Ни для кого не секрет, что мы живем в мире, переполненном электромагнитными излучениями. Излучение подобного рода представляет собой распространяющиеся в пространстве колебания напряженностей электрического и магнитного полей. Количество колебаний в секунду носит название частоты излучения (1 колебание в секунду = частота 1 герц), а расстояние на оси распространения излучения между точками с одинаковой напряженностью поля (рис. 1) - длина волны излучения (измеряется в метрах). На практике мы имеем дело с частотами от единиц до сотен миллионов герц.

 Рис. 1
Длина волны - расстояние между точками с одинаковой напряженностью поля.

Электромагнитное излучение непрерывно по всему спектру, часть которого напрямую воспринимается различными органами человеческого организма. Для удобства описания излучения оно было разбито на условные диапазоны длин волн, имеющие практическое значение. Собственно свет, как излучение, напрямую воспринимаемое глазом, лежит в промежутке длин волн от 380 до 780 нм (1 нм = 10-9 м). Разумеется, чувствительность глаз каждого конкретного человека индивидуальна, но в светотехнике пользуются параметрами среднестатистического зрительного аппарата человека.

Вплотную по спектру к свету, или видимому излучению, прилегают еще два излучения - ультрафиолетовое (от 10 нм до 380 нм) и инфракрасное (от 780 нм до 1 мм). Диапазон длин волн, совместно занимаемый видимым, инфракрасным и ультрафиолетовым излучениями (от 10 нм до 1 мм) носит название оптического (рис. 2, шкала длин волн не в масштабе). Нетрудно вычислить, что видимый свет занимает всего 0,04% оптического диапазона, притом, что и сам оптический диапазон незначителен в сравнении с остальным электромагнитным спектром. Самое время вспомнить, что посредством зрения, то есть через этот узенький спектральный мостик видимого излучения, человек получает более 90% информации об окружающем мире...

Рис. 2
Видимое и оптическое излучения.

Световое излучение каждой длины волны воспринимается как цветное. С детства всем знакома пословица <Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан>. Первые буквы слов в ней являются первыми буквами цветов, расположенными согласно видимому спектру по мере убывания длины волны (рис. 3). Как и следовало ожидать, исследования показали, что чувствительность глаза к разным длинам волн неодинакова. Она наиболее высока в середине видимого диапазона (приходящейся на зеленый свет, длина волны 555 нм) и минимальна к его краям, то есть в области синих и красных излучений (рис. 4). Очевидно, что излучение одной и той же мощности воспринимается глазом как более интенсивное, если в его спектре больше зеленого света. Это натолкнуло исследователей на мысль ввести специальную систему оценки количества света, напрямую связанную со среднестатистической чувствительностью.

Рис. 3
Расположение основных цветов в видимом спектре.

Иногда незнакомые с теорией света люди задают вопрос: <Какую длину волны имеет белый свет?>. Такая постановка вопроса в принципе неправильна. Белым светом мы называем смесь цветных излучений, результат воздействия на глаз набора различных длин волн. Именно этим объясняется тот не всегда очевидный факт, что в природе не существует идеально белого (не имеющего оттенка) излучения. Любой реальный белый свет имеет оттенок, определяющийся соотношением входящих в него красных, синих и зеленых излучений. Более детально о цветовых теориях можно прочитать в статье <Разноцветный мир>.

Рис. 4
Спектральная чувствительность глаз человека.

Зрительный аппарат человека представляет собой весьма оригинальную конструкцию, по образу и подобию которой строятся современные оптические системы. Приемником света является сетчатка (рис. 5) слегка искривленная поверхность, покрытая светочувствительными элементами, условно называемыми <палочками> и <колбочками>. Первые из них обладают чувствительностью только к интенсивности света и равномерно расположены по всей поверхности сетчатки, а вторые чувствительны как к интенсивности, так и к цвету, и сосредоточены ближе к ее центральной части. Палочки отвечают в основном за ночное зрение, когда света настолько мало, что цветоразличительный аппарат колбочек не работает. Сетчатка является как бы матрицей из чувствительных точек, каждая из которых формирует для нас изображение окружающего мира.

Рис. 5
Упрощенное устройство глаза.

Для того, чтобы на сетчатке формировалось четкое изображение, служит природная линза - хрусталик (рис. 5). За счет своей гибкости она может менять фокусное расстояние и мы одинаково четко видим как удаленные, так и близкие объекты. Весьма любопытен факт, что любая линза дает перевернутое изображение действительности. Хрусталик в человеческом глазу - не исключение. Возникает вопрос - почему же мы видим все в правильном положении, а не вниз головой? Природа и здесь нашла оригинальное решение. <Переворачивание> выполняется в зрительной, затылочной доли мозга.

Чувствительность палочек и колбочек к свету с разными длинами волн неодинакова. В ночное время наиболее ярким (но бесцветным, как и остальные) воспринимается излучение с длиной волны около 500 нм, также относящееся к зеленой группе.

Органы зрения, по устройству аналогичные человеческому глазу, имеют и некоторые высшие животные. Основные отличия заключаются в плотности светочувствительных элементов (обычно у животных она ниже, и изображение получается менее четкое) и в диапазоне воспринимаемых длин волн. Например, кошки способны видеть в темноте, так как их глаз воспринимает часть инфракрасного излучения, однако они не могут различать цвета из-за того, что их сетчатка состоит только из палочек.

Свет, как и любое излучение, испускается неким источником и взаимодействует с одним из приемников (например, химическими веществами в палочках и колбочках сетчатки глаза). Все существующие в мире источники света делятся на тепловые (планковские) и люминесцентные (рис. 6). В первом случае за счет сильного нагрева тело начинает излучать полный спектр излучения, включающий и видимую часть (вспомните раскаленный гвоздь, дающий белый свет), а во втором излучением света сопровождается высвобождение внутренней энергии электронов вещества. Практические способы получения света описаны в статье <Молния в пробирке>.

Рис. 6
Современные тепловые и люминесцентные лампы.

При попадании светового излучения на любое тело часть его отражается, то есть освещаемое тело становится как бы вторичным излучателем света. Другая часть претерпевает преобразование в тепловую, химическую или электрическую энергию (в противоположность процессу излучения, как перехода стороннего вида энергии в световую). Это явление носит название поглощения света. И, наконец, в случае невысокого поглощения света веществом, наблюдается сквозное прохождение через него света. Свойства вещества отражать, поглощать и пропускать свет соответственно носят названия коэффициентов отражения, поглощения и пропускания, каждый из которых равен относительной доле отраженного, задержанного и прошедшего сквозь вещество излучения (рис. 7). Каждый из коэффициентов может меняться в пределах от 0 практически до 1, причем их сумма для любого вещества всегда равна 1 в силу закона сохранения энергии.

Рис. 7
Падающее, отраженное и пропущенное излучения.

Познакомившись с физическими основами света, давайте продолжим наше общение беседой о световых величинах и единицах.