Свет. Основные светотехнические величины и единицы

Ген OPN1LW и гены, отвечающие за восприятие света со средней длиной волны, расположены в Х-хромосоме  тандемно, и между ними часто происходит негомологичная рекомбинация или генная конверсия. При этом может происходить слияние генов или увеличение числа их копий в хромосоме. Дефекты гена OPN1LW – причина частичной цветовой слепоты, протанопии.

Трёхсоставную теорию цветового  зрения впервые высказал в 1756 году М.В.Ломоносов, когда он писал «о трёх материях дна ока». Сто лет спустя её развил немецкий учёный Г.Гельмгольц, который не упоминает известной работы Ломоносова «О происхождении света», хотя она была опубликована и кратко изложена на немецком языке.

Параллельно существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга. Её развили Дэвид Хьюбел (David H. Hubel) и Торстен Визел (Torsten N. Wiesel). Они получили Нобелевскую премию 1981 года за своё открытие.

Они предположили, что  в мозг поступает информация вовсе  не о красном (R), зелёном (G) и синем (B) цветах (теория цвета Юнга-Гельмгольца,). Мозг получает информацию о разнице яркости – о разнице яркости белого (Y_max) и чёрного (Y_min), о разнице зелёного и красного цветов (G–R), о разнице и синего и жёлтого цветов (B–yellow), а жёлтый цвет (yellow=R+G) есть сумма красного и зелёного цветов, где R, G и B – яркости цветовых составляющих, красного R, зелёного G, и синего B. Имеем систему уравнений:

 

                                                        K_ч-б=Y_max–Y_min; K_gr=G–R; K_brg=B–R–G                                             (6.1)

 

где K_ч-б, K_gr, K_brg – функции коэффициентов баланса белого для любого освещения.

Оппонентная теория в  целом лучше объясняет тот  факт, что люди воспринимают цвет предметов  одинаково при чрезвычайно разных источниках освещения (цветовая адаптация), в том числе при различном цвете источников света в одной сцене.

Эти две теории не вполне согласованы друг с другом. Но, несмотря на это, до сих пор предполагают, что на уровне сетчатки действует трёхстимульная теория, однако информация обрабатывается, и в мозг поступают данные, уже согласующиеся с оппонентной теорией.

Необходимость трех типов опсинов для цветового зрения недавно была доказана в опытах на беличьей обезьяне (саймири), самцов которых удалось излечить от врожденного дальтонизма путем введения в их сетчатку гена человеческого опсина OPN1LW. Эта работа (вместе с аналогичными опытами на мышах) показала, что зрелый мозг способен приспособиться к новым сенсорным возможностям глаза.

 

Областью наиболее высокого (чувствительного) зрения, т.н. центрального, в сетчатке является так называемое жёлтое пятно с центральной ямкой, содержащей только колбочки (здесь толщина сетчатки до 0,08-0,05 мм). В области желтого пятна сосредоточена также основная часть рецепторов, ответственных за цветовое зрение (цветоощущение). То есть вся световая информация, которая попадает на жёлтое пятно, передается в мозг наиболее полно. Место на сетчатке, где нет ни палочек, ни колбочек называется слепым пятном; оттуда зрительный нерв выходит на другую сторону сетчатки и далее в мозг.

 

Глава 7. Фотоны

Фотон
Символ	иногда
Состав	–
Семья	бозон
Группа	калибровочный бозон
Поколение	–
Участвует во взаимодействиях	электромагнитное,  гравитационное
Античастица
Теоретически  обоснована	М. Планк (1900);  А. Эйнштейн (1905–1917)
Обнаружена	1923 (окончательное подтверждение)
Количество типов	1
Масса:	0 (< 10−18 эВ)
Время жизни	стабилен
Каналы распада	–
Электрический заряд	0 (<10−35 e)
Цветовой заряд	–
Спин	1
Количество  спиновых состояний	2

Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») – элементарная частица, квант электро-магнитного излучения (в узком смысле – света). Это безмассовая частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой γ , поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибро-вочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимо-действия, обеспечивая таким образом взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости. Фотону свойствен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электро-магнитной волны в явлениях дифракции и интерференции в том случае, если характерные размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. Например, последовательность одиночных фотонов с частотой ν, проходящих через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, которую можно описать уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперименты показывают, что фотоны излучаются и поглощаются целиком объектами, которые имеют размеры, много меньшие длины волны фотона (например, атомами), или вообще в некотором приближении могут считаться точечными (например, электронами). Таким образом, фотоны в процессах излучения и поглощения ведут себя как точечноподобные частицы. В то же время это описание не является достаточным; представление о фотоне как о точечной частице, чья траектория вероятностно задана электромагнитным полем, опровергается корреляционными экспериментами с запутанными состояниями фотонов.

Фотоны в веществе. Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью света. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама – Бриллюэна.

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены  как частицы, всегда движущиеся со скоростью света, даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей скорости света. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода заключается в том, что, используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности, удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью – возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).

Фотоны также могут быть поглощены  ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав, таким образом, переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.

 

 

 

Список использованных источников

1. Физический энциклопедический словарь. Под ред. А.М.Прохорова. – М.: Советская энциклопедия. 1983.
2. Элементарный учебник физики. Под ред. акад. Г.С.Ландсберга. Том 3. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1986.
3. Энциклопедия для детей. Физика. Под ред. В.А.Володина. Том 1. – М.: Аванта+. 2002.
4. http://ru.wikipedia.org
5. http://www.fizika9kl.pm298.ru
6. http://www.expertunion.ru

¹ Горелик Г. С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. – М.: Гос. издат. ф.-м. лит-ры, 1959, с. 144.

.