Szemünk fénye

Szemünk fénye

A fényhatásokat a szemünkkel érzékeljük. Azonban a szem sokkal több egy egyszerű fényérzékelő szervnél; képes arra, hogy a környezetünk többé-kevésbé pontos, kicsinyített, színes képét előállítsa, elektromos ingerekké alakítsa és agyunk látóközpontjába juttassa. Működése egy mini kamerához hasonlítható. A fénytörés szempontjából fontos feladata van a szaruhártyával határolt csarnokvíznek és az üvegtestnek is, így a szemlencse ezekkel együtt egy háromtagú lencserendszert, azaz objektívet alkot. Csakhogy amíg a fényképezőgépekben az éles leképzéshez a képtávolságot változtatni kell (objektív előre-hátra mozgatása), addig ez az érték a szemünkben állandó. Szemünk tehát nem a kép és az objektív közötti távolságot, hanem a szemlencse-rendszer gyújtótávolságát változtatja ahhoz, hogy az ideghártyán (retinán) mindig éles kép keletkezzék. Ezt nevezzük akkomodációnak, vagy alkalmazkodásnak.

A szem és a fényképezőgép között sok az analógia. Mindkettő fordított, kicsinyített képet alkot. A pupilla tágulása vagy összehúzódása teljesen megegyezik a fényképezőgép fényrekeszének (blende) változtatásával. A szemlencse által alkotott kép azonban sokkal tökéletlenebb, mint a legolcsóbb kamera objektívének képe. Hogy mi mégis egyeneseknek látjuk az egyeneseket és párhuzamosnak a párhuzamosokat, szóval tökéletesnek és szépnek a világot, abban igen nagy szerepe van az agyunknak, a központi idegrendszer működésének. (3-2 ábra)

 A látás rendkívül bonyolult fizikai, fiziológiai és pszichológiai folyamat. Azt is szokták mondani. hogy a szemünkkel nézünk, de az agyunkkal látunk. És, hogy ez mennyire így van, mi sem bizonyítja jobban, hogy álmodni szoktunk. Álmunkban helyszíneket, tárgyakat, alakokat „látunk” anélkül, hogy a szemünket használnánk! (és persze hangokat is hallunk, hangokat, amelyek nem a fülünkben keletkeznek.)

A szemünk anatómiájával nem kívánok részletesen foglalkozni, már csak azért sem, mert nem értek hozzá. Csupán a lényegre szorítkozom. A pupillán (kis kör alakú „lyuk” a szivárványhártyán, és amit „szembogárnak”is szoktak nevezni) keresztül a szemünkbe érkező fénysugarakat a gyakorlatilag a szemlencse a szemgolyó hátulját borító ideghártyára, a retinára fókuszálja. Mindkét szemünkben egy-egy kicsinyített, fordított állású (fejjel lefelé) kép keletkezik a retinán. A retinát olyan idegsejtek építik fel, amelyekben a fény hatására inger keletkezik. A fényinger első lépésben kémiai változásokat okoz, amelyek elektromos impulzussá alakulnak át. Ezek az elektromos impulzusok a látóideg rostjain keresztül agyunk látóközpontjába jutnak, ahol mint képi információ jelenik meg tudatunkban.

Alapvetően kétféle fényérzékelő sejtet, úgynevezett fotóreceptort tartalmaz a retina: pálcikákat és csapokat. Elnevezésüket az alakjuk után kapták. Számuk és funkciójuk különböző. Pálcikákból van több, számuk a retinában elérheti, sőt meghaladhatja a 100 milliót, igaz, nagyon aprók: jellemző méretük a mikrométeres tartományba esik (a mikrométer a méter milliomod része!). A pálcikák csak a fényt érzékelik, a színeket nem tudják megkülönböztetni, viszont rendkívül érzékenyek, megfelelő körülmények között 1-2 fotont is képesek érzékelni. Nagyjából egyenletesen töltik ki a retina területét, ezért fontos szerepet játszanak a perifériális látásban.

A csapok biztosítják számunkra a színek látást. Számuk jóval kevesebb, mint a pálcikáké, mindössze 5-7 millió van belőlük a szemünkben. Kevésbé érzékenyek a fényre, ezért csak erős megvilágításban, pl. nappal működnek. A csapok közvetlenül nem érzékelik a színeket, hanem a szemünkbe érkező elektromágneses sugárzás különböző frekvenciáira érzékenyek. Vannak, amelyekből a 400-460 THz (terahertz) frekvencia, másokból az 520-620 THz frekvencia, megint másokból a 600-710 Thz frekvencia vált ki ingerületet. Mondhattam volna a frekvenciák helyett vörös, zöld és kék színeket is, de nem ez az igazság. A színérzet csak az agyunk szüleménye! Ennek bizonyításra Helmholtz, később Benham végeztek kísérleteket. Ehhez a Benham tárcsát, vagy Benham korongot használták, amelyen csak fekete-fehér vonalak vannak sugár irányban felrajzolva. Ha megfelelő sebességgel megforgatjuk a korongot, akkor a külső szélén kék, legbelül vörös, közöttük pedig zöldes-sárga színt látunk. Tehát itt mindössze a fehér fény megfelelő frekvenciával való megszaggatása keltette bennünk a színérzetet.

Milyen szép a magyar nyelv, amikor a Nap már a látóhatár alá bukott, beköszönt a szürkület. Ilyenkor a színek egyre halványodnak, és többnyire a tájat szürkének látjuk. Ez azért van, mert a színeket érzékékelő csapok már nem működnek, csak az ezerszer érzékenyebb pálcikák. Ennek az elszürkülésnek az az oka, hogy a színeket a szemünk ideghártyájának csapocskáival látunk, az érzékenyebb pálcikák színeket nem érzékelnek. Szürkület után a csapok már nem működnek. De mondanom sem kell, hogy a szürkületben is ott vannak a spektrum színei, csak nem látjuk őket. Évekkel ezelőtt készítettem a telihold fényénél egy színes képet állványra szerelt fényképezőgéppel. A táj, amit akkor ezüstös szürkének láttam, a film kidolgozása után szinte a nappali színekben pompázott. magam is meglepődtem! Az alkonyi táj elszürkülése fokozatosan megy végbe. A színtelenedés a vörössel kezdődik és a kékkel fejeződik be. A színek eltűnésének sorrendje összefügg az úgynevezett Purkinje-jelenséggel.

Az emberi szem egyik sajátossága, hogy a fehér fény teljes színképének különféle színeit különböző erősségűnek érzékeli, még akkor is, ha a fényintenzitás a színkép minden sávjában egyenlő. Ez a Purkinje-hatás, vagy jelenség. Oka a csapok és pálcikák fényérzékenységének a különbözősége. A nappali láthatósági függvény maximuma az 555 nm-es sárgászöld színben van. Az éjszakai láthatósági függvény a kék felé tolódik el. Számos személlyel végzett ilyen kísérlet eredménye a következő görbe (3-3. ábra)

Színes világ

Színes világ

Természetes számunkra, hogy a világot színesnek látjuk. Három, különböző jellegű fény érkezhet a szemünkbe: önvilágító testekből származó, tárgyakról visszavert, valamint diffúz (szórt) fények. A fényforrások azok, amik önállóan fényt sugároznak ki. Például ily

en a gyertya lángja, az elemlámpa, a villanykörte, a Nap, a csillagok, stb. A fényforrások általában összetett fényűek, színűket több minden befolyásolhatja, de első sorban a hőmérsékletük a meghatározó. Akik fényképeznek, jól ismerhetik az úgynevezett színhőmérséklet problémát. A hagyományos színes fotóanyagok készültek napfényhez és műfényhez, hogy a színvisszaadásuk nagyjából helyes legyen. A digitális fotózásnál vagy a fényképezőgépen beállítható az aktuális színhőmérséklet, vagy utólag egy editáló programmal korrigálható.

A Nap fényét fehér fénynek látjuk. Ám ez összetett fény, prizmával vagy optikai ráccsal felbontható a szivárvány színeire. Ha ezeket a színes sugarakat egy gyűjtőlencsével újra egyesítjük, fehér fényt kapunk. Ha a fénysugár a derékszögnél kisebb szögben optikailag sűrűbb közegbe lép, megváltoztatja irányát (pl. levegőből vízbe, vagy üvegbe lép). Ugyanez történik, ha a sűrűbb közegből ritkábba lép át. Amennyiben a Napból érkező párhuzamos fénysugarak egy keskeny résen keresztül egy üvegprizmára esnek, akkor színekre bomlanak. A prizma legkevésbé a vörös sugarakat téríti el az eredeti irányuktól, majd rendre a narancssárga, a sárga, a zöld, a kék és legnagyobb szögben az ibolya színű sugarakat. (2-2. ábra)

 Amit látunk, az a spektrum, vagy színkép.

A színbontás talán legszebb példája, amikor a Nap fényét a levegőben lévő vízcseppecskék, mint apró kis prizmák színekre bontják, létrehozva a szivárványt.  (2-3. ábra)

Szivárványt akkor láthatunk, ha a Nap és az esőfüggöny között helyezkedünk el. Időnként egy halványabb, másodlagos szivárványt is láthatunk, amelyben a színek sorrendje fordított. A szivárvány ívének a középpontja az antiszoláris pont, amelynek látóhatár feletti magassága megegyezik a Nap magasságával. Mivel a szivárvány íve a vízcseppecskék törésmutatójából eredően 42 fok sugarú körben övezik az antiszoláris pontot, sík terepen nem láthatunk szivárványt, ha a Nap magassága meghaladja a 42 fokot. (2-4. és 2-4/b ábra)

            Az egyes színeknek más és más a rezgésszámuk, vagy hullámhosszuk. Minden hullámhosszhoz tartozik egy monokromatikus szín (spektrumszín), de ez fordítva nem általánosítható. Számtalan szín van ugyanis, amelyik a spektrumban nem található, mint például a rózsaszín, a barna, a ciklámen, az olajzöld, stb. Ezek a színérzetek csupán a szemünkben, pontosabban agyunk látóközpontjában keletkező ingerek, amik több, monokromatikus szín összekeverése útján jönnek létre. (A barna pl. a vörös és a zöld meghatározott keveréke.) Ezeket virtuális színeknek, vagy színvalenciáknak nevezzük. Ezeket nem lehet egyetlen hullámhosszal jellemezni.  Ha egészen szigorúan vizsgáljuk a kérdést, arra a megállapításra kell jutnunk, hogy valójában színek nem is léteznek. A körülöttünk lévő világot (valóságot) elektromágneses hullámok töltik meg, amelyeknek egy bizonyos frekvenciájú tartományát fénynek, különböző színű fénynek látja szemünk. Nem emberek, hanem más élőlények másnak látják a világot, mert szemük más hullámhosszúságú elektromágneses sugárzásra érzékeny. Pl. a méhek látják az UV tartomány egy részét, a kígyók látják az infravörös sugarakat. Más égitesteken, ha élnek élőlények, talán egészen más hullámtartományokra érzékeny a látószervük, és akkor azt nevezik ők „fény”-nek.

            A nem önvilágító tárgyak csak akkor válnak láthatóvá, ha fényforrások megvilágítják a őket, és a felületükről  visszaverődő fénysugarak a szemünkbe jutnak. A tárgyaknak tulajdonképpen nincs önálló színük. Hogy milyen színűnek látjuk, az az őket megvilágító fény spektrális tulajdonságaitól függ. Most persze mondhatná valaki, hogy a citrom az sárga, a fű zöld, a pipacs pedig piros. De sose kerülje el figyelmünket, hogy ezeket a színeket napfényben, vagy úgynevezett „fehér fényben” látjuk ilyennek. Minden tárgy színe attól függ, hogy felülete az egyes színeket milyen mértékben nyeli el, illetve veri vissza. Az átlátszóaké pedig, hogy milyen színt milyen mértékben enged át. A piros pipacs pl. a fehér fényből a vörös sugarakat visszaveri, a más színűeket elnyeli. Ha egy pipacsot zöld fénnyel, vagy a zöld füvet vörös fénnyel világítunk meg, akkor azok feketének látszanak. (2-5.ábra)

A fehér tárgyfelület színváltoztatás nélkül veri vissza a fénysugarakat, a fekete pedig semmit sem ver vissza. Valamennyi színes fényszín keveréke a fehér, valamennyi testszín (festékszín) keveréke pedig a fekete. Azonban a gyakorlatban sem tökéletesen fehér, sem tökéletesen fekete nincs. A kettő közötti átmenet a szürke.

Részletekbe menően nem akarom ismertetni a színtani fogalmakat, inkább a lényegesebb, a mindenki számára érthetőbb és érdekesebb dolgokról ejtenék néhány szót. Azt, hogy az emberi szem milyen módon érzékeli a fényt és a színeket a következő részben fogom tárgyalni.

Nagyon érdekes és látványos dolog a színkeverés. Maxwell színkeverési törvénye szerint bármely színérzet létrehozható, ha három alkalmasan megválasztott alapszínt megfelelő arányban keverünk össze. Ilyen módon a fehér fény spektrumában nem található virtuális színek is előállíthatók. Tekintsük például a számítógép monitorát, vagy a TV képernyőjét! Meggyőződhetünk, hogy az összes elképzelhető színt, színárnyalatot láthatjuk rajtuk. (általában 16, ill. 24 millió színt). Ám, ha nagyítóval megnézzük a monitort, vagy a TV-t, láthatjuk, hogy csak 3 féle színű pixel építi fel a képet: kék, zöld és vörös. Ebben az esetben úgynevezett „fényszínek” keveréséről, additív színkeverésről van szó. Mert ebben az esetben színes fénysugarakat keverünk össze. Más a helyzet a festékszíneknél. A fényszínek összeadódnak, a festékszínek bizonyos mértékig kioltják egymást, ezt szubtraktív (kivonó) színkeverésnek nevezzük. (2-6.ábra)

Ennek megfelelően különböző színkomponenseket ismerünk. Additív színkeverésnél az RGB (Red Green Blue) értékeket használjuk. Értékük 0-255 között változhat. Szubtraktív komponensek a CMYK (Cyan Magenta Yellow és K) Itt az egyes színek értékét százalékban adják meg 0-100%-ig, valamint szükség van az úgynevezett K értékre, ami a fekete tartalmat jelenti. Ugyanis a CMY színek 100%-os fedettsége nem ad feketét, csak sötét szürkét, ezért a nyomtatott anyagok, képek készítéséhez mindenképpen külön fekete maszkot is kell alkalmazni.

            A színeknek három alapvető tulajdonságuk van: a színezet (tónus), a telítettség és a világosság. A színezet az, amiről eddig beszéltünk; egy homogén spektrumfény hullámhosszával jellemezhetjük.

A telítettségre a színben lévő fehérmenetes úgynevezett tiszta színnek és a teljes (tiszta szín + fehértartalmú) színnek az aránya jellemző. A telítettség egy színezeten belül a szín fehér, ill. szürke tartalmától függ. Így lehet eljutni például a pirostól a rózsaszínig.

             A világosságot azonos színek között vizsgálhatjuk és arra jellemző, hogy egy adott felületről, azonos megvilágítás esetén több vagy kevesebb fény verődik-e vissza, ill. jut a szemünkbe.

Ezeket az értékeket úgynevezett színtani háromszögön szokták ábrázolni (2-7. ábra)

            Az ipar, a gazdaság és a tudomány számára rendkívül fontos dolog a színek pontos, egyértelmű meghatározása. Ezért a festékanyagok színtelítettségét, világosságát vagy tónusát műszerekkel mérni kell tudni. Ilyen mérőműszerek a coloriméterek, vagy spektrométerek, három-szín fotométerek. Például a nyomdaipar számára színskálák állnak rendelkezésre. De ilyen színskálákat használnak az ipar sok más területén is. Sőt, egy-egy színt le is lehet védetni, ilyen pl. a T-com lila színe. Olyan speciális árnyalatú, hogy ha meglátjuk, rögtön arra asszociálunk.

Különböző színmegnevezési szabványok léteznek, pl. a CSS3 nevű, amelynek 140 színt és színárnyalatot tartalmaz. Mivel lehetetlenség itt bemutatni ezeket, javaslom, hogy a net-en a keresőbe írják be, hogy „színskálák”! Szép látványban lesz részük!

FOLYTATÁSA KÖVETKEZIK!

A fény

A minket körülvevő világról szerzett információink túlnyomó többsége fénysugarak formájában jutnak el hozzánk. Ez a látás. Hogy mivel nézünk, mivel és hogyan látunk, azt egy kicsit később fogom tárgyalni.

A fény elektromágneses sugárzás, amely a szemünkbe jutva látásérzetet kelt. Az elektromágneses spektrumnak – amely a gamma-sugárzástól a rádióhullámokig terjed – csak egy elhanyagolhatóan kis része az, amit szemünk érzékelni képes; ez a 400 nm-től a 780 nm-ig terjedő tartomány. 

(1-1. ábra)

A fényt (pontosabban elektromágneses sugárzást) atomok vagy molekulák bocsátják ki olyankor, amikor egy magasabb energiaszintről alacsonyabb energiaszintre kerülnek. Ekkor az atom v. molekula gerjesztési szintje közötti energiakülönbség egy energiakvantum, azaz foton formájában kisugárzódik. Az energia kibocsátás (fénysugárzás) nem lehet folytonos, hanem kizárólag meghatározott kvantumokban történhet.

A foton a megfigyelés módjától függően hol részecske, hol pedig hullám tulajdonsággal rendelkezik. A valóságban mindkettő egyszerre létezik. A fénynek ezt a „kettősnek” nevezett természetét érzékszerveink útján szerzett szemléletünkkel nem tudjuk felfogni.  

Egy foton energiája egyenesen arányos a fényhullám frekvenciájával:  E = ħ × n

ahol ħ az úgynevezett Planck-féle hatáskvantum (értéke: 6,626 × 10^-34 Js) és n pedig a sugárzás frekvenciája. A fénysugár frekvenciája és hullámhossza (l) között a következő összefüggés áll fenn: n = c/l

Az elektromágneses hullám azt jelenti, hogy a fénysugár haladási irányára merőlegesen elektromos (E) és mágneses (M) erőterek oszcillálnak. 

(1-2. ábra)

A fénynek nincs nyugalmi tömege. Terjedési sebessége légüres térben (vákuumban) c = 299 977 km/s, kerekítve 300 000 km/s.

 Anyagi közegben a fény ennél kisebb sebességgel terjed, mégpedig a vákuumban mért fénysebesség és a közeg törésmutatója (n) hányadosának megfelelő értékkel: v = c/n.

Itt rögtön megragadom az alkalmat, hogy rávilágítsak egy tévhitre, vagy hibás elgondolásra. Szokták ugyanis mondani, hogy egy igen nagy tömegű és sűrűségű objektumról, azaz egy fekete lyukról még a fénysugár sem tud „elszabadulni”, mert „visszapottyan” a felszínére. Ez a magyarázat nagyon messze áll a valóságtól. Mi az, hogy nem tud elszabadulni? Tudjuk, hogy a fénysugár sebessége mindig állandó és többnyire egyenes vonalban terjed. Miről is van hát szó? Arról, hogy amikor a fekete lyukból egy foton ki akar jutni, le kell győznie a roppant erős gravitációs teret. Ezzel energiát veszít. Igen ám, de miből is áll a foton energiája? A frekvenciájának és a Planck-féle állandónak a szorzatából. Mivel a Planck állandó, az ugye állandó, csak a frekvenciája csökkenhet, ha csökken az energiája. Magyarán a hullámhossza szinte a végtelenségig megnyúlik, azaz „láthatatlanná” válik.

De térjünk vissza a fényhez! Három dologgal lehet jellemezni: az erősségével (intenzitásával), a hullámhosszával (színével) és a polarizációjával.

A fényerősség (I) egysége a candela (cd). Ez a platina dermedéspontján, 2046 K fokon lévő fekete test 1 cm2-nyi felületéről merőlegesen kisugárzott fényerősségnek az 1/60-ad része. Ez kb. megegyezik egy normál Hefner-gyertya fényével. (Mi az, hogy fekete test? Ha fekete test, akkor hogy sugározhat fényt?) Újabb kis kitérő következik:

Természetesen itt nem „fekete” testről van szó. A Stefan-Boltzmann törvény szerint az abszolút fekete test teljes (vagyis az összes hullámhosszra összegzett) sugárzása (sugárzásának energiája, ezzel a teljesítménye) arányos a test abszolút (Kelvinben mért) hőmérsékletének negyedik hatványával és a test felszínével. Egy fekete test sugárzásának hullámhossza (színe) és hőmérséklete közötti összefüggést a Wien-törvény fejezi ki. Ennek egy egyszerű formája a következő:  l × T = 2 897 768,5 nm×K,   ahol l a maximális intenzitású sugárzás hullámhossza, T az abszolút hőmérséklet. 

(1-3. ábra) Az ábrán is látható, hogy Napunk kb. 6000 K fokos fotoszférája a sárga színtartományban sugároz a legerősebben.

Másik fontos fogalom a fényáram (lumen). 1 lumen fényáramot sugároz ki egy 1 candela erősségű pontszerű fényforrás az 1 méter sugarú gömb felületének 1 négyzetméterére, vagyis 1 steradián fényszögbe.

 (1-4. ábra)

A megvilágítás egysége a lux. 1 lux a megvilágítása az 1 négyzetméter felületnek, ha arra 1 lumen fényáram esik.

Az emberi szem nem egyformán érzékeny a különböző frekvenciájú (színű), de azonos intenzitású fényre.

Az elektromos és mágneses térerősség vektorok általában a fénysugár haladási irányára merőlegesen, minden irányban rezednek. Ezeknek bizonyos szabályosság szerinti rendeződése a polarizáció. A fényvisszaverődés, vagy fénytörés a rezgési irányokat (a polarizációt) befolyásolhatja. Ha csak egyetlen síkban rezgő komponensek maradnak meg, azt mondjuk, hogy a fény lineárisan polarizált. Egyes állatok, főleg rovarok képesek érzékelni a fény polarizáltságát, az emberi szem azonban nem.

FOLYTATÁSA KÖVETKEZIK!