Диапазон длин волн видимого излучения света. Длины световых волн

Видимый свет — это энергия той части спектра электромагнитного излучения, которую мы способны воспринимать глазами, то есть видеть. Вот так все просто.

Длина волны видимого света

А теперь сложнее. Длины волн света в видимой области спектра лежат в диапазоне от 380 до 780 нм. Что это значит? Это значит, что волны эти очень короткие и высокочастотные, а «нм» — это нанометр. Один такой нанометр равен 10 -9 метрам. А если человеческим языком, то это одна миллиардная часть метра. То есть метр — это десять дециметров, сто сантиметров, тысяча миллиметров или… Внимание! Один миллиард нанометров .

Как мы видим цвета в пределах видимого спектра света

Наши глаза не только могут воспринимать эти крошечные волны, но и различать их длины в пределах спектра. Вот так мы и видим цвет — как часть видимого спектра света. Красный свет, один из трех основных цветов света, имеет длину волны примерно 650 нм. Зеленый (второй основной) — приблизительно 510 нм. И, наконец, третий — синий — 475 нм (или около того). Видимый свет от Солнца — это своеобразный коктейль, в котором эти три цвета смешаны.

Почему небо голубое, а трава зеленая?

Вообще-то это два вопроса, а не один. И поэтому мы дадим два разных, но связанных между собой ответа. Мы видим ясное небо в полдень голубым, потому что короткие волны света более эффективно рассеиваются при столкновении с молекулами газа в атмосфере, чем длинные. Так что голубизна, которую мы видим в небе — это синий свет, рассеянный и многократно отраженный молекулами атмосферы.

Но на восходе и закате небо может приобретать красноватый цвет. Да, и такое бывает, поверьте. Это происходит потому, что когда Солнце находится близко к горизонту, свету, чтобы достичь нас, приходится проделать более долгий путь через гораздо более плотный слой атмосферы (к тому же еще и довольно пыльный), чем когда Солнце находится в зените. Все короткие волны поглощаются, и нам остается довольствоваться длинными, отвечающими за красную часть спектра.

А вот с травой все слегка по-другому. Она выглядит зеленой, потому что поглощает все длины волн, кроме зеленых. Зеленые ей, видите ли, не по душе, поэтому она их отражает обратно нам в глаза. По этой же причине любой объект имеет свой цвет — мы видим ту часть спектра света, которую он не смог поглотить. Черные предметы выглядят черными, потому что поглощают все длины волн, практически ничего при этом не отражая, а белые — наоборот, отражают весь видимый спектр света. Это также объясняет, почему черное нагревается на солнце гораздо сильнее, чем белое.

Небо голубое, трава зеленая, собака — друг человека

А что там — за видимой областью спектра?

По мере того, как волны становятся короче, цвет меняется от красного к синему, доходит до фиолетового и, наконец, видимый свет исчезает. Но сам свет не исчез — а перешел в область спектра, которая называется ультрафиолетом . Хоть эту часть спектра света мы уже не воспринимаем, но именно она заставляет светиться люминесцентные лампы, некоторые виды светодиодов, а также всякие прикольные светящиеся в темноте штучки. Дальше уже идут рентгеновское и гамма-излучение, с которыми лучше дел не иметь вообще.

С другого конца области спектра видимого света, там где заканчивается красный цвет, начинается инфракрасное излучение, которое скорее тепло, чем свет. Вполне может вас поджарить. Затем идет микроволновое излучение (очень опасное для яиц), а еще дальше — то, что мы привыкли называть радиоволнами. У них длины уже измеряются сантиметрами, метрами и даже километрами.

И как это все относится к освещению?

Очень относится! С тех пор как мы узнали многое про спектр видимого света и про то, как мы его воспринимаем, производители светового оборудования постоянно работают над улучшением качества для удовлетворения наших ежесекундно растущих потребностей. Так появились лампы «полного спектра», свет которых почти неотличим от естественного. Цвет света стали , чтобы иметь реальные цифры для сравнения и маркетинговых трюков. Стали выпускаться специальные лампы для различных нужд: например, лампы для выращивания комнатных растений , дающие больше ультрафиолета и света из красной области спектра для лучшего роста и цветения, или «тепловые лампы» различных видов, которые обосновались в бытовых обогревателях, тостерах, и гриле в «Шаурме от Ашота».

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом , или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно», область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящему в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят свет в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. 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.

Спектр видимого излучения

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380-440	790-680	2,82-3,26
Синий	440-485	680-620	2,56-2,82
Голубой	485-500	620-600	2,48-2,56
Зелёный	500-565	600-530	2,19-2,48
Жёлтый	565-590	530-510	2,10-2,19
Оранжевый	590-625	510-480	1,98-2,10
Красный	625-740	480-400	1,68-1,98

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длинами волн приблизительно от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

Первые объяснения 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. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах.

Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum - видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он сделал наблюдение, что когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся с различной скоростью в прозрачной среде. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели. Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетого цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.

Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму, на краях луча проявляются красно-желтые и голубые края, между которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.

В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.

В начале XIX века 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 три различных вида рецепторов.

Характеристики границ видимого излучения

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый




Оранжевый

Электромагнитный спектр условно делится на диапазоны. В результате их рассмотрения необходимо знать следующее.

Название диапазонов электромагнитных волн.
Порядок их следования.
Границы диапазонов в длинах волн или частотах.
Чем обусловлено поглощение или излучение волн того или иного диапазона.
Использование каждого типа электромагнитных волн.
Источники излучения различных электромагнитных волн (естественные и искусственные).
Опасность каждого вида волн.
Примеры объектов, имеющих размеры, сравнимые с длиной волны соответствующего диапазона.
Понятие об излучении абсолютно черного тела.
Солнечное излучение и окна прозрачности атмосферы.

Диапазоны электромагнитных волн

Микроволновый диапазон

Микроволновое излучение используется для подогрева еды в микроволновых печах, мобильной связи, радарах (радиолокаторах), до 300 ГГц легко проходит атмосферу, поэтому пригодно для спутниковой связи. В этом диапазоне работают радиометры для дистанционного зондирования и определения температуры разных слоев атмосферы, а также радио телескопы. Этот диапазон является одним из ключевых для спектроскопии ЭПР и вращательных спектров молекул. Длительное воздействие на глаза вызывает катаракту. Мобильные телефоны отрицательно влияют на головной мозг.

Характерной особенностью микроволновых волн является то, что их длина волны сравнима с размерами аппаратуры. Поэтому в этом диапазоне приборы конструируются на основе распределенных элементов. Для передачи энергии используются волноводы и полосковые линии, а в качестве резонансных элементов – объемные резонаторы или резонансные линии. Рукотворными источниками МВ волн являются клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Кроме того существуют мазеры, аналоги лазеров в длинноволновых диапазонах.

Микроволновые волны излучаются звездами.

В микроволновом диапазоне находится так называемое космическое фоновое микроволновое излучение (реликтовое излучение), которое по своим спектральным характеристикам полностью соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 2,72К. Максимум его интенсивности приходится на частоту 160 ГГц (1,9мм) (см. рис. ниже). Наличие этого излучения и его параметры являются одним из аргументов в пользу теории Большого Взрыва, которая в настоящее время является основой современной космологии. Последний, согласно, в частности, этим измерениям и наблюдениям, произошел 13,6 миллиардов лет назад.

Выше 300 ГГц (короче 1 мм) электромагнитные волны очень сильно поглощаются атмосферой Земли. Атмосфера начинает быть прозрачной в ИК и видимом диапазонах.

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380-440	680-790	2,82-3,26
Синий	440-485	620-680	2,56-2,82
Голубой	485-500	600-620	2,48-2,56
Зелёный	500-565	530-600	2,19-2,48
Жёлтый	565-590	510-530	2,10-2,19
Оранжевый	590-625	480-510	1,98-2,10
Красный	625-740	400-480	1,68-1,98

Среди лазеров и источников с их применением, излучающих в видимом диапазоне, можно назвать следующие: первый запущенный лазер, - рубиновый, с длиной волны 694,3 нм, диодные лазеры, к примеру на основе GaInP и AlGaInP для красного диапазона, и на основе GaN для синего диапазона, титан-сапфировый лазер, He-Ne лазер, лазеры на ионах аргона и криптона, лазер на парах меди, лазеры на красителях, лазеры с удвоением или суммированием частоты в нелинейных средах, рамановские лаэеры. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).

Долгое время существовала проблема в создании компактных лазеров в сине-зеленой части спектра. Имелись газовые лазеры, такие как аргоновый ионный лазер (с 1964 года), у которого две основные линии генерации лежат в синей и зеленой части спектра (488 и 514 нм) или гелий кадмиевый лазер. Однако для многих приложений они не годились из-за своей громоздкости и ограниченного количества линий генерации. Создать полупроводниковые лазеры с широкой запрещенной зоной не удавалось из-за огромных технологических трудностей. Однако в конечном итоге были разработаны эффективные методы удвоения и утроения частоты твердотельных лазеров ИК и оптического диапазона в нелинейных кристаллах, полупроводниковые лазеры на основе двойных соединений GaN и лазеров с повышением частоты накачки (upconversion lasers).

Источники света в сине зеленой области позволяют увеличить плотность записи на CD-ROM, качество репрографии, необходимы для создания полноцветных проекторов, для осуществления связи с подводными лодками, для снятия рельефа морского дна, для лазерного охлаждения отдельных атомов и ионов, для контроля за осаждением из газа (vapor deposition), в проточной цитометрии. (взято из “Compact blue-green lasers” by W. P. Risk et al).

Литература:

Ультрафиолетовый диапазон

Считается, что ультрафиолетовый диапазон занимает область от 10 до 380 нм. Хотя границы его четко не определены, особенно в коротковолновой области. Он делится на поддиапазоны и это деление также не является однозначным, так как в разных источниках привязано к различным физическим и биологическим процессам.

Так на сайте "Health Physics Society" ультрафиолетовый диапазон определен в границах 40 - 400 нм и делится на пять поддиапазонов: вакуумный УФ (40-190 нм), дальний УФ (190-220 нм), UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), и UVA (320-400 нм) (черный свет). В англоязычной версии статьи об ультрафиолете в Википедии "Ultraviolet" под ультрафиолетовое излучение выделяется диапазон 40 - 400 нм, однако в таблице в тексте представляется его деление на кучу перекрывающихся поддиапазонов, начиная с 10 нм. В русскоязычной версии Википедии "Ультрафиолетовое излучение" с самого начала границы УФ диапазона устанавливаются в пределах 10 - 400нм. Кроме того в Википедии для диапазонов UVC, UVB и UVA указаны области 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение несмотря на свое благотворное влияние в небольших количествах на биологические объекты является одновременно самым опасным из всех других естественных широкораспространенных излучений других диапазонов.

Основным естественным источником УФ излучения является Солнце. Однако не все излучение достигает Земли, так как поглощается озоновым слоем стратосферы и в области короче 200 нм очень сильно атмосферным кислородом.

UVC практически полностью поглощается атмосферой и не достигает земной поверхности. Этот диапазон используется бактерицидными лампами. Чрезмерная экспозиция приводит к повреждению роговицы и снежной слепоте, а также к тяжелым ожогам лица.

UVB наиболее разрушительная часть УФ излучения, так как она имеет достаточно энергии для повреждения ДНК. Она не полностью поглощается атмосферой (проходит около 2%). Это излучение необходимо для выработки (синтеза) витамина D, однако вредное влияние могут повлечь ожоги, катаракту и рак кожи. Эта часть излучения поглощается озоном атмосферы, снижение концентрации которого вызывает беспокойство.

UVA практически полностью достигает Земли (99%). Оно ответственно за загар, но чрезмерность приводит к ожогам. Как и UVB оно необходимо для синтеза витамина D. Облучение сверх меры приводит к подавлению иммунной системы, жесткости кожи и образованию катаракты. Излучение в этом диапазоне называют еще черным светом. Насекомые и птицы способны видеть этот свет.

На рисунке ниже для примера показана зависимость концентрации озона по высоте на северных широтах (желтая кривая) и уровень блокирования озоном солнечного ультрафиолета. UVC полностью поглощается до высот в 35 км. В то же время UVA почти полностью достигает поверхности Земли, однако это излучение практически не представляет какой-либо опасности. Озон задерживает большую часть UVB, однако некоторая его часть достигает Земли. В случае истощения озонового слоя большая часть будет облучать поверхность и приводить к генетическому повреждению живых существ.

Краткий список использования электромагнитных волн УФ диапазона.

Фотолитография высокого качеста для изготовления электронных устройств таких, как микропроцессоры и микросхем памяти.
При изготовлении оптоволоконных элементов, в частности брэгговских решеток.
Обеззараживание от микробов продуктов, воды, воздуха, предметов (UVC).
Черный свет (UVA) в криминалистике, в экспертизе произведений искусства, в установлении подлинности банкнот (явление флуоресценции).
Искусственный загар.
Лазерная гравировка.
Дерматология.
Стоматология (фотополимеризация пломб).

Рукотворными источниками ультрафиолетового излучения являются:

Немонохроматические: Ртутные газоразрядные лампы различных давлений и конструкций.

Монохроматические:

Лазерные диоды, в основном на базе GaN, (небольшой мощности), генерирующие в ближнем ультрафиолетовом диапазоне;
Эксимерные лазеры являются очень мощными источниками ультрафиолетового излучения. Они излучают наносекундные (пикосекундные и микросекундные) импульсы со средней мощностью от нескольких ватт до сотен ватт. Типичные длины волн лежат между 157 нм (F2) до 351 нм (XeF);
Некоторые твердотельные лазеры, легированные церием, такие как Ce3+:LiCAF или Ce3+:LiLuF4, которые работают в импульсном режиме с наносекундными импульсами;
Некоторые оптоволоконные лазеры, к примеру, легированные неодимом;
Некоторые лазеры на красителях способны излучать ультрафиолет;
Ионный аргоновый лазер, который, несмотря на то, что основные линии лежат в оптическом диапазоне, может генерировать непрерывное излучение с длинами волн 334 и 351 нм, но с меньшей мощностью;
Азотный лазер, излучающий на длине волны 337 нм. Очень простой и дешевый лазер, работает в импульсном режиме с наносекундной длительностью импульсов и с пиковой мощностью несколько мегаватт;
Утроенние частоты Nd:YAG лазера в нелинейных кристаллах;

Литература:

Википедиа "Ultraviolet" .

Всякое движение, всякое действие в окружающем нас пространстве представляет собой проявление энергии. В своем вечном изменении энергия принимает различные формы, которые мы называем механической, тепловой, химической, электрической энергией. Одна из форм энергии известна под названием лучистой энергии. Лучистую энергию излучает всякое раскаленное тело, в том числе и солнце. Всякое тело, которое испускает свет, т. е. светится, называется источником света. Наиболее частой причиной свечения является высокая температура.

Чем выше температура, тем ярче испускаемый телом свет . При нагреве куска железа до 500° тепла оно остается темным, несветящимся телом. При его дальнейшем, нагреве свыше 600-700° кусок железа становится тёмнокрасным, испускающим свет. При 800-1000° железо светится уже светлокрасным светом, при температуре 1000- 1200° желтым, а при температуре около 1500° кусок железа начинает излучать желтовато-белый свет. Тугоплавкие тела, разогретые до 2000-2500°, испускают уже ослепительный белый свет - поток различных световых лучей, представляющих собой электромагнитые колебания различных длин волн (частоты колебаний).

Постоянным источником лучистой энергии является солнце. Теоретические расчеты заставляют предполагать, что в центре солнца температура равна 20 000 000° при громадном давлении. Все пространство вокруг солнца заполнено потоком световой энергии. Этот поток солнечной энергии со скоростью 300 000 км/сек распространяется во все стороны от центра.

Из непрерывного потока излучаемой энергии до нашей планеты доходит лишь одна двухмиллиардная доля солнечной энергии. Часть этой энергии отражается от атмосферы земного шара и рассеивается атмосферой во все стороны, часть идет на нагревание воздуха и до земной поверхности доходит меньше половины.

При светолечении и закаливании используются различные источники: естественные - солнце (гелиотерапия) и всевозможные искусственные - ртутно-кварцевые лампы, осветительные приборы и т. д. (фототерапия).

Световой спектр

Световой луч , пропущенный через призму, разлагается на ряд цветных полос. Получаемые на экране отри разложении луча цветные полосы Ньютон назвал спектром. Цветные полосы постепенно переходят одна в другую. Видимая часть спектра охватывает лучи с длиной волны от 760 mu (красные) до 400 тu (фиолетовые).

Длина волны от красного луча к фиолетовому постепенно уменьшается, а частота колебаний, наоборот, увеличивается. Вся эта группа лучей названа световыми, или видимыми.

Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи расположены по обе стороны видимых лучей: за красными - инфракрасные, за фиолетовыми- ультрафиолетовые. Названы они невидимыми потому, что не воспринимаются сетчаткой глаза.

Инфракрасные лучи - самые длинные - от 760 тu до 0,3 мм. Влево от инфракрасной части спектра (длиной от 0,3 мм до 3 мм) лежат радиолучи, имеющие большую длину волны. Ультрафиолетовые лучи короче - от 400 до 180 mu. За ультрафиолетовой частью спектра расположены лучи Рентгена, гамма-лучи, а еще дальше космические.

При изучении действия лучей с различной длиной волны было экспериментально установлено, что лучи левой части спектра, т. е. инфракрасные, красные и оранжевые, обладают большим тепловым действием; лучи средней части спектра, т. е. желтые и зеленые, действуют главным образом оптически, а синие, фиолетовые и ультрафиолетовые (в правой части спектра) оказывают преимущественно химическое действие.

Обычно все виды лучистой энергии обладают способностью и тс тепловому и химическому действию, одинаковому по качеству, но различному по количеству, поэтому неправильно называть красные и инфракрасные лучи тепловыми, а синие, фиолетовые и ультрафиолетовые - химическими и разделение спектра на тепловые, световые и химические лучи было бы неправильным.

В большинстве случаев лучи, падая на различные тела , поглощаются ими и превращаются в теплоту. Количество получаемой таким образом теплоты будет прямо пропорционально энергии поглощенных лучей.