1547

оставшихся атомов (изотопы с числом атомов < 5 не рассматривать). Занесите туда же периоды полураспада из табл. 2.

Таблица 3

Результаты экспериментов

Рис.4. Рабочее окно программы. Исследование радиоактивного ряда

5.Сделайте вывод о соответствии периодов полураспада элементов количеству оставшихся атомов. В выводе должно быть отражено соответствие достигнутого в конце эксперимента состояния радиоактивного семейства урана условию радиоактивного равновесия изотопов (уравнение (6)).

6.Ответьте на следующие вопросы:

а) Радон – 226 совершает β - распад, затем два α - распада. Запишите уравнения распада. Что за изотопы образуются?

б) Период полураспада одного изотопа 7 суток, а второго 23 минуты. Энергия α - частиц для какого распада больше? Почему?

70

Таблица 4

Период полураспадов некоторых радиоактивных изотопов

Заключение

Подробный вывод по каждому упражнению и беседа с преподавателем по выполнению ЛР являются основой для успешной защиты лабораторной работы.

72

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Количественные характеристики цвета. Сложение цветов

Введение

Цвета окружающих нас предметов есть результат сложных физических и психофизических процессов, протекающих как в окружающем нас мире, так и внутри человека, в его глазах и головном мозгу. Цвет тела определяется спектральным составом освещающего его излучения, пропускающими, отражающими и рассеивающими свойствами самого предмета, а также цветами окружающих тел. Кроме того, учитывая, что цвет – это ощущение,

возникающее в головном мозгу в ответ на свет, падающий на сетчатку, результат ощущения зависит от индивидуальных особенностей зрения. Поэтому при использовании строгой терминологии принято говорить не о цвете предмета, а о цветовом стимуле – термине, характеризующем свет, достигающем сетчатки и вызывающем то или иное цветовое ощущение.

Цели работы: познакомиться с помощью компьютерной программы с тремя системами количественной оценки света, с понятиями “насыщенность цвета”, “дополнительные цвета”. Получить представление о способах расчета результата смешения двух и более цветов.

Основы теории

Профессионалы, работающие с цветом, используют 4, а то и 5 характеристик цвета и света: цветовой тон, воспринимаемая чистота, светлота, «яркость» цвета, а также «воспринимаемая яркость», относящаяся к освещению. Однако мы рассмотрим более простые, относящиеся к изолированным цветам системы количественной характеристики цвета.

«Естественная» система характеристики цвета световых потоков

Как известно, белый солнечный свет можно разложить с помощью призмы или дифракционной решетки в спектр. Он

73

содержит плавно переходящие друг в друга цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, которые отличаются друг от друга длиной волны излучения. Цвета, полученные путем разложения в спектр излучений от источников разной природы, называются спектральными. Границы участков цветов непрерывного спектра представлены в табл. 1.

Спектральные цвета являются чистыми цветами, их чистота цвета (обозначается Ре) равна 100 %. Цветовой тон λd – другая характеристика цвета спектральных цветов, равная его длине волны λ. Третьей характеристикой цвета в данной системе является количественная характеристика – яркость цвета В, определяемая количеством энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности, перпендикулярной направлению наблюдателя. Среди спектральных цветов нет так называемых пурпурных цветов: малиновых, сиреневых, вишневых, розовых. Чистые цвета данных цветовых тонов можно получить смешиванием в разных пропорциях крайних цветов спектра – красного и фиолетового. Все остальные цвета в этой системе получают смешиванием чистых цветов с белым светом в разных пропорциях. При этом доля в смеси чистого спектрального или пурпурного цвета в процентах характеризует чистоту полученного цвета, а длина волны чистого спектрального, из которого получен данный цвет, называется доминирующей длиной волны λd и характеризует цветовой тон. Две эти характеристики

74

определяют качество цвета или цветность стимула. Для полного описания цвета добавляют количественную характеристику – яркость В. Так, коричневый цвет, который отсутствует в числе спектральных, определяется яркостью. При разной яркости стимул данной цветности может являться глубоко оранжевым, интенсивным коричневым или глубоким коричневым. Два цвета тождественны, если:

d1 d2; Pe1 Pe2; B1 B2 .

Наш глаз при самых благоприятных условиях способен различить между собой около 200 спектральных и пурпурных цветов. Каждый из них, разбавленный белым, способен дать еще множество цветов с разной чистотой цвета. Глаз способен различить разное количество цветовых оттенков от спектрального до белого, в зависимости от длины волны спектрального «разбеливаемого». Так, глаз различает всего около 4 оттенков от желтого до белого, но около 25 от красного до белого. Наименьшее воспринимаемое глазом различие в цвете носит название порога цветоразличения. Число порогов цветоразличения характеризует насыщенность данного цвета. Чем больше порогов цветоразличения имеется для данного цвета, тем более насыщенным он является. Наиболее насыщенные цвета – красный и синий, наименее – желтый.

Оценка цветов по цветности и яркости наряду с наглядностью и простотой имеет ряд недостатков. Так, например, нельзя сразу сказать, что получится при смешивании двух цветов, какие характеристики будет иметь результирующий цвет. Трудно также графически представить взаимное расположение существующих цветов.

Аддитивное смешение цветов. Система RGB

Многочисленными опытами установлено, что все существующие цвета световых излучений могут быть получены путем смешения трех взаимно независимых цветов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue), взятых в определенных количествах. Получение цвета смешением цветовых излучений называется аддитивным смешением. Оно играет важную роль в случае получения излучений с заданными цветовыми характеристиками (цветовая сигнализация, цветное телевидение и т.д.).

Противоположное – субстрактивное смешивание, основанное на вычитании цветов из первоначального светового потока, играет

75

важную роль при составлении красок, цветной полиграфии и фотографии. При этом один и тот же цвет может быть получен не одним, а множеством сочетаний трех цветов. Данное явление называется метамеризмом. Особенности смешения цветов и явление метамеризма отражают особенности цветовосприятия человеческого глаза. В сетчатке глаза имеются три вида колбочек – цветочувствительных клеток, с помощью которых создается ощущение цвета: красноощущающие, зеленоощущающие и синеощущающие.

Для получения произвольного цвета путем аддитивного смешения выбирают три единичных основных цвета. Их длины волн λ и световые потоки Ф таковы, что при смешении всех трех в результате получается белый цвет. В первой трехцветной международной колориметрической системе в качестве единичных основных цветов были приняты следующие монохроматические излучения:

Если задачей является получение заданного цвета, то излучение от этих источников направляем на абсолютно белую поверхность. Измеряя количества r', g', b' световых потоков единичных цветов и сравнивая полученный цвет с заданным, мы получим цветовое уравнение для цвета Ц:

Ц= r'R + g'G + b'B,

которое показывает, сколько единиц каждого из цветов надо взять, чтобы получить цвет Ц. Коэффициенты r', g', b' носят название координат цвета, а их произведения на обозначения цветов –

цветовых составляющих.

Опыты по смешиванию цветов показывают, что не все цвета могут быть получены по такой схеме. В ряде случаев, чтобы уравновесить цвета, надо к цвету Ц добавить один из основных цветов. Тогда уравнение цвета выглядит, например, так:

Ц+ b' В = r' R + g'G,

или

Ц = r' R +g'G - b' B.

То есть один из цветов имеет отрицательную координату. Поскольку мы задаем источники R, G, В, то переменными характеристиками являются координаты цвета r', g', b'. Чаще нас

76

интересует только качество цвета (цветность), а не его количество (яркость). Тогда цветность можно охарактеризовать относительными единицами – координатами цветности:

Очевидно, что r+g+b=l . Две координаты цветности независимы. Третью всегда можно найти по уравнению g = l - (r + b).

Одним из достоинств RGB – системы представления цвета является возможность построения графика цветности в виде так называемого цветового треугольника (рис.1). Известно, что равносторонний треугольник обладает следующим свойством: сумма перпендикуляров, опущенных из любой точки на противоположные стороны, равна высоте треугольника. Поместив в вершины такого треугольника основные цвета R, G, В и приняв высоту треугольника, равной единице координаты цветности, можно каждую точку внутри треугольника соотнести с определенным цветом, координаты которого легко определяются по масштабной сетке, наложенной на график. Цветовой треугольник обладает рядом полезных свойств:

Рис.1. Треугольник цветности

1)точка, соответствующая ахроматическому белому цвету, расположена в центре треугольника;

2)прямая линия между точками разных цветов – это линия смешивания. Она является траекторией, на которой лежат все точки, представляющие цветности всех возможных смесей этих двух цветов;

77

3)если линия смешивания проходит через точку Е, то эти цвета дополнительные по отношению к равноэнергетическому источнику Е (энергия излучения которого не зависит от длины волны излучения); если через точку Д, то эти цвета дополнительные относительно стандартного источника Д МКО, соответствующего дневному свету. Если два луча света, которые значительно различаются по цветовому тону, можно отрегулировать по интенсивности таким образом, чтобы их смесь давала белый круг на белом экране, то в этом случае говорят, что исходные цвета дополнительные между собой;

4)все спектральные цвета плюс чистые пурпурные лежат на

линии спектральных цветностей, которая лежит вне цветового треугольника. Цветности всех существующих цветов расположены на цветовом графике на площади, ограниченной кривой спектральных цветностей, внутри которой находится и цветовой треугольник. Все точки вне цветового треугольника имеют отрицательное значение хотя бы одной координаты цветности;

5)цветовой график системы RGB легко совмещается и иллюстрирует естественную систему обозначения цветности. Линия спектральных цветностей, как правило, снабжена шкалой длин волн. Линия, соединяющая любой спектральный цвет с точкой Е (либо Д), является геометрическим местом точек цветов с одинаковым цветовым тоном (соответствующей доминирующей длиной волны λd)

ипеременной от 100 до 0 % чистотой цвета. На цветовой график RGB часто накладывается сетка чистоты цветностей Ре, что очень облегчает перевод характеристик цветностей из одной системы в другую. Пурпурные цвета отсутствуют в спектре, они не могут быть охарактеризованы цветовым тоном. Поэтому пурпурные цвета

обозначаются длинами волн соответствующих им дополнительных цветов со знаком «штрих», λd . Например, цвет с λd, = 540’ нм – это пурпурный цвет, которому соответствует дополнительный зеленый с

λd = 540 нм;

6) большая зона, определяющая зеленый цвет, и относительно маленькая для красного вовсе не означает, что зеленых цветов больше, чем красных. Эта неоднородность пространства рассматривается как существенный недостаток, присущий цветовому графику. Другим недостатком цветового графика RGB является наличие отрицательных координат, что значительно усложняет расчеты смешения цветов.

78

Цветовой график МКО

Внастоящее время для характеристики цветов пользуются колориметрической системой XYZ, лишенной недостатков системы RGB. Она утверждена в 1931 г. Международной комиссией по освещенности (МКО).

Вэтой системе выбраны другие основные единичные цвета: X, Y, Z. Они выбраны так, чтобы все существующие в природе цвета находились внутри полученного цветового треугольника и координаты цветности получились положительными. Цвета X, Y, Z – условные, они не имеют иного смысла, кроме расчетного. Для цвета

Ц:

Координаты цвета RGB могут быть переведены в координаты

X, Y, Z и наоборот:

x, CrxRr, CgxGg, CbxBb,;

y, CryRr, CgyGg, CbyBb,;

z, CrzRr, CgzGg, CbzBb,,

где r', g', b' – координаты цвета в системе RGB; xR, yR, zR – координаты единичного цветового стимула R в системе XYZ: Сr, Сb, Cg – коэффициенты, определяющие свойства источника стандартного излучения.

Данный график позволяет определить положение результата смешивания цветов. Для этого надо найти положение смешиваемых цветов Ц1 (x1, у1, z1) и Ц2 (х2, y2, z2) на треугольнике цветности и соединить точки прямой линией. Затем необходимо просуммировать координаты цвета обеих точек:

отрезков. Полученная точка и будет результатом смешения. Для определения λd достаточно провести через точку Д (хD = 0,3127,

79