Теория цветности

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Нижнетагильская государственная  социально-педагогическая академия

Химико-биологический факультет

Кафедра естествознания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по химии

 

 

 

Теория цветности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель: Чукавин М.Е.

          Студент  IV курса ИЕМИ

 

           Научный  руководитель:

           Трофимов  В.А. , к.х.м.,

                       профессор кафедры 

           естествознания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Тагил

2011

1. Физические  основы цветности 

1.1. Природа света и происхождение цветоощущения

Видимый свет - это узкая область в спектре  электромагнитных излучений, которую различает человеческий глаз. Электромагнитное излучение характеризуется

              – длиной волны λ , имеющей размерность нм, 10–9 м;

               – частотой ν , имеющей размерность с -1, Гц;

              – волновым числом , имеющем размерность см-1 , которое показывает сколько длин волн длиной λ укладывается в 1 см вектора пространства.

Эти величины связаны  между собой и со скоростью  распространения света в вакууме со (3⋅108 м/с) следующим образом:

           

Согласно квантовой  теории поля электромагнитное излучение обладает не только волновыми свойствами, но и свойствами потока частиц. Волновые свойства проявляются в явлениях дифракции и интерференции света. Фотоэффект и эффект Комптона  свидетельствуют о дискретности излучения, которая свойственна движущимся частицам.

Представление о двойственной природе электромагнитного  излучения и элементарных частиц (корпускулярно-волновой дуализм) стало одним из основополагающих положений квантовой механики. И с начала 20-го века электромагнитное излучение принято рассматривать как поток элементарных частиц - фотонов, которые не имеют массы покоя, но обладают импульсом энергии (р).

p = n⋅h/λ, где n – единичный вектор, указывающий направление распространения волны.

Иными словами, световые лучи представляют собой  поток фотонов, несущих отдельные  порции (кванты) электромагнитной энергии.

Величина энергии  фотонов Е (кДж) выражается уравнением Планка-Эйнштейна

E = h⋅ν

где h – постоянная Планка, равная 6,62 10 –37 кДж с Человеческий глаз воспринимает световые лучи с энергией 2,5 - 5 10-22 кДж и длинами волн в интервале 400-760 нм.

 

Специфические свойства лучей этой области спектра обусловлены их способностью, действуя на сетчатку глаза, передавать возбуждение по зрительному нерву в головной мозг, вызывая ощущения цвета, окраски.

 УФ-лучи имеют длины волн менее 400 нм и при попадании на сетчатку глаза вызывают болевую реакцию и ожог. ИК-лучи имеют длину волны более 760 нм и воспринимаются глазом как тепло. Чем больше длина волны, тем меньше энергия излучения. Энергия излучения падает в ряду: УФ > Видимая > ИК-область.                                                                 

Одновременное действие всех лучей с длинами волн 400 - 760 нм вызывает у человека ощущение белого, неокрашенного света.

Излучение с  определенной длиной волны или частотой электромагнитных колебаний называется монохроматическим излучением или монохроматическим светом.

Раздельное действие монохроматических излучений или потока лучей с довольно узким диапазоном длин волн (2-5 нм) производит ощущение окрашенного света. При этом воспринимаемый цвет зависит от длины волны монохроматического излучения и называется спектральным цветом. В приведенной ниже таблице приведены интервалы длин волн и вызываемые ими цветовые ощущения, спектральные и дополнительные цвета.

Цветоощущение, вызываемое монохроматическими лучами, является первым способом возбудить определенную зрительную реакцию.

При взаимодействии белого света (светового потока с интервалом длин волн 400-760 нм) с прозрачным или  не прозрачным телом могут происходить  следующие явления.

1. Все видимые  лучи полностью отражаются поверхностью  тела или полностью

    проходят сквозь прозрачное тело. В этом случае непрозрачное тело нам кажется   

    белым, а прозрачное – бесцветным.

2. Белый свет  полностью поглощается телом,  и тело кажется нам черным.

3. Поток видимых  лучей частично и равномерно  поглощается телом, а частично         

    отражается им. В этом случае тело имеет оттенки серого цвета.

4. Тело избирательно  поглощает некоторые лучи видимой  части спектра, а остальные     

     лучи отражаются или проходят сквозь тело. В таком случае тела представляется

     нам окрашенным, цветным.

Например, если при прохождении пучка белого света через светофильтр, стекло поглощает лучи в интервале 490 - 500 нм, тогда прошедший светофильтр световой поток с длинами волн 400 - 490 и 500 -760 нм воспринимается глазом как красный свет.

Итак, второй способ вызвать ощущение цвета заключается в воздействии на сетчатку глаза потока лучей во всей видимом диапазоне, но в котором имеется пробел, вызванный избирательным поглощением света.

Цвета, ощущение которых возникает при  воздействии на зрительный аппарат всех световых лучей видимой части спектра за вычетом поглощенных, называются дополнительными цветами.

Дополнительный  цвет по существу является смешанным цветом. Он образуется в результате комбинации всех не поглощенных телом спектральных цветных лучей. Поэтому такой способ образования окраски называется субтрактивным синтезом цвета. Составление цвета происходит после вычитания (от лат. subtarctio) из светового потока, поглощенной его части.

В зависимости  от положения и ширины пробела в световом потоке возникает ощущение вполне определенного дополнительного цвета, что показано в третьей колонке изображенной выше таблицы.

Из приведенных  соотношений становится понятным происхождение названия дополнительный цвет. Совместное действие соответствующей пары спектрального и дополнительного к нему цветов воспринимается наблюдателем как ощущение белого цвета.

Все воспринимаемые глазом цвета делятся на ахроматические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый, черный и оттенки серого. Хроматические цвета характеризуются цветовым тоном, тем, что мы называем словами: желтый, красный, синий, зеленый.

Поскольку цветовое зрение человека трихроматично (основано на совместной работе трех типов светорецепторов) существует третий способ вызвать ощущение определенного цвета. Он заключается в совместном действии на сетчатку глаза трех основных (линейно-независимых) дополнительных цветов: желтого, пурпурного и голубого в соответствии со схемой:

 

В этом случае оранжевый  и красный цвета образуются при смешении желтого и пурпурного в различных соотношениях. Фиолетовый и синий цвета удается получить при смешении голубого и пурпурного цветов. Оттенки зеленого получаются при смешении желтого и голубого.

Такой способ воспроизведения  цвета обычно используется в живописи, типографской печати, современной цветной фотографии и применяется при крашении текстильных материалов с помощью триадных систем красителей.

В сетчатке глаза человека присутствуют три разновидности  светорецепторов, которые чувствительны  в следующих спектральных диапазонах:

                          400-500 нм, то есть к синему спектральному  цвету, 

                          500-600 нм, то есть к зелёному  спектральному свету, 

                          600-760 нм, то есть к красному  спектральному цвету.

Это обстоятельство обусловливает существование и четвертого способа вызвать любое цветоощущение с помощью излучений трех самосветящихся источников. Аддитивный синтез цвета (от лат. addition - сложение) состоит в воздействии (суммировании) в определенных соотношениях трех основных спектральных цветов синего, зеленого или красного в соответствии со схемой.

Такой способ цветосинтеза используется в цветном телевидении  с помощью нанесенных на внутреннюю поверхность экрана множества соприкасающихся  точек трех разных люминофоров, свечение каждого из которых инициируется пучками излучения соответствующей энергии.

1.2. Спектральный  способ регистрации поглощенного  света и спектральная терминология 

Человеческий глаз – совершенный  оптический прибор. О его высокой чувствительности свидетельствует способность различать в вакууме космического пространства свет от источника мощностью равной горящей свечи на расстоянии 17 км. Адаптированный к темноте глаз четко фиксирует один квант световой энергии. Глаз распознает многие десятки цветов и оттенков. Вместе с тем закономерности зрительного восприятия окраски определяются физиологическими особенностями глаза. Поэтому формируемый в головном мозгу образ определенного цвета, как показано выше, может быть вызван не единственным способом. Визуальное наблюдение цвета дает только его качественную и субъективную характеристику. Количественную оценку цвета и определения границ избирательного поглощения света веществом проводят только с помощью спектрофотометрии.      

Спектрофотометрический эксперимент основан на законе Бугера-Ламберта-Бера, который гласит: ослабление интенсивности монохроматического света прямо пропорционально молярной концентрации поглощающего вещества и толщине поглощающего слоя.

В аналитической  форме закон выражается:

где I0 и I - интенсивность светового луча до и после прохождения поглощающего слоя (интенсивность связана с амплитудой аналитической волны);

 ε – молярный коэффициент поглощения или экстинкция, л/моль см

с – молярная концентрация вещества, моль/л;

 l – толщина поглощающего слоя, см;

D – оптическая плотность при данной длине волны.

Молярный  коэффициент поглощения - физическая константа вещества, которая характеризует взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

Степень ослабления светового потока измеряется с помощью спектрофотометров. Используя кварцевую призму или дифракционную решетку, световой поток разворачивают в спектр. Из него вырезают монохроматические лучи, поочередно пропускают через раствор исследуемого вещества и растворитель и регистрируют ослабление их интенсивности на каждой выбранной длине волны в выбранном диапазоне.

Результаты  измерений представляются в графическом  виде, отмечая на оси абсцисс (x) значения фактора длины волны λ или волновое число , на оси ординат (y) значения фактора интенсивности поглощения: коэффициент поглощения ε, его логарифм lg ε или оптическую плотность D.

В простом спектре, содержащем одну полосу поглощения, положение максимума на оси x характеризует цвет вещества.

Например, если λмакс лежит в пределах 500-560 нм, то вещество поглощает спектральные зеленые лучи и, следовательно, имеет пурпурный дополнительный цвет.

Под влиянием химического  и физического воздействия на вещество в его спектре могут  происходить определенные изменения.

Смещение максимума поглощения λмакс в длинноволновую область (вправо) называют батохромным сдвигом. Сопровождающее этот сдвиг изменение окраски называют углублением цвета.

Смещение максимума  поглощения λмакс в коротковолновую область (влево) называют гипсохромным сдвигом. Сопровождающее этот сдвиг изменение окраски называют повышением цвета.

Большое влияние  на поглощение света орг. соед. оказывают  пространств. факторы, приводящие к  искажениям формы молекул. При этом существенное значение имеет характер искажения. Если молекула перестает быть плоской, то происходит сдвиг в коротковолновую область, т. е. цвет повышается; если же происходит изменение валентных углов без существенного нарушения плоской формы молекулы, то имеет место углубление цвета. В первом случае причина повышения цвета связана с частичным или полным разобщением отдельных участков цепи сопряжения вследствие нарушения копланарности молекулы из-за поворота одних ее частей по отношению к другим вокруг простой связи. Напр., молекулы дигидрофенантрена (III; 267 нм) и перилена (IV;432 нм), имеющие плоскую форму, поглощают свет в более длинноволновой области, чем бифенил (V; 251,5 нм) и бинафтил (VI; 291 нм), у к-рых возможен поворот вокруг биарильной связи, нарушающий сопряжение -электронов двух ароматич. ядер.

По той же причине из двух аналогичных азокрасителей  производное бензидинсульфона (VII; синий) окрашено глубже, чем производное  бензидина (VIII; коричнево-красный).

В азокрасителе IX введение заместителей в орто-положение  к диалкиламиногруппе нарушает сопряжение неподеленной пары азота с -системой, что приводит к повышению цвета. Напр., IX (R=H) поглощает при 475 нм; при R = СН3 или изо-С3Н7 438 и 420 нм соотв.; одновременно уменьшается интенсивность поглощения в 1,5 и 1,7 раза.

 

При искажении углов между направлениями связей атомов без значит. нарушения плоской структуры молекулы сопряжение-электронов существенно не нарушается, но возникающее напряжение сближает уровни энергии молекулы в основном и возбужденном состояниях, снижая тем самым энергию возбуждения. Так, введение в центральную метиновую группу монометинцианина (X; R = Н; 425 нм) метильной группы (X; R = CH3; 465 нм), создающей пространственные затруднения, вызывает углубление цвета при одновременном падении интенсивности поглощения почти вдвое.