Закон сохранения в оптике

Согласно закону сохранения энергии, падающий поток излучения J делится на четыре составных потока – поглощенный J_A, отраженный J_R, пропущенный J_T , а для оптически неоднородных тел - и рассеянный J_S:

J=J_A + J_R+ J_T+ J_S (1)

Поделив левую и правую части соотношения (1) на J, получим соотношение:

А + R + T+S =1 (2)

J_A/J=A - безразмерный коэффициент поглощения; J_R/J=R - безразмерный коэффициент отражения; J_T/J=T- безразмерный коэффициент пропускания; J_S/J=S- безразмерный коэффициент рассеяния.

При попадании потока излучения (света) на непрозрачный объект коэффициент пропускания равен нулю Т=0, а при попадании на прозрачный объект – коэффициент отражения принимается равным нулю R=0. Отсюда закон сохранения (1) для крайних случаев можно записать так:

непрозрачный объект: Т=0, А + R + S =1; прозрачный объект: R=0, А + T + S =1. (3)

Таким образом, характеризовать взаимодействие объектов со светом можно через коэффициенты поглощения, отражения или пропускания (для оптически прозрачных объектов). Отсюда следует, что цветовые характеристики прозрачных объектов можно определять не только по функциям отражения, но и пропускания, а также чтобы четко рассчитать цветовые характеристики твердых тел необходимо изучать рассеяние излучения.

Таблица 1 - Основные и дополнительные цвета (приблизительные соотношения)

Диапазон поглощения света (, нм)	Основной цвет (поглощенный)	Дополнительный цвет (отраженный)
400 – 435	фиолетовый	зелено-желтый
435 – 480	синий	желтый
480 – 490	зелено-синий	оранжевый
490 – 500	сине-зеленый	красный
500 – 560	зеленый	пурпурный
560 – 580	зелено-желтый	фиолетовый
580 – 595	желтый	синий
595 – 605	оранжевый	зелено-голубой
605 – 730	красный	сине-зеленый
730 – 760	пурпурный	зеленый

Образование спектров и цвет

Открытие электронной спектроскопии в 1854-1859 годах Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгоффом позволило связать цвет вещества с его спектрами и химическим строением. Впоследствии было выяснено, что электронные спектры поглощения и отражения вещества определяют цвет простых и сложных веществ. Электронная теория строения вещества основывается на постулатах Бора, согласно которым, атомы могут существовать, не изменяя своей энергии, т. е. не излучая и не поглощая ее, только в определенных дискретных стационарных состояниях электронов (рисунок 2). Состояние с энергией E₁ называется основным состоянием атома.

Рисунок 2 - Энергетические уровни согласно постулатам Бора

Электроны в атомах, испуская или поглощая энергию, скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое. Такой переход сопровождается изменением энергии ∆Е, равной энергии кванта h:

∆E=E₂-E₁= h=hc/λ , (3)

где с - скорость света; λ- длина волны; h - постоянная Планка;  - частота электромагнитного излучения.

Молекулярные спектры значительно сложнее атомных, так как в молекуле наряду с движением электронов происходят колебания и вращения ядер.