Logo

Теория цветности

Приветствуем любителей красок! Се­год­ня мы по­го­во­рим про теорию цвет­нос­ти. А именно про то, как раз­ви­ва­лись пред­с­тав­ле­ния че­ло­ве­чест­ва на этот счёт. Ка­ко­вы фи­зи­чес­кие свойст­ва света. Чем обус­лов­ле­на окраска хи­ми­чес­ких эле­мен­тов. А так же то, как взаимо­свя­за­ны цвет со светом. И чтобы вы могли не сом­не­вать­ся в ре­ле­вант­нос­ти пред­с­тав­лен­ной ин­фор­ма­ции, она будет под­креп­ле­на ссыл­ка­ми на на­уч­ные ис­сле­до­ва­ния. Но для более глу­бо­ко­го изу­че­ния воп­ро­са мы ре­ко­мен­ду­ем, прежде всего, об­ра­тить­ся к учеб­ни­ку Б. И. Сте­па­но­ва «Вве­де­ние в химию и тех­но­ло­гию ор­га­ни­чес­ких кра­си­те­лей». После чего можно не­пос­ред­с­т­вен­но оз­на­ко­мить­ся с ис­сле­до­ва­ни­я­ми, на ко­то­рые мы ссы­ла­ем­ся ни­же.

ТЕОРИЯ ЦВЕТНОСТИ

Что такое цвет? Это ха­рак­те­рис­ти­ка электро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в ди­а­па­зо­не длины волн 400–780нм [1]. То есть цвет яв­ля­ет­ся ха­рак­те­рис­ти­кой света [2]. При этом цветом могут об­ла­дать, как ос­ве­ща­ю­щие объекты, так и ос­ве­ща­е­мые [3]. Цвет ос­ве­ща­ю­щих объектов зависит от тем­пе­ра­ту­ры, а цвет ос­ве­ща­е­мых объ­ек­тов от ос­ве­ща­ю­ще­го света и спо­соб­нос­ти ос­ве­ща­е­мо­го объекта пог­ло­щать и от­ра­жать свет [4]. В свою очередь, ис­пу­щен­ный или от­ра­жён­ный свет по­па­да­ет на сет­чат­ку глаза и человек видит тот или иной цвет. Что за­ви­сит от ин­тен­сив­нос­ти из­лу­че­ния электро­маг­нит­ных волн ви­ди­мо­го спектра оп­ре­де­лён­ной длины [5]. Но это только в об­щем ви­де!

Современная же физическая теория цветности плотно свя­за­на, как с фи­зи­кой эле­мен­тар­ных час­тиц, так и с те­о­рией от­но­си­тель­нос­ти Эйн­штей­на. Пос­коль­ку спо­соб­ность молекул из­би­ра­тель­но пог­ло­щать световые лучи оп­ре­де­лён­ной длины обус­лов­ле­на кван­то­ван­нос­тью внут­рен­ней энер­гии молекул [6]. А ско­рость света зависит от хи­ми­чес­ких свойств объекта [4]. Что по-рус­ски и под­роб­нее мы рас­смот­рим ниже. А сейчас да­вай­те оз­на­ко­мим­ся с тем, как всё это выг­ля­дит в общих чертах, с по­мо­щью ин­фо­гра­фи­ки. После чего пе­рей­дём к ис­то­рии раз­ви­тия пред­с­тав­ле­ний о теории цвет­нос­ти. Потому что легче всего понять сов­ре­мен­ные на­уч­ные пред­с­тав­ле­ния, прос­ле­див за их ис­то­ри­чес­ким ста­нов­ле­ни­ем.

Физика цвета

ФИЗИКА ЦВЕТА

Становление теории и практики

Развитие теории света и понимание природы цвета берёт свои корни в древ­нос­ти. Но только Иса­аку Нью­то­ну пред­с­то­я­ло всё это офор­мить в виде нас­то­я­щей на­уч­ной теории [4]. Хотя ещё в 1665 году Ро­берт Гук пред­по­ла­га­ет вол­но­вую природу света [3]. И, тем не ме­нее, только в 1704 году вы­хо­дит трак­тат Нью­то­на «Оп­ти­ка, или Трак­тат об от­ра­же­ни­ях, пре­лом­ле­ни­ях, из­ги­ба­ни­ях и цве­тах све­та». В ко­то­ром он ак­ку­му­ли­ру­ет теорию света и выд­ви­га­ет ги­по­те­зу «фо­то­нов». То есть по Нью­то­ну свет сос­то­ит из эле­мен­тар­ных частиц. Что входит в не­ко­то­рое про­ти­во­ре­чие с ги­по­те­зой Гука. Ус­тра­нить которое уда­лось уже совсем дру­гим учё­ным и в совсем дру­гую эпоху. Самым же из­вест­ным вы­во­дом Нью­то­на яв­ля­ет­ся со­дер­жа­ние всех цветов в бе­лом цве­те [3].

В 1831 году Майкл Фарадей установил факт из­лу­че­ния маг­нит­но­го поля за­ря­жен­ны­ми час­ти­ца­ми. Но только экс­пе­ри­мен­ты Макс­вел­ла 1865 года поз­во­ли­ли ус­та­но­вить, что свет яв­ля­ет­ся частью электро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния [3]. На ос­но­ва­нии чего, уже в начале XX века, Эйн­штейн и Планк выводят своё зна­ме­ни­тое урав­не­ние ​\( E=hv \)​. Но к нему мы вер­нём­ся не­мно­го позже. Пос­коль­ку этому ве­ли­ко­му фи­зи­чес­ко­му от­кры­тию пред­шест­во­ва­ла череда ве­ли­ких от­кры­тий в химии. Так, в начале XIX века Джон Даль­тон выводит на­уч­ную кон­цеп­цию атома [7]. На ос­но­ва­нии чего Дмит­рий Ива­но­вич Мен­де­ле­ев раз­ра­ба­ты­ва­ет таб­ли­цу, зна­ко­мую каж­до­му школь­ни­ку.

НЬЮТОН

В 1914 Генри Мозли демонстрирует взаимо­связь атом­но­го номера и ко­ли­чест­ва про­то­нов в ядре. А зна­чит, атом­ная масса вто­рич­на. Решает ко­ли­чест­во про­то­нов! На ос­но­ва­нии чего Фре­де­рик Сод­ди пре­ду­га­ды­ва­ет су­щест­во­ва­ние изо­то­пов. И только в 1932 году, с от­кры­ти­ем ней­тро­нов, изотопы «ста­но­вят­ся ре­аль­нос­тью» [3]. После чего, бла­го­да­ря ра­бо­там ве­ли­ких хи­ми­ков XX века, таким как Валь­тер Кос­сель, Ир­винг Ленг­мюр, Гиль­берт Льюис и Лай­нус По­линг, сфор­ми­ро­ва­лась сов­ре­мен­ное по­ни­ма­ние хи­ми­чес­ких связей. Что же ка­са­ет­ся теории цвет­нос­ти, то в её ста­нов­ле­нии нель­зя не от­ме­тить От­то Вит­те, Арм­с­трон­га и Нец­ко­го, По­рай-Ко­ши­цу и Из­ма­иль­с­ко­го.

Отто Витта был ос­но­во­по­лож­ни­ком хро­мо­фор­но-аук­со­хром­ной теории цвет­нос­ти. Суть ко­то­рой зак­лю­ча­ет­ся в том, что окрас­ка ор­га­ни­чес­ких ве­ществ обус­лов­ле­на при­сут­с­т­ви­ем в их мо­ле­ку­лах хро­мо­фо­ров. То есть цве­то­но­си­те­лей. Арм­с­т­ронг и Нец­кий были ос­но­во­по­лож­ни­ка­ми хи­но­ид­ной те­о­рии цвет­нос­ти, ут­вер­ж­да­ю­щей, что все ок­ра­шен­ные хи­ми­чес­кие со­е­ди­не­ния имеют хи­но­ид­ное стро­е­ние. И вот в ре­зуль­та­те спора сто­рон­ни­ков этих двух те­о­рий, в итоге, ро­ди­лась элек­трон­ная теория цвет­нос­ти. На­и­боль­ший вклад в ко­то­рую внесли По­рай-Ко­ши­ца и Из­ма­иль­с­кий. Раз­ви­тие идей ко­то­рых и стало тем, что се­год­ня на­зы­ва­ют сов­ре­мен­ной элек­трон­ной те­о­рией цвет­нос­ти.

Теория цветности

Вообще говоря, «в химии нет ни­че­го кроме фи­зи­ки», по­э­то­му нам в пору вер­нуть­ся к урав­не­нию Эйн­штей­на-План­ка. Ко­то­рое от­ра­жа­ет элек­тро­маг­нит­ный спектр. Ведь све­то­вой луч яв­ля­ет­ся по­то­ком фо­то­нов, яв­ля­ю­щих­ся эле­мен­тар­ны­ми час­ти­ца­ми света. Ко­то­рые, соб­с­т­вен­но, и несут элек­тро­маг­нит­ную энер­гию, вы­ра­жа­е­мую в кДж (E).

\[ E=hv \]

, где v – частота элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний, с-1; h – пос­то­ян­ная План­ка

\[ vλ=c \]

, где λ – длина вол­ны (нм); c – ско­рость света в ва­ку­у­ме (3*108м/с)

Из этих уравнений и можно вывести при­чи­ну из­би­ра­тель­но­го пог­ло­ще­ния све­то­вых лучей оп­ре­де­лён­ной длины. С те­о­рией чего можно оз­на­ко­мить­ся при помощи ин­фо­гра­фи­ка вы­ше. Но здесь важно за­ме­тить, что энер­гия мо­ле­ку­лы, свойст­вен­ная ей в нор­маль­ном сос­то­я­нии, на­зы­ва­е­мым ос­нов­ным, обоз­на­ча­ет­ся через ​\( E_0 \)​, а энер­гия в сос­то­я­нии воз­буж­де­ния, ко­то­рое про­во­ци­ру­ет пог­ло­ще­ние мо­ле­ку­лой света, обоз­на­ча­ет­ся ​\( E^* \)​. Со­от­вет­с­т­вен­но:

\[ ΔE=E^*–E_0 \]

\[ ΔE=hc/λ \]

\[ ΔE=hcN/λ \]

, где N – число Авогадро.

Следовательно, подставив данные, мы по­лу­чим, что ΔE для лучей в ви­ди­мой части спек­т­ра на­хо­дит­ся в ди­а­па­зо­не 300 и 158 кДж/моль. Ввиду чего ок­рас­кой об­ла­да­ют лишь те ве­щест­ва, мо­ле­ку­лы ко­то­рых пе­ре­хо­дят в воз­буж­дён­ное сос­то­я­ние от пор­ций энер­гии в ди­а­па­зо­не 158–300кДж/моль. Но, пос­коль­ку энер­гия мо­ле­ку­лы (​\( E_м \)​) скла­ды­ва­ет­ся из вра­ща­тель­ной энер­гии (​\( E_в \)​), ко­ле­ба­тель­ной энер­гии (​\( E_к \)​) и энер­гии элек­тро­нов (​\( E_э \)​), по­нят­ное дело, что энер­гия фо­то­нов может рас­хо­до­вать­ся на любой из этих трёх видов энер­гии. Тем не менее, на цвете от­ра­жа­ет­ся только энер­гия элек­тро­нов. Пос­коль­ку раз­ность только их уров­ней энергии ко­леб­лет­ся в ди­а­па­зо­не, со­от­вет­с­т­ву­ю­щем из­лу­че­нию в дли­нах волн ви­ди­мо­го спек­т­ра.

\[ E_м=E_в+E_к+E_э \]

Но «каждое изменение энергии элек­тро­нов соп­ро­вож­да­ет­ся из­ме­не­ни­я­ми вра­ща­тель­ной и ко­ле­ба­тель­ной энер­гии, так как мо­ле­ку­ла од­но­вре­мен­но пог­ло­ща­ет фо­то­ны, со­от­вет­с­т­ву­ю­щие раз­лич­ным частям элек­тро­маг­нит­но­го спек­т­ра, и элек­трон­ные пе­ре­хо­ды (элек­трон­ное воз­буж­де­ние) про­ис­хо­дят од­но­вре­мен­но с вра­ща­тель­ны­ми и ко­ле­ба­тель­ны­ми пе­ре­хо­да­ми. Поэтому спек­т­ры пог­ло­ще­ния сос­то­ят из боль­шо­го числа линий пог­ло­ще­ния, ко­то­рые пе­ре­кры­ва­ют­ся и об­ра­зу­ют по­ло­сы. В этом смыс­ле пог­ло­ще­ние фо­то­нов, вы­зы­ва­ю­щих вра­ща­тель­ные и осо­бен­но ко­ле­ба­тель­ные энер­ге­ти­чес­кие пе­ре­хо­ды, ока­зы­ва­ет вли­я­ние на цвет ве­щест­ва, пос­коль­ку от­тен­ки ок­рас­ки за­ви­сят от ши­ри­ны и ха­рак­те­ра по­ло­сы пог­ло­ще­ния» [8].

Вот и получается, что цвет воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те пре­об­ра­зо­ва­ния пог­ло­щён­ной све­то­вой энер­гии в теп­ло­вую. В ре­зуль­та­те чего в спектре от­ра­жён­но­го света не хва­та­ет лучей оп­ре­де­лён­ной (пог­ло­щён­ной) длины. По­э­то­му при по­па­да­нии их на сет­чат­ку глаза че­ло­век видит тот или иной цвет. Что мож­но в об­щем виде раз­де­лить на 4 ти­пич­ных слу­чая [9].

  1. Все лучи ви­ди­мой час­ти спек­т­ра пол­нос­тью про­хо­дят сквозь проз­рач­ное те­ло или от­ра­жа­ют­ся от не­про­з­рач­но­го. В этом слу­чае проз­рач­ное те­ло пред­с­тав­ля­ет­ся не­ок­ра­шен­ным, бес­цвет­ным, а не­про­зрач­ное – бе­лым.
  2. Все лучи ви­ди­мой час­ти спек­т­ра пол­нос­тью пог­ло­ща­ют­ся те­лом. Те­ло ка­жет­ся чёр­ным. По­э­то­му чёр­ный цвет ле­том и «при­тя­ги­ва­ет» теп­ло. Ведь объ­ек­ты чёр­но­го цве­та пре­об­ра­зу­ют све­то­вую энер­гию в теп­ло­вую.
  3. Все лучи видимой части спек­т­ра про­хо­дят сквозь проз­рач­ное те­ло или от­ра­жа­ют­ся от не­проз­рач­но­го бо­лее или ме­нее рав­но­мер­но ос­лаб­лен­ны­ми вслед­с­т­вие час­тич­но­го пог­ло­ще­ния те­лом. В этом слу­чае тело пред­с­тав­ля­ет­ся се­рым, при­чём от­тен­ки ме­ня­ют­ся от свет­ло-се­ро­го до тём­но-се­ро­го в за­ви­си­мос­ти от сте­пе­ни ос­лаб­ле­ния лу­чей.
  4. Тело избирательно пог­ло­ща­ет не­ко­то­рые лу­чи ви­ди­мой час­ти спек­т­ра, ос­таль­ные же про­хо­дят сквозь те­ло или от­ра­жа­ют­ся от не­го. Те­ло пред­с­тав­ля­ет­ся ок­ра­шен­ным (цвет­ным).

Проверь себя – ответь на вопросы по статье

P.S. Бла­го­да­рим за вни­ма­ние! На­де­ем­ся, что ста­тья бы­ла ин­те­рес­на и поз­на­ва­тель­на. Ес­ли у вас ос­та­лись ка­кие-ли­бо воп­ро­сы, есть за­ме­ча­ния или вы хо­ти­те выс­ка­зать сло­ва бла­го­дар­нос­ти, то для все­го это­го мож­но вос­поль­зо­вать­ся фор­мой ком­мен­та­ри­ев ни­же. Оце­ни­вай­те ста­тью, де­ли­тесь ею с друзь­я­ми в со­ци­аль­ных се­тях, до­бав­ляй­те сайт в из­бран­ное и бо­ри­тесь с мра­ко­бе­си­ем во всех его про­яв­ле­ни­ях, аминь!

Источники

[1] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2950131/

[2] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3867142/

[3] digitalcommons.cnr.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1003&context=books

[4] physics.utoronto.ca/~phy189h1/Causes%20of%20Color%20scientificamerican1080-124.pdf

[5] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4104663/

[6] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1077973/

[7] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1050513/

[8] Б. И. Степанов «Вве­де­ние в хи­мию и тех­но­ло­гию ор­га­ни­чес­ких кра­си­те­лей»/Б. И. Сте­па­нов – Моск­ва: Хи­мия, 1984. – стр. 30

[9] Б. И. Степанов «Вве­де­ние в хи­мию и тех­но­ло­гию ор­га­ни­чес­ких кра­си­те­лей»/Б. И. Сте­па­нов – Моск­ва: Хи­мия, 1984. – стр. 22

[свернуть]
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...

avatar
  Подпишись!  
Уведомлять
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить