ослабляя пропускание в синей части спектра. Это может вызвать ксантопсию, а также небольшое усечение коротковолновой (синей) границы видимого спектра. У людей с афакией хрусталик отсутствует, поэтому УФ-свет спектра А (UVA) может достигать сетчатки и возбуждать зрительные опсины. Это расширяет видимый диапазон и может также привести к цианопсии — состоянию, характеризующемуся синим оттенком зрения.
Различные определения