Введение

Дихроматизм (или полихроматизм) — это явление, при котором цвет материала или раствора зависит как от концентрации поглощающего вещества, так и от глубины или толщины среды, через которую свет проходит. В большинстве веществ, не обладающих дихроматизмом, только яркость и насыщенность цвета зависят от их концентрации и толщины слоя. Примерами дихроматических веществ являются масло из семян тыквы, бромфеноловый синий и резазурин. При толщине слоя масла из семян тыквы менее 0,7 мм масло выглядит ярко-зеленым, а при большей толщине – ярко-красным. Это явление связано как с физико-химическими свойствами вещества, так и с физиологическим восприятием цвета человеческой зрительной системой. Эта комбинированная физико-химическая и физиологическая основа была впервые объяснена в 2007 году. В драгоценных камнях дихроматизм иногда называют «эффектом Усамбара».

Физическое объяснение

Дихроматические свойства могут быть объяснены законом Бир-Ламберта и характеристиками возбуждения трех типов колбочковых фоторецепторов в сетчатке человеческого глаза. Дихроматизм потенциально наблюдается в любом веществе, спектр поглощения которого характеризуется одним широким, но неглубоким локальным минимумом и одним узким, но глубоким локальным минимумом. Кажущаяся ширина глубокого минимума также может быть ограничена концом видимого диапазона человеческого глаза; в этом случае истинная полная ширина не обязательно должна быть узкой. По мере увеличения толщины вещества воспринимаемый оттенок изменяется от определяемого положением широкого, но неглубокого минимума (в тонких слоях) к оттенку глубокого, но узкого минимума (в толстых слоях). Спектр поглощения масла из семян тыквы имеет широкий, но неглубокий минимум в зеленой области спектра и глубокий локальный минимум в красной области. В тонких слоях поглощение на любой конкретной зеленой длине волны не столь низко, как для красного минимума, но пропускается более широкая полоса зеленоватых длин волн, и, следовательно, общее восприятие цвета – зеленое. Эффект усиливается большей чувствительностью фоторецепторов человеческого глаза к зеленому цвету и сужением полосы пропускания красного света из-за ограничения чувствительности колбочковых фоторецепторов к длинным волнам. Согласно закону Бир-Ламберта, при наблюдении сквозь окрашенное вещество (и, следовательно, игнорируя отражение), доля света, проходящего на заданной длине волны, T, уменьшается экспоненциально с толщиной t, T = e−at, где a – поглощение на этой длине волны. Пусть G = e−aGt будет зеленой пропускаемостью, а R = e−aRt – красной пропускаемостью. Тогда отношение двух прошедших интенсивностей равно (G/R) = e(aR − aG)t. Если красное поглощение меньше зеленого, то с увеличением толщины t увеличивается и отношение красного к зеленому проходящему свету, что приводит к изменению кажущегося оттенка цвета с зеленого на красный.

Количественная оценка

Степень дихроматизма материала может быть количественно оценена с помощью индекса дихроматичности Крэфта (DI). Он определяется как разность углов оттенка (Δhab) между цветом образца при разведении, при котором хрома (насыщенность цвета) максимальна, и цветом образца, разбавленного в четыре раза (или более тонкого) и концентрированного в четыре раза (или более толстого). Эти две разности углов оттенка называются индексом дихроматичности в сторону осветления (Kreft's DIL) и индексом дихроматичности в сторону затемнения (Kreft's DID) соответственно. Индексы дихроматичности Крэфта DIL и DID для тыквенного масла, являющегося одним из наиболее дихроматичных веществ, составляют -9 и -44 соответственно. Это означает, что тыквенное масло изменяет свой цвет от зелёно-жёлтого к оранжево-красному (на 44 градуса в цветовом пространстве Lab), когда толщина наблюдаемого слоя увеличивается с приблизительно 0,5 мм до 2 мм; и незначительно смещается в сторону зелёного (на 9 градусов), если его толщина уменьшается в четыре раза.

История

Запись, сделанная Уильямом Гершелем (1738–1822), свидетельствует о том, что в 1801 году, работая над одним из первых солнечных телескопов, он наблюдал дихроматизм при использовании раствора сульфата железа и настойки дубовой коры, однако не осознал природу этого явления.