Көрінетін спектр

Кіріспе

Адам көзімен көрінетін электромагниттік спектрдің бөлігі.

Көрінетін спектр – адам көзімен көрінетін электромагниттік спектрдің жолағы. Бұл толқын ұзындығы диапазонындағы электромагниттік сәулелену көрінетін жарық (немесе жай ғана жарық) деп аталады. Оптикалық спектр кейде көрінетін спектрмен бірдей саналады, бірақ кейбір авторлар терминді кеңірек анықтайды, сонымен қатар электромагниттік спектрдің ультракүлгін және инфрақызыл бөліктерін қамтиды, олар бірлесіп оптикалық сәулелену деп аталады. Типик адам көзі шамамен 380-ден 750 нанометрге дейінгі толқын ұзындығына жауап береді. Жиілік жағынан бұл шамамен 400–790 терагерцке сәйкес келеді. Бұл шекаралар нақты белгіленбеген және жеке адамдарға қарай өзгеруі мүмкін. Оңтайлы жағдайларда адамның қабылдау шегі 310 нм (ультракүлгін) және 1100 нм (жақын инфрақызыл) дейін кеңейе алады. Спектр адамның көру жүйесі ажырата алатын барлық түстерді қамтымайды. Мысалы, қызғылт немесе лаванда сияқты қанықпаған түстер жоқ, өйткені оларды бірнеше толқын ұзындығының қоспасынан ғана жасауға болады. Бір ғана толқын ұзындығы бар түстер таза түстер немесе спектрлік түстер деп те аталады. Көрінетін толқын ұзындығы жер атмосферасы арқылы электромагниттік спектрдің "оптикалық терезе" аймағы арқылы айтарлықтай жұмсарылмай өтеді. Бұл құбылыстың мысалы – таза ауа көк жарықты қызыл жарықтан көбірек шашыратып, осылайша түскі аспан көк түсті көрінеді (күннің айналасындағы аймақтан басқа, онда жарық аз шашыратылғандықтан ақ көрінеді). Оптикалық терезе "көрінетін терезе" деп те аталады, өйткені ол адамның көрінетін жауап спектрін жамылайды. Жақын инфрақызыл (NIR) терезесі, орта толқынды инфрақызыл (MWIR) терезесі және ұзын толқынды немесе алыс инфрақызыл (LWIR немесе FIR) терезесі адам көру қабілетінен тыс жатыр, бірақ басқа жануарлар оларды қабылдауы мүмкін.

Спектрлік түстер

Толқын ұзындығының тар диапазонындағы (монохроматикалық жарық) көрінетін жарықпен туындайтын түстер таза спектрлік түстер деп аталады. Суретте көрсетілген түрлі түс диапазондары шамамен берілген: спектр үздіксіз, бір түстен екіншісіне өтетін нақты шекаралар жоқ.

Тарих

13 ғасырда Роджер Бэкон, көкжиектердің жарықтың шыныдан немесе кристалдан өтуіне ұқсас процесс арқылы пайда болатыны туралы теория ұсынды. 17 ғасырда Исаак Ньютон призмалардың ақ жарықты бөліп, қайта құрастыратынын ашты және бұл құбылысты «Оптика» кітабында сипаттады. Ол 1671 жылы оптикалық тәжірибелерін сипаттағанда «спектр» сөзін (латынша «көрініс» немесе «пайда болу») осы мағынада алғаш рет қолданды. Ньютон, күн сәулесінің сәулесі шыны призманың бетіне бұрышпен түскенде, жарықтың бір бөлігі шағылысатынын, ал қалғаны призма арқылы өтіп, әртүрлі түсті жолақтарға айналатынын байқады. Ньютон жарықтың әртүрлі түстері әртүрлі «корпускулдардан» (бөлшектерден) тұрады деп болжады, олардың әртүрлі түстері мөлдір затта әртүрлі жылдамдықпен қозғалады, қызыл жарық шыныдағы қызғылт түстің шашырауына қарағанда жылдам қозғалады. Осының нәтижесінде, қызыл жарық призмадан өткенде қызғылт түсті қарағанда аз иіледі (сындырылады), соның салдарынан түстер спектрі пайда болады. Ньютон бастапқыда спектрді алты атаулы түске бөлді: қызыл, қызғылт сары, сары, жасыл, көк және күлгін. Кейіннен ол жетінші түс ретінде индигоны қосты, себебі жеті санын толықтық сандарының бірі деп санады, бұл көне грек философтарынан бастау алатын түстер, музыкалық ноталар, Күн жүйесіндегі белгілі денелер және апта күндері арасындағы байланысқа сенуімен байланысты. Адамның көзі индигоның жиіліктеріне сезімтал емес, ал кейбір адамдар көру қабілеті жақсы болса да, индигоны көк және күлгін түстерден ажырата алмайды. Осы себепті кейінірек Исаак Азимов сияқты бірнеше зерттеушілер индигоны жеке түс ретінде емес, көк немесе күлгін түстің бір түрі ретінде қарастыруды ұсынды. Дәлелдер көрсетіп тұрғандай, Ньютонның «индиго» және «көк» сөздерімен атаған түстердің мағынасы қазіргі түс атауларының мағынасына сәйкес келмейді. Ньютонның призмалық түстерді бақылауын көзге көрінетін жарық спектрінің түстік суретімен салыстырғанда, «индиго» бүгінгі күні көк деп аталатын түске, ал оның «көк» түсі – цианоға сәйкес келеді. 18 ғасырда Иоганн Вольфганг фон Гёте өзінің «Түстер теориясында» оптикалық спектрлер туралы жазды. Гёте «спектр» (Spektrum) сөзін көлеңкелі оптикалық кейін қалу бейнесін белгілеу үшін қолданды, сондай-ақ Шопенгауэр «Көрнеу және түстер туралы» еңбегінде де осылай қолданды. Гёте үздіксіз спектрдің күрделі құбылыс екенін дәлелдеді. Ньютон құбылысты оқшаулау үшін жарық сәулесін тарылтса, Гёте кеңірек апертураның спектр емес, қызғылт сары және көк циано жиектерін, олардың арасында ақ түс болатынын байқады. Спектр тек осы жиектер бір-біріне жеткілікті жақын болғанда ғана пайда болады. 19 ғасырдың басында көрінетін спектр туралы түсінік нақтыланды, өйткені көрінетін диапазоннан тыс жарық Уильям Гершель (инфрақызыл) және Йоханн Вильгельм Риттер (ультракүлгін), Томас Янг, Томас Иоганн Зебек және басқалар арқылы ашылып, сипатталды. Янг 1802 жылы әртүрлі түсті жарықтың толқын ұзындығын алғаш рет өлшеді. Көрінетін спектр мен түстерді көру арасындағы байланысты 19 ғасырдың басында Томас Янг және Герман фон Гельмгольц зерттеді. Олардың түстерді көру теориясы көздің түстерді қабылдау үшін үш түрлі рецепторды қолданатынын дұрыс болжады.

In the 13th century, Roger Bacon theorized that rainbows were produced by a similar process to the passage of light through glass or crystal. In the 17th century, Isaac Newton discovered that prisms could disassemble and reassemble white light, and described the phenomenon in his book Opticks. He was the first to use the word spectrum (Latin for "appearance" or "apparition") in this sense in print in 1671 in describing his experiments in optics. Newton observed that, when a narrow beam of sunlight strikes the face of a glass prism at an angle, some is reflected and some of the beam passes into and through the glass, emerging as different colored bands. Newton hypothesized light to be made up of "corpuscles" (particles) of different colors, with the different colors of light moving at different speeds in transparent matter, red light moving more quickly than violet in glass. The result is that red light is bent (refracted) less sharply than violet as it passes through the prism, creating a spectrum of colors. Newton originally divided the spectrum into six named colors: red, orange, yellow, green, blue, and violet. He later added indigo as the seventh color since he believed that seven was a perfect number as derived from the ancient Greek sophists, of there being a connection between the colors, the musical notes, the known objects in the Solar System, and the days of the week. The human eye is relatively insensitive to indigo's frequencies, and some people who have otherwise good vision cannot distinguish indigo from blue and violet. For this reason, some later commentators, including Isaac Asimov, have suggested that indigo should not be regarded as a color in its own right but merely as a shade of blue or violet. Evidence indicates that what Newton meant by "indigo" and "blue" does not correspond to the modern meanings of those color words. Comparing Newton's observation of prismatic colors with a color image of the visible light spectrum shows that "indigo" corresponds to what is today called blue, whereas his "blue" corresponds to cyan. In the 18th century, Johann Wolfgang von Goethe wrote about optical spectra in his Theory of Colours. Goethe used the word spectrum (Spektrum) to designate a ghostly optical afterimage, as did Schopenhauer in On Vision and Colors. Goethe argued that the continuous spectrum was a compound phenomenon. Where Newton narrowed the beam of light to isolate the phenomenon, Goethe observed that a wider aperture produces not a spectrum but rather reddish yellow and blue cyan edges with white between them. The spectrum appears only when these edges are close enough to overlap. In the early 19th century, the concept of the visible spectrum became more definite, as light outside the visible range was discovered and characterized by William Herschel (infrared) and Johann Wilhelm Ritter (ultraviolet), Thomas Young, Thomas Johann Seebeck, and others. Young was the first to measure the wavelengths of different colors of light, in 1802. The connection between the visible spectrum and color vision was explored by Thomas Young and Hermann von Helmholtz in the early 19th century. Their theory of color vision correctly proposed that the eye uses three distinct receptors to perceive color.

Көрінетін қашықтықтың шектері

Көрінетін спектр торшаға жетіп, көру фототрансдукциясын (көрнекі опсинді қозатын) тудыра алатын толқын ұзындықтарымен шектеледі. Күлдізгі сәулелерге сезімталдық әдетте линза арқылы өтуімен шектеледі. Инфрақызыл сәулелерге сезімталдық көру опсиндерінің спектрлік сезімталдық функцияларымен шектеледі. Диапазон психометриялық тұрғыдан барлық осы факторларды ескеретін жарық тиімділік функциясымен анықталады. Адамдарда екі көру жүйесінің әрқайсысы үшін жеке функция бар: бірі - күндізгі жарықта қолданылатын фотопиялық көру, ол конус жасушалары арқылы жүзеге асырылады, екіншісі - қараңғыда қолданылатын скотопиялық көру, ол таяқша жасушалары арқылы жүзеге асырылады. Бұл функциялардың әрқайсысының көрінетін диапазоны әртүрлі. Дегенмен, көрінетін диапазон туралы әңгімелер көбінесе фотопиялық көруді қарастырады.

Атмосфералық таралу

Көптеген жануарлардың көрінетін диапазоны атмосфера арқылы өтетін жарық спектрімен үйлесе дамыған, осы спектр – оптикалық терезе деп аталады. Озон қабаты ультракүлгін сәулелердің (315 нм-ден төмен) көбін сіңіріп алады. Дегенмен, бұл тек ғарыштан келетін жарыққа (мысалы, күн сәулесі) ғана қатысты, ал жер бетіндегі жарыққа (мысалы, биолюминесценция) әсер етпейді.

Көз арқылы жұғу

Жарық торлық қабықшаға жеткенге дейін алдымен мүйіз қабығы мен линза арқылы өтуі керек. UVB сәулесі (< 315 нм) көбінесе мүйіз қабығымен сүзіледі, ал UVA сәулесі (315–400 нм) көбінесе линзамен сүзіледі. Линза жасы ұлғалған сайын сарға айналып, көк спектрдің берілуін ең күшті түрде әлсіретеді. Ал кейбіреулер психометриямен айналысып, ең кең спектрге қол жеткізу үшін 380–750, тіпті 380–800 нм диапазонын кеңінен пайдалануы мүмкін. Жақын инфрақызыл (NIR) сәулелеріндегі жарық тиімділігі функциясының нақты шегі болмайды, оның орнына экспоненциалдық төмендеу байқалады, сондықтан функцияның 1050 нм-дегі мәні (немесе көру сезімталдығы) 700 нм-дегі мәнге қарағанда шамамен 109 есе әлсіз; демек, 1050 нм сәулені 700 нм сәуледен қабылдау үшін әлдеқайда жоғары қарқындылық қажет.

Көрінетін спектрден тыс көру

Зертханалық жағдайларда адамдар кем дегенде 1,064 нм-ге дейінгі инфрақызыл сәулелерді қабылдай алады. Бірақ 380 нм-ден төмен жарықты анықтау, опсиндермен КӨС сәулесін тікелей сіңіруден гөрі, көздің ортасының (көз бұрқауы мен мүйіз қабығы) флуоресценциясына байланысты болуы мүмкін. КӨСА сәулесі көздің ортасымен (көз бұрқауы және мүйіз қабығы) сіңіріледі, нәтижесінде флуоресценция туындап, төмен энергиялы (ұзақ толқынды) сәуле шығарылады, оны опсиндер сіңіре алады. Мысалы, көз бұрқауы 350 нм жарықты сіңіргенде, флуоресценция эмиссиясының спектрі 440 нм шамасында шоғырланады.

Көрнекі емес жарықты анықтау

Фотопиялық және скотопиялық жүйелерден өзге, адамдарда негізгі көру жүйесіне тікелей қатысы жоқ жарықты сезуге арналған тағы да бірнеше жүйе бар. Мысалы, меланопсин 420–540 нм толқын ұзындығындағы жарықты сіңіріп, тәуліктік ырғақ пен басқа рефлекстік процестерді реттейді. Меланопсин жүйесі бейне жасамайтындықтан, ол қатаң түрде көру санатына жатпайды және көрінетін спектрге әсер етпейді.

Адам еместерде

Көрінетін спектр адамдарға көрінетіндей анықталады, бірақ түрлер арасындағы айырмашылық зор. Конус опсиндері спектрлік түрленуге ұшырап, көрінетін диапазонды өзгерте алады, сондай-ақ, адамның 3 (трихроматикалық) конусына қарағанда 4 конусқа (тетрахроматикалық) немесе 2 конусқа (дихроматикалық) ие омыртқалы жануарлар да адамдарға қарағанда сәйкесінше кеңірек немесе тар көрінетін спектрге ие болады. Омыртқалы жануарларда әдетте 14 түрлі опсин класы болады: мытындарда 429 нм және 555 нм ұзындықтағы екі конус опсині бар, сондықтан дихроматикалық болғанына қарамастан, адамдардың көрінетін спектрінің көп бөлігін көреді. Жылқыларда 428 нм және 539 нм ұзындықтағы екі конус опсині бар, бұл қызыл түсті көруді сәл шектейді.

Құстар

Басқа омыртқалы жануарлардың көпшілігі (құстар, кесірткелер, балықтар және т.б.) тетрахроматикасын сақтап қалды, оның ішінде адамдардың VS опсинінен гөрі ультракүлгін сәулеге қарай кеңейтілген УФС опсиндері бар. Бұл кейбір құстардың адамдармен салыстырылатын көріс спектріне, ал басқаларының ультракүлгін сәулеге айтарлықтай жоғары сезімталдығына алып келеді. Құстардың LWS опсині кейде 600 нм-ден жоғары ең жоғары толқын ұзындығымен сипатталады, бірақ бұл құс майы тамшыларының сүзгісін ескеретін тиімді ең жоғары толқын ұзындығы.

Балық

Телеостар (сүйекті балықтар) көбінесе төрт түсті көреді. Балықтардың УФС опсиндарының сезімталдығы 347-383 нм, ал ЛВС опсиндарының сезімталдығы 500-570 нм аралығында өзгереді. Дегенмен, кейбір балықтар баламалы хромофорларды қолдану арқылы LWS опсиндарының сезімталдығын 625 нм-ге дейін арттыра алады. Бұл дұрыс емес, себебі алтын балық инфрақызыл сәулелерді көре алмайды.

Омыртқасыздар

Омыртқасыздардың көру жүйесі омыртқалылардан күрт өзгеше, сондықтан тікелей салыстыру жасау қиын. Дегенмен, көптеген жәндік түрлерінде ультракөк сәулеге сезімталдық анықталған. Бал аралары және тағы да көптеген жәндіктер ультракөк сәулені көреді, бұл оларға гүлдердегі нектарды табуға көмектеседі. Құрттар арқылы тозаңданатын өсімдік түрлерінің көбеюі, олардың адамға қаншалықты түрлі-түсті көрінуіне емес, ультракөк сәуледегі көрінісіне байланысты болуы мүмкін. Бал араларының толқын ұзындығының шегі шамамен 590 нм құрайды. Мантис-шаяндарға дейін 14 опсин тән, бұл оларға 300 нм-ден азырақтан 700 нм-ден жоғарыға дейін көрінетін диапазонды қамтамасыз етеді. 5 пен 30 мкм арасындағы толқын ұзындығындағы сәулелі жылуды соқыр діңгек жылан, олжаның осал дене бөліктерін нысанаға алатындай дәлдікпен анықтай алады, ал мүшесі бар басқа жыландар бір метр қашықтықтан жылы денелерді сезе алады. Бұл дене температурасын реттеу және жыртқыштарды анықтау үшін де қолданылуы мүмкін.

Спектроскопия

Спектроскопия – нысандардың шығаратын, сіңіретін немесе шағылыстыратын түс спектрін зерттеу ғылымы. Көрінетін жарық спектроскопиясы астрономияда маңызды құрал болып табылады (басқа толқын ұзындықтарындағы спектроскопия сияқты), онда ғалымдар оны алыс нысандардың қасиеттерін талдау үшін пайдаланады. Химиялық элементтер мен шағын молекулаларды астрономиялық нысандарда эмиссиялық және абсорбциялық сызықтарды байқау арқылы анықтауға болады. Мысалы, гелий алғаш рет Күннің спектрін талдау арқылы табылды. Спектрлік сызықтардың жиілігінің өзгеруі алыс нысандардың Доплер эффектісін (қызыл немесе көк ығысуын) өлшеу үшін қолданылады, бұл олардың бақылаушыға қарай немесе одан алыстаған жылдамдығын анықтауға мүмкіндік береді. Астрономиялық спектроскопияда спектрлерді өте жоғары спектрлік ажыратымдылықпен байқау үшін жоғары дисперсиялық дифракциялық торлар қолданылады.