Szín és színjelenségek - A fizika lexikona
A fizika lexikonja: Szín és színmegjelenések
Szín és színmegjelenések
Roger Erb, Kassel
1. Összegzés
A „szín és színjelenségek” témája a számunkra közös jelenségek sokaságát érinti. Ez a bejegyzés célja a legérdekesebb és legszembetűnőbbek ismertetése. Először azonban be kell mutatni néhány olyan alapot, amely e jelenségek megértéséhez szükséges.
2 Bevezetés
Az ábrázolást vagy előadást gyakran színtelennek nevezik, ha nézőpontunkból hiányzik egy bizonyos minőség. Ami azonban pontosan meghatározza ezt a tulajdonságot, azt nem könnyű szavakba önteni. Ez a helyzet tehát nem különbözik attól a helyzettől, amely akkor áll elő, amikor meg akarjuk érteni a ›szín‹ jelentését vizuális érzékelésünk szempontjából.
A szín aspektusa életünk számos területén játszik szerepet - a színes dolgok mindennapi felfogásában (1. ábra), a művészetben mint tervezési közegben, de a tónusokkal vagy szenzációkkal kapcsolatban is (Szinesztézia). Ebben a cikkben a színészlelés fizikai vonatkozásait kell figyelembe venni, amennyiben azok szerepet játszanak mindennapjainkban.
3. Színkeverés
Amikor a színkeverésre gondol, önkéntelenül egy színdobozra gondol, és saját kísérleteire, hogy új színárnyalatokat kapjon: a kék és a piros lila, a kék és a sárga zöldet eredményez stb. Végül szeretnénk befejezni (5. szakasz), és megpróbáljuk ezeket a jelenségeket egyszerű módon megérteni. Ehhez hasznos először a színkeverés egy másik aspektusával foglalkozni, valamint a szem és az agy színingerének feldolgozásával.
a) spektrum
Első pillantásra a szín fizikai tulajdonságnak tűnik, ami helytelen. A szín egy Szenzáció, amely fizikai mennyiségekhez kapcsolódik. Ez a fizikai terület a színészlelés külső okát, nevezetesen a spektrális eloszlás a fénysugárzás (színinger). De az észlelés magában foglalja a szem és az agy feldolgozását is. Csak ebben az összefüggésben van értelme a színről beszélni. Másrészt olyan anyagokra utalunk, amelyeket színezésre színezékként használnak.
Amikor a szivárványra (optika, atmoszférikus) vagy a prizma segítségével létrehozott elektromágneses spektrumra tekintünk, akkor a színes benyomások változatosságáról tudomást szerezünk. A színérzékelés fizikai mennyiséghez való hozzárendelése nem egyértelmű. Ha sok embert kérdez meg a spektrum egy bizonyos pontjának színmegjelöléséről, akkor van egyezés, és ez a pont fizikailag hozzárendelhető egy hullámhossztartományhoz - de ugyanaz a színérzékelés teljesen más módon is kiváltható, amint az a következő részben kiderül . Ez más a hallgatáskor, mert az észlelt hangmagasság és a frekvencia közötti kapcsolat egyértelmű.
b) szín és hullámhossz
A fehér fény, például a napfény, prizmával osztható fel spektrumra (ábra: Az elektrodinamikáról), és képernyőn tekinthető meg (fénytörés, diszperzió). A spektrum nagyon kis területe monokromatikus fényt (spektrális színek, spektrális lámpa) szolgáltat. Ideális esetben ennek a fénynek csak egy hullámhossza (vagy frekvenciája) van, és többnyire egyszínű vagy jobb monofrekvencia hívott. Ha újra összekapcsolja a spektrumot, a képernyőn ismét egy fehér folt jelenik meg.
Hasonló módon két vagy több fényforrásból származó fény is keverhető. A fény, amely a képernyőről kerül a szembe, egy adalékkeverék: A kapott intenzitáseloszlás az egyes intenzitási görbék összege.
Az additív színkeverés másik lehetősége az, hogy a fény több, szorosan elhelyezkedő, különböző színű foltból kerül a szembe (partitív keverék). Ily módon a színes televízióban a színes képeket egy rácson keresztül reprodukálják, amelyet a szem már nem választ el. A pointillisták éltek ezzel a lehetőséggel azáltal, hogy kis színes pontokat vittek fel a papírra, és a többszínű nyomtatás is ezen a technikán alapulhat. Ebben az esetben a rácspontok egymás mellett vannak.
Először néha váratlan eredményeket ér el. A vörös és a zöld adalék keveréke telítetlen sárga színt eredményez, és általában az összes telítetlen szín három összetevőből keverhető össze. A spektrális színek viszont nem keverhetők össze három alapkomponensből (táblázat).
A fényerő figyelembevétele nélkül az összes szín egy síkban ábrázolható. Segítségével Normál színskála (3. ábra) a szín helye meghatározható a standard színérték arányok (nem megvalósítható összetevők) segítségével x és y jelzett (standard vegyértékrendszer). Ebből kiszámítható a harmadik komponens aránya, mivel az összegnek 1-nek kell lennie. A spektrális színeknek megfelelő ingerek egy görbén fekszenek, a két legkülső pontot az ún. Lila egyenes csatlakoztatva. Minden szín ezen a területen található, középen a fehér vagy az akromatikus pont található. Az adalékkeverék eredménye megtalálható az eredeti színeket összekötő egyenesen. Egy bizonyos szín kiegészítő színe megtalálható, ha ebből a színből egyenes vonalat húzunk a fehér ponton át az ellenkező oldalra.
Mikor szubtraktív színkeverés a kifejezés annak a folyamatnak a leírására szolgál, amikor a fény egymás után két vagy több szűrőn (optikai szűrőn) halad át. A szűrő viselkedését annak segítségével lehet meghatározni spektrális átviteli görbe amely jelzi, hogy a bejövő fény mely részei vannak még jelen az átvitel után. Ha két szűrőt egymás mögé helyeznek, a lámpából hiányoznak azok az alkatrészek, amelyeket a kettő közül legalább az egyik elvesz (táblázat).
Még a Színes fényképezés Elvileg a világos-sötét felvételek mindig három különböző színben készülnek, amelyek szubtraktív vagy additív színkeveréssel nézve a színes képet eredményezik (fotózás).
4. Színlátás
Eddig a színjelenségeket inkább a fény oldaláról szemléltük. A szemmel való észlelés azonban konstitutív a színjelenségek szempontjából. Hogyan lehet megérteni a színingerek feldolgozását magában a szemben?
a) szem és retina
A szemben a retina kúpjai és rudai felelősek az ingerek létrehozásáért, amikor a fény eléri őket. Ezek a sejtek fényérzékeny anyagokat tartalmaznak. Alacsony intenzitással csak azok működnek rúd, amelyek egyformák és nem tudjuk megkülönböztetni a színeket. Csak nagyobb intenzitással vannak a Kúpok címzett, majd a színek megkülönböztethetők. Ennek eredményeként egynél több típustípusnak kell lennie. Thomas Young (1773-1829) és Hermann von Helmholtz (1821-1894) feltételezték, hogy három típusú kúpunk van, amelyek közül az egyik túlnyomórészt a rövid hullámban (K), a másik a hosszú hullámban (L) és egy a középső tartományban (M) reagál. (Három szín elmélet). Továbbá arra a következtetésre juthatunk, hogy ezen fotoreceptor sejtek érzékenységi görbéinek átfedésben kell lenniük, és az alak is nagyjából meghatározható (4. ábra).
Ez azonban nem magyarázza meg, miért tűnik számunkra fehérnek a vörös, a zöld és a kék keveréke. Az sem világos, hogy a vörös és a zöld keveréke miért nem zöldes, hanem sárga színű. A magyarázat az Ellentétben a színelmélettel von Ewald Hering (1834-1918) hasznos. Az összes színérzetet néggyel súlyozzuk pszichológiai elsődleges színek visszatért (négyszín elmélet). Négy szín szolgál alapszínként, amelyek absztrakt kifejezésekkel vannak ellátva és megfelelnek az alapvető érzéseknek: kék, sárga, zöld és piros. (Ezzel szemben sok más szín esetében a név egy tárgyra épül: narancs, olíva, rózsaszín stb.)
A négy alapszín a kék - sárga és zöld - piros ellentétpárokba rendeződik (létezik az ellentétes pár is achromatikus színek Fekete és fehér). Ez azt fejezi ki, hogy az ember nem sárgáskéket vagy zöldesvörösöt érzékel, hanem inkább vörösessárgát.
Nem könnyű eldönteni, hogy a két elmélet közül melyik írja le jobban a vizuális folyamatot. Ma feltételezzük, hogy a Young-Helmholtz-elmélet a színérzékelés első szintjére, a retina eseményeire vonatkozik, de a további feldolgozás Hering leírása szerint történik. Az újabb elméletekben mindkét szempontot megpróbálja megragadni.
Hasonló bontást találunk a televíziós képek továbbításában is: három színnel jelennek meg a képernyőn, de (egyszerűsítve) két színes csatornát és egy akromatikus csatornát használnak az átvitelhez.
b) színes ametropia
Az emberek néhány százaléka hibás. Három típusú kúp áll rendelkezésre az egészséges emberek számára, bizonyos maximális érzékenységi szintekkel (Trichroizmus). Kóros állapotban Trikromaták a maximumok eltolódnak. Leggyakrabban ez azt jelenti, hogy nem tudnak megkülönböztetni piros és zöld tárgyakat, valamint a normál trikromatákat. Dikromátok esetében (Dichromacy) az egyik kúptípus hatástalan vagy viszonylag érzéketlen, a monokromaták nem tudnak különbséget tenni a színek között (Monokromatizmus). A színes ametropia javítható a
A színes panelek elismertek. (Színkárosodás)
5. Színészlelési jelenségek
Még akkor is, ha a szemünk úgy tűnik, hogy egy nyugalmi tárgyra tapad, alig mozognak észrevehetően annak érdekében, hogy ne okozzanak idő előtti deszenzitizációt. Ha fekete-fehér mintát nézünk, ez a Benham lemezéhez hasonló hatáshoz vezethet: Ha a 6. ábrát nézzük, finom színingadozások jelennek meg, a Fechnerian színek.
6. Színesség
Néhány átlátszó alkatrészből álló dolog - például a vízgőz (köd) - fehérnek tűnik. A fény átlátszó cseppek sokaságába jut, többször visszaverődik, majd újra kilép. Mivel a fény spektrálisan nem változik, a színlenyomat fehér. Ez az oka annak, hogy a tej, a cukor, a hó, a felhők, a papír és sok más dolog - beleértve a festéket is - fehérnek tűnik. A zsírfolt viszont helyettesíti a papír levegőjét, megakadályozza a diffúz visszaverődést és átlátszóvá teszi. A szórási folyamatok azonban függhetnek a hullámhossztól is, amely például égkékhez vezet (optika, légköri).
A hullámhossztól függetlenül elnyelő testek szürke vagy fekete színűek. Az a felület, amely a beeső fény nagy részét tükrözi, mint a legtöbb fémfelület, (szürke) fényű. (Fém megjelenés).
c) az anyagok színei
A legtöbb anyag színe a szelektív felszívódásból származik (a rezonancia miatt). A víz például világoskék-zöld színét kapja, mert a vízmolekulák abszorbeálódnak a vörös és az infravörös hullámhossz-tartományban. A fennmaradó rész szétszóródott, és ez okozza a színezést. A színezékek, például a klorofill és a karotin rezonanciái a látható tartományban vannak.
A sárga színű szűrő elnyeli a kék fényt. A piros és a zöld rész egyaránt tükröződik és továbbterjed. A színszűrő ezért sárgának tűnik, ha felülről és felülről nézzük. A kék festék kéknek tűnik, ha átnézzük. Helyezzen egy kis tintát a fedőlapra, és hagyja megszáradni, így átnézve kék, de visszaverődve sötétvörös. A piros tinta felülről nézve zöld, és átnézve piros. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a nagyon koncentrált színezékek eltérően viselkednek: Abban a területen reflektálnak, ahol felszívódnak, vagyis a rezonancia frekvencián.
d) pigmentek
A festék szilárd részecskékből áll, amelyek átlátszó közegből készült kötőanyagba vannak ágyazva. Színes lakkok esetén az átlátszó részecskék (lásd a 6b. Szakaszt) színesek. A pigmentfestékek átlátszatlan, színes részecskéket tartalmaznak, amelyek elhomályosítják a színhordozót (átlátszatlan színt). Ezeket a kifejezéseket azonban nem mindig használják egyértelmű módon.
A beeső fény visszaverődik a kötőanyag, a hordozó, a festékrészecskék és a pigmentek felületén. A fény több részecskén visszaverődhet, és transzmisszió során szelektíven elnyelhető átlátszó részecskék esetén is. A pontos eredmény (például a telítettség mértéke) ezért nagymértékben függ az egyes folyamatoktól, így a pigment méretétől és koncentrációjától.
A szappanbuborék (vagy egy függőlegesen befogott szappanbőr, 7. ábra) és a vízen lévő olajréteg színét szintén interferencia hozza létre, jelen esetben egy vékony réteg. A Üzembe helyezés fém felület (Edző színek) melegítés után egy vékony oxid réteg interferenciája okozza. A meglehetősen halvány színek oka itt az, hogy egy bizonyos hullámhosszú fényt a réteg egyes területein történő interferencia olt ki, aminek eredményeként ez megjelenik az erősen telítetlen kiegészítő színben.
Könnyen létrehozhat vékonyfilm-interferenciát maga. Ehhez vegyen két mikroszkóp tárgylemezt, és tegye őket egymásra, sötét felületre. Nézze meg a vékony réteget, ebben az esetben a szemüveg közötti levegőréteget egy kiterjesztett fehér lámpa fényében. Ha enyhén megnyomja a felső üveget, lágy színű interferencia-minták jönnek létre.
7. Kilátás
A cikk témája rendkívül sokrétű - átvitt értelemben is színes! Emiatt nem minden aspektussal lehetett részletesen foglalkozni, és a fennmaradó kérdésekre az alábbi szakirodalomra kell hivatkozni. Az egyik cél az volt, hogy motiválja Önt saját kísérleteinek és megfigyeléseinek elkészítésére, mert a környezetünk színe jó példa arra, hogy nemcsak laboratóriumban, hanem a mindennapi életben is számos érdekes fizikai tárggyal találkozunk.
Irodalom:
Falk, David S.; Dieter R. Brill; David G. Stork: Pillantás a fénybe, Birkhäuser, Bázel, Boston, Berlin; Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1990;
Goethe, Johann Wolfgang: A színek elméletéhez;
Csuka, Eugene: optika, Addison-Wesley, Bonn [stb.], 1989.
Richter, Manfred: Kolorimetria. In: Gobrecht, Heinrich (szerk.). Bergmann-Schäfer: Kísérleti fizika tankönyv,
Kötet III optika, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1978.
Treitz, Norbert: Színek, Klett, Stuttgart, 1985.
Szín és szín megjelenés 1: A pávatollak csillogó színei.
Szín és színmegjelenés 2: A színek elrendezése háromdimenziós ábrázolásban.
Szín és színmegjelenés 3: Normál színskála.
Szín és színmegjelenés 4: Az emberi szem kúpjainak alapvető szenzációs görbéi.
Szín és színmegjelenések 5: Egyidejű kontraszt. A négy szürke kör alakú terület objektíven megegyezik.
Szín és szín megjelenés 6: A Fechner színek a kép szemmel történő beolvasásával jönnek létre.
Szín és szín megjelenés 7: Szappanbőr interferencia színek.
Szín és színmegjelenések