Jakou barvu nevidíme?

Představte si, že stojíte na sluncem zalité louce. Kolem je tolik jasných barev: zelená tráva, žluté pampelišky, červené jahody, lila-modré zvonky! Ale svět je jasný a barevný pouze ve dne, za soumraku všechny předměty zešedí a v noci se stanou zcela neviditelnými. Je to světlo, které nám umožňuje vidět svět kolem nás v celé jeho barevné nádheře.

Hlavním zdrojem světla na Zemi je Slunce, obrovská horká koule, v jejíchž hlubinách nepřetržitě probíhají jaderné reakce. Část energie těchto reakcí nám Slunce posílá ve formě světla.

co je světlo? Vědci o tom diskutovali po staletí. Někteří věřili, že světlo je proud částic. Jiní provedli experimenty, ze kterých bylo zřejmé, že světlo se chová jako vlna. Oba se ukázali jako pravdu. Světlo je elektromagnetické záření, které lze považovat za pohybující se vlnu. Vlna vzniká kmitáním elektrických a magnetických polí. Čím vyšší je frekvence vibrací, tím více energie záření nese. A přitom záření lze považovat za proud částic – fotonů. Prozatím je pro nás důležitější, že světlo je vlna, i když nakonec si budeme muset pamatovat fotony.

Lidské oko (bohužel nebo možná naštěstí) je schopno vnímat elektromagnetické záření pouze ve velmi úzkém rozsahu vlnových délek, od 380 do 740 nanometrů. Toto viditelné světlo vyzařuje fotosféra, relativně tenká (méně než 300 km tlustá) slupka Slunce. Pokud „bílé“ sluneční světlo rozložíte na vlnové délky, získáte viditelné spektrum – známou duhu, ve které vlny různých délek vnímáme jako různé barvy: od červené (620-740 nm) po fialovou (380-450 nm). Záření o vlnové délce větší než 740 nm (infračervené) a menší než 380-400 nm (ultrafialové) je lidským okem neviditelné. Sítnice oka obsahuje speciální buňky zvané receptory, které jsou zodpovědné za vnímání barev. Mají kónický tvar, proto se jim říká kužely. Člověk má tři typy čípků: některé vnímají světlo nejlépe v modrofialové oblasti, jiné ve žlutozelené oblasti a jiné v červené.

Co určuje barvu věcí kolem nás? Aby naše oko vidělo jakýkoli předmět, je nutné, aby světlo dopadlo nejprve na tento předmět a teprve potom na sítnici. Předměty vidíme, protože odrážejí světlo, a toto odražené světlo, procházející zornicí a čočkou, dopadá na sítnici. Oko přirozeně nevidí světlo absorbované předmětem. Saze například pohlcují téměř veškeré záření a zdají se nám černé. Sníh naopak rovnoměrně odráží téměř všechno světlo dopadající na něj, a proto se jeví jako bílý. Co se stane, když na modrou zeď dopadne sluneční světlo? Od něj se budou odrážet pouze modré paprsky a zbytek bude pohlcen. Proto barvu stěny vnímáme jako modrou, protože pohlcené paprsky prostě nemají šanci zasáhnout sítnici.

Různé předměty, v závislosti na tom, z jaké látky jsou vyrobeny (nebo jakou barvou jsou natřeny), absorbují světlo různými způsoby. Když říkáme: „Míč je červený“, máme na mysli, že světlo odražené od jeho povrchu ovlivňuje pouze ty retinální receptory, které jsou citlivé na červenou barvu. To znamená, že barva na povrchu koule pohlcuje všechny světelné paprsky kromě červených. Objekt sám o sobě nemá žádnou barvu, barva se objeví, když se od něj odrazí elektromagnetické vlny ve viditelné oblasti. Pokud jste byli požádáni, abyste uhodli, jakou barvu má kus papíru v zapečetěné černé obálce, vůbec neprohřešíte proti pravdě, když odpovíte: „Ne!“ A pokud je červený povrch osvětlen zeleným světlem, bude se jevit jako černý, protože zelené světlo neobsahuje paprsky odpovídající červené barvě. Látka nejčastěji absorbuje záření v různých částech viditelného spektra. Molekula chlorofylu například absorbuje světlo v červené a modré oblasti a odražené vlny vytvářejí zelenou barvu. Díky tomu můžeme obdivovat zeleň lesů a travin.

Proč některé látky absorbují zelené světlo, zatímco jiné červené? To je určeno strukturou molekul, které látku tvoří. Interakce hmoty se světelným zářením probíhá tak, že jedna molekula v jeden okamžik „spolkne“ pouze jednu část záření, jinými slovy, jedno kvantum světla nebo fotonu (zde je představa světla jako proudu částic nám přijde vhod!). Energie fotonu přímo souvisí s frekvencí záření (čím vyšší energie, tím vyšší frekvence). Po pohlcení fotonu se molekula přesune na vyšší energetickou hladinu. Energie molekuly neroste plynule, ale náhle. Molekula tedy neabsorbuje žádné elektromagnetické vlny, ale pouze takové, které jsou vhodné pro její velikost „porce“.

Ukazuje se tedy, že ani jeden předmět není zbarven sám od sebe. Barva vzniká selektivní absorpcí viditelného světla látkou. A protože v našem světě existuje velké množství látek schopných absorpce – přírodních i vytvořených chemiky – svět pod Sluncem je zbarven jasnými barvami.

Frekvence kmitání ν, vlnová délka světla λ a rychlost světla c souvisí jednoduchým vzorcem:

Rychlost světla ve vakuu je konstantní (300 milionů nm/s).

Vlnová délka světla se obvykle měří v nanometrech.

1 nanometr (nm) je jednotka délky rovnající se jedné miliardtině metru (10 -9 m).

Jeden milimetr obsahuje milion nanometrů.

Frekvence kmitů se měří v Hertzech (Hz). 1 Hz je jeden kmit za sekundu.