Světelné vlnění

V předchozí kapitole jsme se věnovali šíření světla z pohledu geometrické optiky. Základním předpokladem bylo přímočaré šíření světla. Dokázali jsme popsat mnoho optických jevů a využít jich ke konstrukci užitečných přístrojů a zařízení. Ne všechny optické jevy ale dokážeme popsat pomocí geometrické optiky. Mezi ty základní patří ohyb, interference a polarizace. A těm se právě budeme věnovat v této kapitole.

Kdybychom o světle měli podat co nejvíce informací co nejméně slovy, zformulovali bychom následující větu: „Světlo je vlnění.“ A vše, co pro vlnění platí obecně, platí také pro světlo (mechanické vlnění jsme studovali v kapitole 22).

Světlo, podobně jako zvuk, může mít různou vlnovou délku či frekvenci. Zatímco u zvuku vnímáme různé vlnové délky jako různé výšky tónu (viz kapitola 22), u světla různé vlnové délky odpovídají různým barvám. Zkusme se tedy nejprve podívat na to, jakým způsobem barvy vnímáme.

24.1 Rozklad světla

24.1.1 Barevné spektrum

Když na optický hranol pošleme úzký svazek světla bílé barvy, dojde k jeho rozložení na barvy duhy a my můžeme snadno pozorovat jeho spektrum. Tento jev je také příčinou vzniku duhy, kterou jste již mnohokrát pozorovali. Nazýváme ho disperze (rozklad) světla.

Experiment ukazuje, že bílé světlo je složeno z několika dílčích vlnění. Světlu, které se šíří ve vakuu rychlostí \(c\simeq3\cdot10^8\ \mathrm{m/s}\), můžeme přiřadit vlnovou délku \(\lambda\) a frekvenci \(f\). Barvám viditelného světla (viz obrázek Spektrum viditelného světla) můžeme přiřadit hodnoty vlnových délek v rozsahu 380 nm až 780 nm (pro frekvence 7,9 ⋅ 10¹⁴ Hz až 3,8 ⋅ 10¹⁴ Hz). Tyto veličiny jsou spojeny již známým vztahem \(\lambda=cT=c/f\). Největší vlnové délky vnímáme jako červenou barvu, nejmenší vlnové délky jako fialovou barvu.

Proč k rozkladu světla na barvy dochází? Když světlo prochází přes optickým hranolem, každá z jeho barev se láme pod jiným úhlem. Světlo určitých barev (kratší vlnové délky - např. modrá či fialová) se láme více. Může za to závislost indexu lomu na vlnové délce. Říkáme, že sklo je disperzní.

Tuto vlastnost mají i jiná průhledná prostředí, například voda. Proto také můžeme pozorovat vznik duhy na malých vodních kapkách (viz obrázek 24.14).

Skládání barev

Newton pomocí hranolů a čoček dokázal jednotlivé barvy opět složit a získat znovu bílé světlo. Skládání světla si můžeme ukázat, když například osvítíme bílou plochu třemi barvami – červenou, modrou a zelenou (viz obrázek). V místě, kde se setkají všechny tři barvy, získáme bílou barvu.

Takové skládání barev nazýváme aditivní skládání barev. Spočívá v tom, že k jedné barvě přidáme nějakou další, a výsledné světlo tak bude spektrálně bohatší. Využíváme ho v displejích televizních obrazovek, počítačů nebo mobilních telefonů. Jak se můžete přesvědčit na následujícím obrázku, obrazovka počítače se skládá z velkého množství malých jednobarevných pixelů (červená, zelená a modrá), které pro oko při vhodném nastavení vytvoří obrovské množství barev.

Protože tyto tři barvy dají při stejných intenzitách bílou barvu, nazýváme je základní barvy. Pokud smícháme pouze dvě ze základních barev, dostaneme barvu, která je doplňková ke třetí základní barvě. Například žlutá barva vznikne složením červené a zelené a tvoří doplňkovou barvu k modré.

Dalšími doplňkovými barvami jsou purpurová a azurová, které vznikají složením červené a modré, respektive složením zelené a modré. Tyto barvy jsou používány v náplních barevných tiskáren a běžně bývají doplněny ještě černou náplní.

Přímou aplikací fyzikálního principu aditivního skládání barev je vytváření barev na obrazovce počítače. Každá barva je na počítači v režimu True Color popsána 3 bajty neboli 24 bity. Můžeme tak zobrazit až 2²⁴ = 16 777 216 barev, což pro barevnou grafiku a fotografii docela dobře postačuje. Každá z barev je popsána 8 bity, může mít tedy 256 úrovní, a výslednou barvu tedy zapisujeme pomocí trojice čísel desítkové soustavy (0–255, 0–255, 0–255). Bílá má kód (255, 255, 255), což odpovídá tomu, že základní barvy jsou obsaženy v maximální možné intenzitě. Šedá je popsána pomocí (128, 128, 128). Jak bude vyjádřena barva černá?

V následující tabulce se můžete podívat i na míchání jiných barev nebo se můžete podívat na tento odkaz.

Kontrolní otázka

Jakou barvu označuje kód (75, 75, 75) na monitoru počítače?

tmavě šedou,
jasně červenou,
skoro bílou.

Odeslat  

Kontrolní otázka

Jak se bude měnit barva pixelu na obrazovce, jestliže v kódu (0, 0, 255) budeme snižovat poslední hodnotu?

bude se rozjasňovat,
nijak se měnit nebude, dokud nezměníme alespoň jednu nulovou hodnotu,
ztmavne, bude se blížit černé.

Odeslat  

Situace je jiná u subtraktivního skládání barev. Jeho princip je ten, že z kompletního bílého světla postupně odebíráme jeho barevné složky. Před zdroj bílého světla umístíme například žlutý filtr. Snadno si to můžeme znázornit na následující grafice. Žlutý filtr propouští červenou a zelenou barvu, blokuje svou doplňkovou barvu – modrou. Jestliže nyní umístíme světlu do cesty filtr azurový, který propouští pouze zelenou a modrou, červená zůstane zablokována a skrze druhý filtr projde pouze zelená, modrá již byla zablokována prvním filtrem. V subtraktivním skládání barev platí: žlutá + azurová = zelená. Složením dvou doplňkových barev získáme základní barvu.

Dokážete si nyní představit, jaká barva vznikne složením barev žluté, purpurové a azurové?

Se subtraktivním skládáním barev souvisí naše schopnost vidět barvy předmětů. Jde totiž o to, jaké barevné složky k nám dané předměty odrážejí. Abychom viděli předmět jako žlutý, musí odrážet zelenou a červenou barvu (ty se v odraženém světle složí na žlutou), popřípadě monochromatickou žlutou barvu. V obou případech jsou na sítnici oka excitovány čípky zaznamenávající zelenou a červenou barvu (čípky M a L) a mozek tento zrakový vjem vyhodnotí jako žlutou barvu. Oko vnímá poměrné zastoupení pouze tří základních barev, vnímání žluté barvy tedy odpovídá pouze excitaci zrakových buněk citlivých na zelenou a červenou barvu (viz motivační aktivita č. 3). Jestliže je tedy modrá barva předmětem pohlcována, předmět vnímáme jako žlutý.

Dnes se používá mnoho umělých látek, aby dodaly jídlu intenzivnější barvu. Dříve se potravinářská barviva získávala z rostlin a živočichů. Například zdrojem červeného karmínového barviva byl drobný hmyz, který žije na kaktusu.

Kontrolní otázka

Představte si, že na sobě máte červené tričko. Jakou barvu toto tričko odráží, když jste osvětlení bílým světlem?

červená,
zelená,
modrá,
bílá.

Odeslat  

Kontrolní otázka

Jaké barvy toto tričko naopak pohlcuje?

červená a modrá,
žlutá a zelená,
modrá a zelená,
bílá a červená.

Odeslat  

Je-li tričko osvětleno bílou barvou, která obsahuje všechny základní barvy, odráží červenou. Jenom tak můžeme vidět červenou. Tudíž musí pohlcovat všechny ostatní barvy – modrou a zelenou.

To, jakou barvu uvidíme, záleží také na světle, kterým předmět osvítíme. Představme si, že svítíme na červený předmět červeným světlem. Bude červená barva intenzivnější? Ano, veškeré světlo dopadající na předmět je červené, samotný červený předmět bude toto červené světlo odrážet, a proto bude předmět vypadat velmi světlý. Naopak modrý předmět se bude zdát skoro černý, protože červené světlo bude modrým barvivem pohlcováno a k pozorovateli se odrazí pouze málo světla, které osvětluje pozorovaný předmět. Ale o tom již bylo naše úvodní video v této kapitole.