Определение цвета. Физическая природа света. Хроматические и ахроматические цвета

Цвет - ощущение, вызываемое светом, попадающим в глаз, и переработанное мозгом. Цвет есть результат взаимодействия физиологических и физических факторов.

Феномен цвета исключительно сложен, поэтому потребовался синтез многих наук для его понимания: физики, химии,  физиологии и психологии.

            Цвет есть совокупность психо-физиологических реакций человека на световое излучение, исходящее от различных самосветящихся предметов (источников света) либо отраженное от поверхности несамосветящихся предметов, а также (в случае прозрачных сред) прошедшее через них. Таким образом, человек имеет возможность видеть окружающие его предметы и воспринимать их цветными за счет света - понятия физического мира, но сам цвет уже не является понятием исключительно физики, поскольку это есть субъективное ощущение, которое рождается в нашем сознании под действием света.

            Таким образом, цвет представляет собой характеристику световой энергии (физика) через посредство зрительного восприятия (психология).

Физическая природа света

            Свет состоит из частиц - фотонов, движущихся со скоростью с=3×108 м/с. Будет ли поток электромагнитной энергии именно видимым светом, а не рентгеновскими лучами, или радиоволнами, определяется его частотой или длиной волны. Длина волн видимого света лежит в пределах от 380 до 750 нм. Частота света (ν), его скорость и длина волны связаны:

                                   λν = с.

Например: для оранжевого цвета частота

ν » 0,5×1015 с-1.  Частота - это характеристика самого света, она не зависит от среды, в которой свет распространяется. Но чаще свет характеризуют длиной волны, ибо обычно среда - воздух. Длина волны зависит от среды. Солнечный (белый) свет состоит из почти  однородной смеси лучей с длинами волн, соответствующих видимой и примыкающих частей спектра (рис.2.1). Широкий максимум соответствует спектру  испускания абсолютно черного тела при температуре около 5700 К. Свет доходит до поверхности в измененном спектральном составе, в зависимости от времени дня и года, состояния атмосферы и географического положения точки наблюдения.

            Если из белого света выделить узкую спектральную полосу, то такой свет называется  монохроматическим (рис.2.1). (Строго монохроматическими светом, т.е. светом одной определенной длины волны, является свет лазеров). Цвет зависит от интервала длин волн, входящих в этот спектральный диапазон.

            Все цвета делят на две большие группы: хроматические и ахроматические.

            Ахроматические цвета - это белый, черный и серый всех возможных градаций.    Хроматические цвета - это цвета солнечного спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый; отсутствующий в этом спектре пурпурный, а также все их смеси с  ахроматическими цветами в любой пропорции.

Хроматические и ахроматичекие цвета

Наблюдаемые в природе цвета разделяются на две важнейшие группы: хроматические и ахроматические.

К группе ахроматических относятся белый, серый и черный цвета. Они характеризуются лишь количеством отраженного света, или, иначе говоря, неодинаковым коэффициентом отражения.

Ахроматические (бесцветные) цвета отличаются один от другого только по яркости, т. е. они отражают разное количество падающего на них света. Например, белые поверхности и предметы отражают 70— 90 % падающего на них света, а черные — 3—4 %.

Между самыми яркими — белыми — и самыми темными — черными поверхностями имеются различные оттенки серого цвета: светло-серые с коэффициентом отражения 50—60 %, темно-серые с коэффициентом отражения 15—20 %. Человеческий глаз различает в гамме ахроматических цветов около 300 оттенков.

Хроматические цвета — это те цвета и их оттенки, которые мы различаем в спектре (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Хроматический цвет определяется тремя физическими понятиями: цветовой тон, насыщенность и яркость.

Цветовой тон характеризуется преобладающей длиной волны. Так, например, преобладающая длина волны фиолетового цвета равна 390—450 нанометров, синего — 450—480, голубого — 480—510, зеленого— 510—550, желтого — 550—585, оранжевого — 585—620, красного — 620—800.  Любой хроматический цвет может быть отнесён к какому-либо определённому спектральному цвету. Оттенки, сходные с одним и тем же цветом спектра (но различающиеся, например, насыщенностью и яркостью), принадлежат к одному и тому же тону. При изменении тона, к примеру, синего цвета в зеленую сторону спектра он сменяется голубым, в обратную — фиолетовым.

Насыщенность — степень отличия хроматического цвета от равного по светлоте ахроматического.

Под насыщенностью понимают степень разбавления данного цвета белым. Чем больше разбавления цвета белым, тем менее насыщенным он становится. Например, синий цвет имеет насыщенность 20 %. Это значит, что он состоит из 20 % синего и 80 % белого.  Два оттенка одного тона могут различаться степенью блёклости. Например, при уменьшении насыщенности синий цвет приближается к серому.

Цветовой тон и насыщенность являются качественными характеристиками цвета. Количественную сторону цвета определяет светлота (яркость), т. е. количество света, отражаемого данной окрашенной поверхностью. Степень близости цвета к белому называют светлотой. Поэтому, кроме цветового тона и насыщенности, каждая окрашенная поверхность должна характеризоваться величиной коэффициента отражения.

Наконец, третьей характеристикой считают яркость хроматического цвета, зависящую от падающего на отраженный объект общего светового потока. Отсюда вывод: цвета можно измерять по трем основным характеристикам — цветовому тону, насыщенности и яркости. Первые две характеристики цвета (цветовой тон и насыщенность) являются его качественными параметрами, а третья (яркость) — количественным параметром.

Существующие в природе цвета по цветовым свойствам можно разделить на две группы: ахроматические, или бесцветные, и хроматические, или цветные.

К ахроматическим цветовым тонам относятся белый, черный и ряд промежуточных серых цветов.

Группа хроматических цветовых тонов состоит из красных, оранжевых, желтых, зеленых, синих, фиолетовых и бесчисленного множества промежуточных цветов.

Луч света от предметов, окрашенных в ахроматические цвета, отражается, не претерпев каких-либо заметных изменений. Поэтому эти цвета воспринимаются нами только как белые или черные с целым рядом промежуточных серых оттенков.

Цвет в этом случае зависит исключительно от способности тела поглощать или отражать все лучи спектра. Чем большее количество света отражает предмет, тем он кажется белее. Чем большее количество света предмет поглощает, тем он кажется чернее.

В природе не существует материала, отражающего или поглощающего 100% падающего на него света, поэтому нет ни идеально белого, ни идеально черного цвета. Самый белый цвет имеет порошок химически чистого сернокислого бария, спрессованный в плитку, который отражает 94% падающего на него света. Цинковые белила несколько темнее сернокислого бария, еще темнее свинцовые белила, гипс, литопонные белила, писчая бумага высшего сорта, мел и т. д. Наиболее темной является поверхность черного бархата, отражающая около 0,2% света. Таким образом, можно сделать вывод, что ахроматические цвета отличаются друг от друга только светлотой.

Человеческий глаз различает около 300 оттенков ахроматических цветов.

Хроматические цвета обладают тремя свойствами: цветовым тоном, светлотой и насыщенностью цвета.

Цветовым тоном называется свойство цвета, которое позволяет глазу человека воспринимать и определять красный, желтый, синий и другие спектральные цвета. Цветовых тонов значительно больше, чем названий для них. Основным, естественным рядом цветовых тонов является солнечный спектр, в котором цветовые тона располагаются так, что постепенно и непрерывно переходят один в другой; красный через оранжевый переходит в желтый, далее через светло-зеленый и темно-зеленый — в голубой, затем в синий и, наконец, в фиолетовый.

Светлота—это способность цветной поверхности отражать большее или меньшее количество падающих лучей света. При большем отражении света цвет поверхности кажется светлее, при меньшем — темнее. Это свойство— общее для всех цветов как хроматических, так и ахроматических, поэтому по светлоте можно сравнивать любые цвета. К хроматическому цвету любой светлоты легко подобрать подобный ему по светлоте ахроматический цвет.