Эйнтштейн Наука. История. Современность. Религия. Патриарх Кирилл

Зелёные поля Чехии. Фотограф:Мартин Бизоф (Martin Bisof)
Зелёные поля Чехии. Автор: Мартин Бизоф (Martin Bisof).    Фото: cameralabs.org
Божья коровка в утренней росе
Божья коровка в утренней росе.   Фото: factroom.ru

Как невидимый мир становится видимым

 

Мир не имеет ни цвета, ни звука, ни запаха, ни вкуса

  В «Послании Евреям» апостола Павла есть такие слова: «Верою познаём, что веки устроены словом Божиим, так что из невидимого произошло видимое» (Евр.11:3). Выдающийся просветитель Иоанн Златоуст разъясняет смысл этой фразы:
«Известно, говорит, что Бог сотворил из несущего сущее, из невидимого видимое, из несуществующего существующее. Но откуда известно, что Он (Бог) совершил это «словом»? Разум не внушает ничего такого, а напротив говорит, что видимое происходит от видимого же. Особенно философы утверждают, что ни что не возникает из ничего, – так как они люди умственные и ничего не предоставляют вере... Здесь много вероятного, а именно – что Он сотворил нечто, что сотворённое имеет начало, что оно сотворено всецело...Поэтому он (апостол) и сказал: «верою познаем». Что, скажи, мы «верою познаем»? То, что видимое произошло от невидимого».
  Апостол Павел жил в I веке, а Иоанн Златоуст — в IV веке. В те времена не было прямых доказательств существования таких явлений и веществ, которые человек не мог воспринять через свои органы чувств: зрение, слух, вкус, осязание, обоняние. Хотя люди и предполагали, что есть нечто, недоступное нашему восприятию, но о существованию которого можно догадаться по его проявлению.
  Согласно нашим научным знаниям Вселенная возникла в результате Большого взрыва примерно 14 миллиардов лет тому назад. Земля существует примерно 4,5 миллиарда лет. Возраст Homo sapiens, то есть человека сколь-нибудь разумного составляет около 300 тысяч лет, а человеческая цивилизация начала формироваться примерно 10 тысяч лет тому назад. Только с этого времени человек начал накапливать сведения об окружающем мире, передавая их своим потомкам вначале только устно, а затем уже и письменно.
  Если мы обратимся к Библии, то и там говорится, что, выражаясь в современных понятиях, Вселенная была создана до появления человека. Верующие люди знают об этом из Священного Писания, поскольку они верят тому, что там написано. Если вы атеист и Библия для вас не является истиной в последней инстанцией, то скорее всего верите в научные гипотезы. Эти гипотезы возникают не на пустом месте. Есть экспериментальные данные, надёжные, проверенные. На их основе строятся теории, которые эти данные объясняют. На базе этих теорий делается вывод о существовании каких-то новых явлений. Если эти явления подтверждаются опытным путём, то теория считается правильной. При этом принципиально важно, чтобы все эксперименты могли быть проведены много раз и всегда давали одни и те же результаты. Всё это составляет научное доказательство.
Платья девушек окрашены в цвета солнечного спектра
Платья девушек окрашены в цвета солнечного спектра

  Мы видим мир, полный красок и образов, слышим тысячи разных звуков, чувствуем невероятное количество разных запахов. Но даже школьного курса физики, химии и анатомии достаточно, чтобы понять: то, что вокруг нас - всё это не имеет ни цвета, ни звука, ни вкуса, а предметы не имеют той формы, какую мы видим и ощущаем. Наши представления об окружающем мире формируются исключительно в нашем сознании. И это не результат философских рассуждений, а научно доказанный факт.
  Многим из нас доводилось сидеть ночью у костра, ощущать его тепло, смотреть на завораживающее пламя, слушать потрескивание дров, чувствовать запах дыма, туманным столбиком поднимающегося к бесконечному звёздному небу. Но вся эта романтика существует только в нашей голове. А что же в действительности происходит, когда горит костёр? Как реальный окружающий мир отражается нашим сознанием?  

Как устроен атом. Классическая модель


  Нам хорошо известно, что химические вещества состоят из атомов. Это проверено и доказано миллион раз. Можно многое узнать и о себе, и о мире вокруг нас поняв, что такое атом. Его устройство легче объяснить на упрощённой модели, предложенной Резерфордом. В 1911-13 годах он провёл эксперименты по рассеянию частиц. К тому времени было известно, что вещества содержат в себе отрицательно заряженные электроны. Резерфорд бомбардировал тонкую металлическую фольгу альфа-частицами, которые представляют собой ядра гелия (два протона и два нейтрона) и намного массивнее электронов. Поэтому при столкновении с электронами они не отклоняются сколь-нибудь заметно и реагируют только на столкновения с более тяжёлыми частицами. Эксперименты Резерфорда однозначно доказали, что помимо маленького массивного ядра, остальное внутриатомное пространство практически ничем не заполнено. Αльфа-частицы имеют положительный заряд, и по характеру их отклонения было установлено, что ядро также имеет положительный заряд. А поскольку известно, что атом в целом электрически нейтрален, то стало ясно, что заряд ядра равен общему заряду электронов в атоме. Эксперименты и расчёты показали, что этот заряд равен произведению некоторой величины Z на заряд электрона. Эта величина получила название атомного номера и она равна номеру, который имеет элемент в Периодической системе Менделеева, и равна количеству электронов в атоме. Например, углерод стоит шестым в Периодической таблице: атомный номер равен шести и столько же в его атоме электронов, а также протонов (ядро состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов; заряд протона равен заряду электрона, но имеет противоположный знак).
  Таким образом, в нейтральном атоме вокруг ядра движутся Z электронов, которые заполняют сферу радиуса около 10-8 см. Чтобы представить себе степень заполненности (или наоборот, степень пустоты) внутриатомного пространства предположим, что капля воды увеличена до размера земного шара. При этом атомы в ней увеличены в той же пропорции. В этом случае диаметр атома вырастет до нескольких метров, но диаметр ядра достигнет лишь 0,01 мм. Из таких масштабных соотношениях следует, что практически во всех физических и химических процессах ядра проявляют себя просто как положительно заряженные массы, и свойства атомов, прежде всего химические и оптические, определяются внешними электронами.
  Резерфорд предположил, что атом устроен примерно так же, как и Солнечная система. В центре находится положительно заряженное тяжёлое ядро, вокруг которого, как планеты вокруг Солнца, по определённым орбитам вращаются лёгкие электроны. Принципиальное отличие атома от Солнечной системы заключается в том, что Солнце удерживает планеты силами гравитации, тогда как в атоме между ядром и электронами действует электростатическая сила притяжения разноимённых зарядов. Эта сила значительно больше силы тяготения между ядром и электроном, но подчиняется тому же закону зависимости от расстояния, то есть уменьшается как квадрат расстояния между ними. Поэтому естественно ожидать, что электроны будут двигаться вокруг ядра, так же, как и планеты вокруг Солнца. Атом должен быть маленькой планетной системой, и атомы каждого рода будут иметь разное количество электронов — планет.
 планетарная модель атома
Планетарная модель атома

  Почему планеты вращаются вокруг Солнца? Из-за силы тяготения. Под её действием неподвижные предметы притянулись бы друг другу. Поскольку этого в случае планет и Солнца не происходит, то ясно, что сила тяготения должна уравновешиваться другой силой, которая возникает при вращении предмета вокруг какого-то центра и называется центробежной. С этой силой мы часто сталкиваемся. Стоит, например, раскрутить рукой небольшой груз, который привязан к верёвке, как сразу начинает ощущаться её натяжение. Если бы не существовало силы упругости, влияние центробежной силы привело бы к разрыву верёвки. Тяготение, притяжение и гравитация — это разные названия одного явления. Гравитация приводит к тому, что в космосе всё вращается вокруг чего-то. А в атоме электроны вращаются вокруг ядра из-за действия электростатических сил, притягивающих электроны к положительно заряженному ядру. Причины вращения здесь такие же, как и в случае с гравитацией.
  Однако модель Резерфорда, разработанная в рамках классической физики, была бессильна объяснить процессы поглощения и излучения света. Например, в атоме водорода имеется лишь один вращающийся вокруг ядра электрон. Но движение электрона по круговой орбите происходит с центростремительным ускорением. Почему есть ускорение? Потому, что есть сила, а она равна произведению массы на ускорение. Но согласно законам электродинамики, движущийся с ускорением электрический заряд будет излучать энергию в виде электромагнитных волн, а стало быть терять свою собственную энергию. Поэтому в процессе движения он неизбежно должен приближаться к ядру всё ближе и ближе и в конце концов упасть на него, примерно за 10-8 с. Но опыт показывает, что атомы существуют неограниченно долгое время в неизменном виде. Была ещё вторая проблема. Согласно классической физике электрон, обладая какой-то определённой частотой обращения по орбите, будет излучать свет именно этой частоты. Когда же частота его движения плавно изменится из-за потери энергии, плавно должна будет измениться и частота излучения. А эксперименты показывают, что каждый химический элемент испускает свет (то есть электромагнитное излучение) только нескольких фиксированных частот.
  Совершенно не понятна с классической точки зрения и стабильность атомов. Для сравнения представим себе систему планет, обращающихся вокруг Солнца, каждая из которых движется по определённой неизменной орбите если нет никакого возмущающего влияния. Предположим, однако, что Солнечная система оказалась бы вдруг в непосредственной близости, например, к Сириусу. Тогда это соседство уже само по себе вследствие мощного гравитационного воздействия исказило бы траектории планет. Если бы затем Солнечная система вновь удалилась от Сириуса, то планеты стали бы вращаться вокруг Солнца уже по новым орбитам с новыми скоростями и периодами обращения. И если бы электроны в атоме подчинялись тем же механическим законам, что и планеты Солнечной системы, то неизбежным следствием любого взаимодействия между двумя атомами было бы полное изменение орбит и, соответственно, основных частот электронов, так что после взаимодействия каждый атом излучал бы свет совершенно других частот. Этому, однако, в корне противоречит тот экспериментальный факт, что каждый атом газа, который согласно классической кинетической теории, испытывает около 100 миллионов соударений в секунду, испускает тем не менее свет с одинаковой частотой как до, так и после соударения. Проблемы модели Резерфорда были решены после открытия квантов.  

Фотоэффект как доказательство существования квантов энергии


  К началу XX века при попытке объяснить многочисленные экспериментальные данные стало ясно, что классическая физика не могла объяснить законы теплового излучения (излучения энергии). Тогда в 1900 году Макс Планк пришёл к выводу, что для понимания законов излучения необходимо принять следующую гипотезу: излучение и поглощение энергии материей происходит не непрерывно, а отдельными порциями — квантами энергии. Величина этой энергии прямо пропорционально частоте излучения. То есть чем больше частота излучения, тем больше его энергия.
  В 1905 году Альберт Эйнштейн развил теорию Планка. Он применил её для объяснения фотоэффекта, за что в 1921 году получил Нобелевскую премию (а не за теорию относительности, как многие думают). Эйнштейн предложил считать, что квантование присуще не только процессам излучения и поглощения, но и свету вообще. В соответствии с гипотезой световых квантов, которую он предложил, свет состоит из частиц, которые он назвал фотонами, и энергия которых прямо пропорциональна частоте света. Собственно, это и есть кванты. Фотоны не имеют массы покоя и двигаются с постоянной скоростью, равной скорости света, то есть примерно 300000 км/сек. Эта на первый взгляд парадоксальная идея была впоследствии экспериментально подтверждена. В частности, она смогла объяснить фотоэффект, что было невозможно сделать в рамках классической теории, рассматривающей свет как волновой процесс.
  Ещё в XIX веке было установлено, что свет — это электромагнитные колебания. А что это такое? При изменении электрического поля возникает магнитное поле, а при изменении магнитного поля возникает электрическое поле. Получаем колебания электромагнитного поля: меняется электрическое поле — вследствие этого возникает магнитное поле, которое меняется от нуля до какой-то величины - изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического поля, которое меняется от нуля до какой-то величины — вследствие изменения электрического поля возникает магнитное поле — и так далее. Возникают электромагнитные колебания, которые имеют волнообразную природу.
Свет выбивает электроны из поверхности металла
  Всем известны солнечные батареи. В основе их работы лежит фотоэффект, открытый Генрихом Герцем в 1887 году: когда свет падает на металлическую поверхность, то при определённых условиях из неё вылетают электроны. Электроны — это отрицательно заряженные частицы, поэтому их легко регистрировать. Можно измерить число электронов, выбитых из металла, и их скорость. У фотоэффекта есть ряд особенностей, которые невозможно объяснить в рамках волновой теории света, а возможно только с точки зрения световых квантов — фотонов:
  1. Для конкретного металла и заданного цвета освещения, например фиолетового, оказывается, что все электроны вылетают с определённой одинаковой скоростью, а число таких электронов зависит от интенсивности света. Если увеличить интенсивность, станет больше вылетать электронов, но каждый из них будет иметь всё ту же скорость, независимо от интенсивности освещения.
  У световой волны также, как и у морской, есть гребни и провалы. При волновом описании света чем выше его интенсивность, тем больше амплитуда волны, то есть величина гребня. Всякий, то купался в море знает, что маленькие волны толкают слабо, а большие — сильно. Свет низкой интенсивности — это электромагнитная волна с малой амплитудой. Такая волна должна относительно слабо «толкать» электрон. И эти электроны должны вылетать из металла с относительно низкой скоростью. И наоборот, свет высокой интенсивности имеет большую амплитуду волны. Такая волна должна сильно «толкать» электроны, и они должны вылетать из металла с высокой скоростью. Чем выше интенсивность света, тем больше амплитуда волны, тем сильнее свет толкает электрон, и тем с большей скоростью электрон вылетает из металла. Однако в экспериментах наблюдается другое. Когда интенсивность света увеличивается, электроны вылетают из металла с той же самой скоростью.
  Это явление можно объяснить в рамках теории фотонов. Чем выше интенсивность света, тем больше фотонов он содержит. Но один фотон выбивает один электрон. Отсюда вытекает, что с увеличением интенсивности света растёт только количество выбиваемых электронов. А чтобы увеличить их скорость, нужно увеличить их энергию, а это можно сделать, увеличив энергию фотонов. А чтобы увеличить энергию фотонов, нужно увеличить их частоту.
  2. При смещении спектра падающего света от фиолетового к красному скорость вылетающих электронов уменьшается. А если свет сильно сместить в сторону красного спектра, то электроны вообще перестают вылетать.
  Известно, что электроны обладают некоторой энергией связи с металлом, поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным ядрам атомов металла. Именно энергия связи удерживает электроны от вылета из металла в отсутствии света. Согласно волновой картине, всегда должна иметься возможность настолько поднять интенсивность света, сделав тем самым амплитуду колебаний электрического поля достаточно большой, чтобы превзойти энергию связи. Если вы стоите в полосе прибоя, то маленькая волна не собьёт вас с ног, а большая это сделает с лёгкостью. В этом процессе главное — величина амплитуды волны, а её длина значения не имеет. Но эксперимент показывает обратное.
  Указанный эффект хорошо объясняется в теории фотонов. Их частота падает, когда мы двигаемся от фиолетового к красному цвету. С уменьшением частоты падает энергия фотонов и их скорость, и энергия в конце концов достигает значения, которое оказывается уже недостаточным для выбивания электрона.
  Таким образом теория Эйнштейна смогла объясняет явление фотоэффекта. Кроме того, все расчёты, сделанные с её помощью подтверждаются экспериментальными данными. На первый взгляд, всё просто: если считать, что свет состоит из частиц, фотоэффект легко объяснить. Но все опытные данные доказывали, что свет — это электромагнитные волны. И допустить, что свет в одних случаях может проявлять себя как волны, а в других как поток частиц — это поистине революционная идея  

Квантовая теория поглощения и испускания света


  В 1914 году Нильс Бор расширил модель Резерфорда для атома водорода и смог объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Но предварительно нужно отметить следующее. Резерфорд создавал свою модель в рамках классической физики, которая опиралась в основном на явления, которые человек мог воспринимать органами чувств: зрением, слухом, осязанием. То есть опираясь на повседневный опыт и здравый смысл. Бор создавал свою модель в рамках квантовой физики, которая отличается тем, что использует понятия, которые не кажутся нам очевидными. В квантовой физике мы как бы говорим: если сделать такое-то предположение, то в результате мы сможем объяснить такие-то экспериментальные данные.
  Для разрешения противоречий планетарной модели Бор соединил её с делавшей тогда первые шаги квантовой теорией. В дополнение к классическим представлениям он сформулировал в виде постулатов некоторые ограничения, накладываемые на возможные состояния электронов в атоме. Бор начал разработку своей модели с атома водорода, который очень прост: один отрицательно заряженный электрон вращается вокруг одного положительно заряженного протона.
  Согласно одному из постулатов Бора электрон, двигаясь по орбите вокруг ядра, не излучает электромагнитных колебаний, что противоречило классической теории. Бор предположил, а эксперименты это доказали, что на очень маленьких размерах действуют другие законы, чем в макромире.
Е 0 Е 1 Е 2 Е Е 0 Е 1 Е 2
Электрон в атоме вращается по фиксированным орбитам и может иметь только фиксированные значения энергии, которые называются разрешёнными.
Но поскольку излучение даже на атомном уровне всё-таки существовало, то Бор связал его с другим явлением — с изменением орбиты электрона. Согласно другому постулату, электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным, а лишь по некоторым фиксированным орбитам. При движении по такой орбите электрон имеет какую-то энергию, следовательно, и энергия электрона может принимать не любые, а только определённые значения. Когда на атом нет никакого внешнего воздействия, электрон вращается по некоторой орбите без изменений сколь угодно длительное время. Это состояние атома называется основным или невозбуждённым. Атом всегда стремится перейти в своё основное состояние, если его из этого состояния выведут. Можно, также, говорить о состоянии покоя, к которому стремится всё в живой и неживой природе.
  При излучении электромагнитного колебания (то есть света) атом теряет энергию, которую уносит с собой само излучение. Следовательно, в этом случае (то есть находясь в возбуждённом состоянии) он должен иметь некоторую дополнительную энергию относительно энергии основного состояния. Но её он должен получить от какого-то внешнего источника. А получив дополнительную энергию, атом перейдёт из основного в возбуждённое состояние. Но поскольку атом всегда стремится вернуться в основное состояние, он избавляется от лишней энергии посредством излучения.
  Рассмотрим процесс поглощения и испускания света, который в данном случае проявляет себя не как волна, а как поток частиц — фотонов. Энергия каждого фотона определяется соотношением Е = ν×h, где h – некоторая константа, называемая постоянной Планка, а ν — частота фотона, то есть частота света (частота — это число колебаний в секунду). В видимой части солнечного излучения (обычно говорят: в видимом диапазоне) мы различаем 7 цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Излучение каждого цвета характеризуется своей частотой, которая увеличивается от красного к фиолетовому. А поскольку энергия фотона прямо пропорциональна его частоте, то понятно, что, например, энергия фотонов фиолетового цвета будет больше, чем у фотонов красного цвета. Энергия одного фотона это и есть квант света. Когда свет падает на некоторый предмет, то поток фотонов сталкивается с электронами. В рамках классической физики электрон от удара изменил бы свои координаты и энергию в любом случае. Но в микромире действуют законы квантовой физики. Электрон в атоме может изменить своё состояние только перейдя на другую орбиту. То есть оказаться в возбуждённом состоянии. Допустим, на основной орбите (в основном состоянии) электрон имеет некоторую энергию Е0 — это энергия основного энергетического уровня, а на ближайшей орбите энергию Е1 — это энергия возбуждённого уровня. Атом может воспринимать только ту энергию, которая равна разности между возбуждённым и основным уровнями.
фотон фотон Е 0 Е 1
Фотон сталкивается с электроном, в результате чего тот переходит на возбуждённый уровень, а затем возвращается на основной уровень, испуская другой фотон, но с той же частотой
Процесс поглощения фотона (то есть света) происходит следующим образом. Если сумма энергии электрона на основном уровне Е0 и энергии фотона меньше Е1, то состояние электрона не меняется. Если же эта сумма окажется равна Е1, то электрон переходит на другую орбиту. Вся энергия фотона передаётся электрону. Это и есть поглощение фотона и, соответственно, поглощение света. Атом теперь находится в возбуждённом состоянии, из которого он почти мгновенно возвращается в основное. При этом испускается фотон с той же энергией, что была у поглощённого: Е = ν×h = Е10. То есть энергия этого фотона равна разности энергии электрона на возбуждённой и основной орбитах (на возбуждённом и основных уровнях), и его частота равна частоте ранее поглощённого фотона. Таким образом, фотон поглощается и вновь испускается с той же частотой. Возникает закономерный вопрос: а где же здесь поглощение света? Смысл поглощения вот в чём. Поскольку свет — это электромагнитное излучение, имеющее определённую энергию, то он может исчезнуть, только передавая каким-то способом свою энергию некоторому предмету. Такое его исчезновение и называется поглощением света этим предметом. Последовательность процессов можно представить следующей схемой. Поглощая квант энергии поля, электрон в атоме переходит (на сравнительно короткий период времени, порядка 10-8 секунды) в возбуждённое состояние, после чего возвращается в основное состояние, испуская при этом фотон той же энергии (и, соответственно, частоты), что и изначальный, но в совершенно произвольном направлении. Поэтому только небольшая часть излучаемых фотонов будет направлена по направлению луча света, падающему на вещество. Остальные разлетаются по всем направлениям, что создаёт видимость поглощения энергии света. На самом деле происходит её рассеяние без изменения частоты.
  Возбуждённых уровней в атоме может быть несколько, их обозначают Е1, Е2, Е3, Е4 и так далее. Величины энергий основного и возбуждённых уровней (соответственно, орбит) для атома каждого сорта имеют свои, отличные от других атомов значения. Следовательго, и разность Е10 у каждого атома своя. Например, что у водорода она составляет 10,2 электроновольт, а в натрии - 2,1 электроновольт, то есть в 5 раз меньше (электроновольт, эВ - единица энергии, применяемая при расчёте атомных эффектов; её используют для упрощения записей и это очень маленькая величина)
  Свет, который мы видим, имеет два источника. В первом случае это свет, излучаемый самими предметами и который напрямую попадает в сетчатку нашего глаза. Это, например, свет от солнца или вольфрамовой нити в лампах накаливания, свет горящего полена в костре. Во втором случае мы говорим об отражённом свете. Днём, например, мы видим отражённый от предметов солнечный свет. Цветность и интенсивность отражённого света зависит от свойств предметов поглощать свет (то есть поглощать фотоны). Вещество может излучать свет разной цветности и, соответственно, фотоны разной частоты и энергии. Набор этих возможных частот называют спектром излучения. Обычно нас интересует видимый (сетчаткой нашего глаза) спектр. А те цвета и, соответственно, частоты света, которые предмет поглощает, составляют спектр поглощения. Изучение и понимание природы таких спектров позволит нам лучше понять сущность цветного зрения.
  Спектр поглощения можно получить, пропуская свет через предмет. Но этот предмет должен быть в газообразном состоянии. Твёрдые предметы (исключая те, что подобны стеклу) свет не пропускают. Мы можем исследовать поглощение света газами и парами вещества, поскольку они состоят из свободных атомов, не связанных в кристаллическую решётку. Если свет, прошедший через газообразное вещество, мы разложим на цвета, что увидим в некоторых местах чёрные полосы. Значит, этот цвет был поглощён. Если мы через этот же газ или пары вещества будем пропускать электрический ток и исследовать получаемое излучение на спектрографе, то на чёрном фоне получим одну или несколько цветных линий. Они будут иметь ту же частоту, что и чёрные линии в спектре поглощения. Химический элемент поглощает и испускает излучение одного и того же цвета.
  Для иллюстрации этого процесса рассмотрим атом натрия. В холодном газообразном натрии (то есть в парах натрия) все его атомы находятся в основном, то есть невозбуждённом состоянии. В этом случае излучение не испускается, а сам газ прозрачен для света. Он непрозрачен лишь для света, частота которого соответствует фотонам, способных перевести атом в возбуждённое состояние.
Линии поглощения (вверху) и испускания (внизу) натрия. Чёрная линия в спектре поглощения соответствует поглощению жёлтого цвета.
Например, первое возбуждённое состояние натрия на 2,1 эВ выше основного. Можно рассчитать, что фотон будет иметь частоту 5,2·1014 герц или 520 ТГц (терагерц) и такой свет будет поглощаться газообразным натрием. Это характерный жёлтый цвет. Сообщим теперь газообразному натрию энергию, нагревая его или пропуская через него электрический заряд. При этом часть атомов перейдёт в более высокое возбуждённое квантовое состояние (точнее, их электроны перейдут). Такие атомы могут теперь испускать свет. Атомы в первом из возбуждённых состояний испускают тот же жёлтый свет, который поглощает холодный газ. Этот жёлтый цвет мы и видим. Натриевые лампы широко применяются для уличного освещения и именно им мы обязаны романтичному желтовато-красному вечернему освещению наших городов.
  Таким образом, частота испускаемого света определяется энергиями основного и возбуждённого уровней. Напомним, что основное состояние характерно для атома в отсутствии каких-либо возбуждающих влияний. Если же на атом есть какое-то воздействие, то он может находится некоторое время на возбуждённых уровнях. А что произойдёт, если электрон окажется не на первом возбуждённом уровне, а на втором, то есть не на первой возбуждённой орбите, а на второй?
фотон 1-й фотон 2-й фотон Е 0 Е 1 Е 2
Электрон со второго возбуждённого уровня может сразу перейти на основной с испусканием одного фотона или сначала на первый возбуждённый, а затем уже на основной. В этом случае испускаются два фотона.
Он может вернуться на основной уровень двумя путями: со второго возбуждённого на основной или сначала со второго возбуждённого на первый, а затем уже на основной. В первом случае атом испускает один фотон, частота которого определяется из уравнения ν20×h = Е20. Во втором случае атом будет испускать два фотона с разными частотами: ν21×h = Е21 и ν10×h = Е10 =. Из закона сохранения энергии следует, что Е20 = Е21 + Е10. Следовательно: ν20×h= ν21×h+ ν10×h и отсюда вытекает, что ν20 = ν21+ ν10. Таким образом, частота фотона, возникающего при переходе со второго возбуждённого уровня на основной равна сумме частот фотонов, возникающих при переходе со второго уровня на первый и с первого — на основной. Это правило называется комбинационным принципом Рица. Каким путём будет возвращаться электрон на основной уровень — в общем случае неизвестно, возможны оба варианта. Поэтому в целом вещество в данном случае будет излучать свет с тремя разными частотами: ν20, ν21 и ν10. Однако не все частоты будут доступны наблюдениям, то есть будут иметь достаточную интенсивность. Наиболее вероятными для наблюдения будут прямые переходы с частотой ν20.
  Таким образом, с помощью одного фотона можно «загнать» электрон сразу на второй возбуждённый уровень, и создать ситуацию, при которой атом будет испускать два фотона с разными энергиями. Этот эффект используют для получения так называемых запутанных фотонов в экспериментах по разработке квантовых компьютеров, которые со временем могут открыть немыслимые горизонты. Пусть некоторый атом возбуждён зелёным фотоном, энергия которого равна 2,4 эВ. Этот фотон согласно описанной выше схеме превращается в два инфракрасных фотона. Энергия любого инфракрасного фотона меньше, чем 1,59 эВ. Каждый из этих фотонов имеет неизвестную энергию, но при этом сумма этих энергий в точности равна энергии первоначального зелёного фотона. Допустим мы разнесём оба фотона на очень большое расстояние. Поскольку мы знаем сумму энергий фотонов, то, измерив энергию одного, мы тотчас же будем знать энергию второго. То есть энергия одного фотона, изначально неопределённая, может быть определена в результате измерения энергии другого фотона. Такое свойство называется нелокальностью. Возможен процесс и обратный описанному. Если мы с помощью инфракрасного фотона переведём электрон на первый возбуждённый уровень и сразу же с помощью другого инфракрасного фотона переведём электрон на второй уровень, то затем электрон перейдёт на основной уровень, испустив зелёный фотон. Таким образом, невидимые для нас инфракрасные фотоны создадут видимый зелёный цвет.
  Известно, что наше зрение воспринимает свет не любой частоты. Видимый диапазон составляют электромагнитные колебания с частотой примерно от 380 ТГц до 780 ТГц (один терагерц равен 1012 колебаний в секунду). Это соответствует энергии фотонов от 1,6 эВ до 3,26 эВ. Сетчатка наших глаз устроена так, что она не реагирует на фотоны, выходящие за этот интервал. Фотоны с энергией, меньшей 1,6 эВ относятся к инфракрасному диапазону, а с энергией, большей 3,26 эВ — к ультрафиолетовому. Эти диапазоны для нас невидимы. Каждому цвету соответствует определённая частота света и, соответственно, энергия фотонов. Например, излучение паров натрия мы воспринимаем как жёлтый цвет. Частота этого излучения известна, таким образом и определяется частота этого цвета. Аналогичным способом можно поступить и для других цветов.
  Химический элемент может излучать фотоны в широком диапазоне, включая видимую и невидимую части. Первым, наиболее хорошо изученным был водород. Анализ его спектров показал, что электроны совершают переходы не только между первым возбуждённым и основным уровнями, а, могут, например, опускаться с третьего возбуждённого уровня на второй, испуская при этом фотоны, частота которых определяется разностью этих уровней. Разрешённые значения энергии атома обычно называют его спектром. Точно также спектром называют частоты (или длины волн) электромагнитного излучения, поглощаемого или испускаемого атомом. Но поскольку энергия прямо пропорциональна частоте фотона, эти спектры есть одно и то же. Частотные спектры водорода были хорошо изучены, а затем теория Бора их прекрасно объяснила и тем самым была экспериментально подтверждена. Спектр водорода с очевидностью разбивается на серии, названные по именам их открывателей. Переходы со всех уровней на основной образуют серию Лаймана. При этом фотоны имеют наибольшую энергию и создают излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Переходы на первый возбуждённый уровень со всех вышележащих (то есть имеющих бóльшую энергию) создают серию Бальмера. Это электромагнитное излучение находится в так называемом видимом диапазоне (сетчатка наших глаз реагирует только на такие фотоны). Электроны, переходящие на второй возбуждённый уровень создают серию Пашена, на третий возбуждённый уровень — серию Брэкетта. Это уже инфракрасный диапазон. Энергия возбуждённого уровня для водорода определяется из формулы: Еn=h×R/n2, где R – некоторая константа, называемая постоянная Ридберга, a n – номер возбуждённого уровня. Поскольку n является целым числом (n=1,2,3,4,5…), то атом обладает лишь дискретными уровнями энергии. Физические величины, которые могут принимать только дискретные значения, называются квантованными. Для излучаемого фотона энергия определяется из соотношения: Е = h×R×(1/n2-1/m2). Из формулы следует, что расстояние между уровнями уменьшается по мере увеличения номера n, и при очень большом значении n оно приближается к нулю, и квантовые эффекты исчезают. Для серии Лаймана n=1, а m = 2,3,4… Для серии Бальмера n=2, и, соответственно, m=3,4,5… Для серии Пашена n=3 и m=4,5,6…
  В представленной ниже таблице приведены характеристики некоторых линий (значений энергии) спектра водорода. Длина волны дана в нанометрах (нм, 1 нм = 10-9 метра)
Линии спектра водорода
спектральные серии длина волны, нм частота, ТГц энергия фотона, эВ цвет
Серия Лаймана, переходы на основной уровень 122 2466 10,2 ультрафиолет
103 2923 12,09 ультрафиолет
97 3083 12,75 ультрафиолет
Серия Бальмера, переходы на первый возбуждённый уровень 656 457 1,89 красный
486 617 2,55 сине-зелёный
434 690 2,86 фиолетово-синий
410 731 3,02 фиолетовый
Серия Пашена, переходы на второй возбуждённый уровень 1876 160 0,66 инфракрасный
1282 234 0,97 инфракрасный
1094 274 1,13 инфракрасный

  Общепринято считать, что все вещества состоят из атомов, но это не совсем точно. Атомы сами по себе практически не существуют и стремятся объединиться в молекулы. Потому более точно говорить, что вещества состоят из молекул.
Линейчатый спектр атомарного водорода (вверху) и полосатый спектр молекулярного водорода (внизу)
При соединении в молекулы количество разрешённых значений энергии существенно возрастает, соответственно, появляются дополнительные возможные значения для переходов между энергетическими уровнями и новые частоты поглощения и испускания фотонов. Если спектр атома представляет собой набор линий, то спектр сложной молекулы состоит из большого количества линий, которые сливаются в полосы, поэтому спектр атома называют линейчатым, а спектр молекулы — полосатым. Именно молекулы со своим полосатым спектром создают всё богатство красок окружающего мира.
  Таким образом, в атомах переходы могут быть только между уровнями с определённой энергией. Иллюстрацией могут служить ступеньки лестницы: нельзя перепрыгнуть через половину ступени, можно шагать только через целое число ступеней.
  Энергия электрона меняется почти мгновенно и их переходы с уровня на уровень можно назвать квантовым прыжком. Посмотрите на кота: когда ему нужно забраться на стол, высота которого во много раз больше размеров животного, он не станет карабкаться по ножкам стола или подтаскивать стул, а просто запрыгнет. Так делает и электрон.
. Кот любит совершать квантовые прыжки
Когда кот сидит на земле возле дерева — это его основной, устойчивый уровень. Согласно классической физике, он может залезть на любую ветку. Но в квантовой физике когда пробегающий мимо пёс создаст возбуждённое состояние, кот может запрыгнуть только на определённые ветки и ни на какие другие. Художник И.Римашевский.

  Применительно к атому мы имеем следующие отличия классической и квантовой физики. В классической физике если электрический заряд вращается по окружности, он испускает электромагнитное излучение и теряет энергию. В квантовой физике этого не происходит и состояние электрически заряженного тела при таком движении не меняется. В классической физике, например, планета при столкновении с достаточно крупным телом может изменить свою орбиту вращения на любую величину. В атоме электрон может двигаться только по нескольким фиксированным орбитам. В классической физике энергия есть непрерывная величина и может принимать произвольные значения. Квантовая физика предполагает, что энергия электрона может меняться только на дискретные значения, соответственно и атом может находится только в дискретных состояниях и может поглощать лишь излучение таких частот ν, что произведение ν·h равно как раз порции энергии, которая нужна для перевода атома из одного состояния в другое.
  Согласно теории Бора атом будет устойчив к разного рода воздействиям до тех пор, пока электроны не начнут получать энергию, достаточную для перехода на уровни с большей энергией. Наличие некоторой пороговой энергии, ниже которой атом не реагирует на внешние воздействия, обеспечивает стабильность нашему миру. Эта пороговая энергия для каждого атома различна, но она будет такой же и на других планетах.
  Орбиты электрона в атоме имеют сходство с орбитами планет в Солнечной системе только в атоме водорода, где они круглые или имеют форму эллипса. Положение, скажем, Земли можно точно определить относительно других планет, звёзд и Солнца. Наша планета имеет траекторию, близкую к окружности. С электроном ситуация менее определённая. Можно посчитать, что в водороде электрон вращается вокруг ядра с колоссальной скоростью: 1016 оборотов в секунду. Определить координаты его просто нереально. Но радиус орбиты, то есть расстояние от ядра до электрона примерно известен. Поэтому единственное, что можно утверждать, так то, что электрон вращается не по окружности, а по сфере и может находится в любой её точке. Но уже в атоме гелия, где на одной орбите вращаются два электрона, ситуация усложняется. Точные расчёты сделать невозможно, но оценки говорят, что траектория электрона будет отличатся от сферической. А в молекуле водорода с двумя атомами линия движения электрона напоминает восьмёрку. Траектория ещё более усложняется, когда в атоме находятся три, четыре, пять и более электронов, да ещё такие атомы соединяются в молекулы. Поэтому, чтобы уйти от аналогии с орбитами планет траектории движения электрона в атоме и молекуле стали называть атомными и молекулярными орбиталями. Формы таких орбит имеют значения, главным образом, для объяснения химических реакций. Свойства атома, в основном, определяются значениями разрешённых энергий.
  Прежде, чем идти дальше, нужно сказать пару слов о том, как мы объясняем различные явления. Когда мы рассказываем о ком-то или о чём-то, то опираемся на очевидные вещи. Если мы говорим, что предмет красного цвета, то все понимают, что это цвет мякоти арбуза, спелой земляники, стен Кремля или ещё чего-нибудь, всем известного. Но как рассказать о фрукте, которого в наших краях никто не видел? Мы ищем аналогии, например: формой напоминает грушу, а вкусом — апельсин. Всё незнакомое мы должны свести к чему-нибудь нам известному: что мы видели, слышали, обоняли, осязали или можем ясно мысленно представить. Возьмём, к примеру, самую известную книгу — Библию. В значительной её части говорится об общении с Богом, который, как известно, невидим, неслышим, неощущаем. А между тем в Книге Бытия мы встречаем фразы: «и сказал Бог», «и увидел Бог», «и назвал Бог», «и благословил их Бог», «и вдунул», «и услышали голос Господа Бога, ходящего в раю». Как будто Бог похож на человека. Сам Моисей, который написал эту Книгу (или с чьих слов она была записана) с Богом не разговаривал. Но какое-то общение было. А как люди в его времена общались? Либо говорили, либо писали. Эти понятные формы и использованы в Библии. О неведомом и непонятном мы стараемся говорить понятными нам определениями, хотя при этом истина может и значительно исказится, но иначе мы ничего не поймём и не запомним.
  Такая же история и с квантовой физикой (правда, исторически сложилось, что чаще используют определение «квантовая механика»). Она использует понятия, которые с точки зрения нашей житейской практики кажутся бессмысленными, и противоречат старой, всем понятной классической физике. Рассмотрим, например, как в атоме электрон переходит с орбиты на орбиту. На первый взгляд это похоже на то, как мы запускаем ракету на околоземную орбиту. Она летит быстро, но всё же мы видим, как она взлетает, как набирает скорость. Идёт хронометраж, отсчитываются секунды полёта. Точно известны координаты ракеты относительно Земли, Луны, Солнца, других планет и даже звёзд. Ничего подобного мы не можем сказать об электроне. Начнём с принципа неопределённости Гейзенберга (это физик, лауреат Нобелевской премии). Этот принцип определяет, что мы можем точно знать либо координату электрона (и любой другой очень маленькой частицы), либо его скорость. Если точно знаем координату, то скорость можем определить только в некотором диапазоне и наоборот. А ведь в случае ракеты и то и другое мы можем знать сколь угодно, как нам кажется, точно. В микромире же, если точно знать скорость электрона, то неопределённость в его координатах может быть сопоставима с размером самой частицы. Мало того, понятие траектории в квантовой физике отсутствует. Строго говоря, есть только вероятность нахождения электрона в каком-то месте пространства. Если мы координаты установили точно, то вероятность превращается в достоверность. Если не было измерения, то можно говорить только о возможных траекториях движения.
  Поэтому хотя бы для примерного объяснения процессов, происходящих в атоме, мы используем понятия привычной нам классической физики, осознавая, что это всё-таки сильно упрощённая картина. Возьмём, например, то факт, что спектр щелочных металлов похож на спектр водорода. Чтобы объяснить это нужно описать, как электроны располагаются в атоме по мере увеличения их количества. В водороде вокруг ядра вращается один электрон, а в атоме гелия — два. Гелий с двумя электронами является инертным газом и не вступает ни в какие химические реакции. Вероятные траектории движения электронов вокруг ядра в пространстве в атомной физике называется оболочкой. Оболочку нейтрального гелия называют замкнутой. Понятие замкнутой оболочки — чисто квантовое. Первая замкнутая оболочка содержит два электрона. Если на оболочке один электрон, как у водорода, оболочка — не замкнута. У гелия два электрона, и его оболочка — замкнутая. Для упрощения мы можем представлять эту оболочку как орбиту, на которой могут находится только два электрона. Следующие электроны могут находиться только на другой оболочке (орбите). Как только на этой второй оболочке окажется 8 электронов, она станет полностью заполненной (и замкнутой) и следующие электроны смогут располагаться только на третьей оболочке. Эти значения, два и восемь, определены экспериментально. По историческим причинам первая оболочка обозначается как К-оболочка, вторая — как L-оболочка, третья — как М-оболочка. Если в атоме все электроны расположены только на замкнутых оболочках, такие атомы не вступают в химические реакции. Таковы инертные газы. У гелия — одна замкнутая оболочка, на которой находятся два электрона. У неона две такие оболочки: на первой находятся два электрона, на второй — восемь, а всего у этого инертного газа в атоме находятся 10 электронов. А вот у фтора на один электрон меньше — девять. Но поскольку на второй оболочке у него всего 7 электронов, то оболочка не замкнута и этот элемент активно вступает в химические реакции. Все эти явления невозможно объяснить в рамках классической физики.
Атом водорода. Один электрон на К-оболочке Она не замкнута. ядро Атом гелия. Два электрона на К-оболочке Теперь она замкнута. Атом лития. Два электрона на замкнутой К-оболочке Один электрон на незамкнутой L-оболочке Атом неона. Два электрона на замкнутой К-оболочке, восемь электронов на замкнутой L-оболочке Атом натрия. Два электрона на замкнутой К-оболочке, восемь электронов на замкнутой L-оболочке, один электрон на незамкнутой М-оболочке
  Вернёмся к щелочным металлам. Элемент литий — первый из этой группы. У него три электрона. Два электрона образуют замкнутую оболочку и абсолютно не активны, а вот третий — свободен и может создавать химические связи и участвовать в поглощении и испускании фотонов света. В этом смысле он похож на водород и спектр его похож на водородный, только имеет более низкие частоты, поскольку орбиты электронов расположены ближе к ядру. Следующий щелочной металл — натрий. Его спектр также похож на водородный, поскольку этот элемент подобно водороду и литию имеет лишь один свободный электрон. Но ведь у натрия их одиннадцать, что же происходит с другими? У натрия две замкнутые оболочки. На первой два электрона, на второй — восемь. Итого 10 электронов, которые не участвуют в химических реакциях и процессах поглощения света. На третьей М-оболочке находится единственный электрон, который может участвовать в химических реакциях и образовании оптических спектров. Такой электрон называется валентным. Он движется в поле ядра и остальных электронов и сам порождает весь спектр. Поле, в котором такой электрон находится, является центрально-симметричным (Земля движется в таком же центрально-симметричном поле, которое создаёт Солнце своей гравитацией). Поэтому энергия электрона зависит только от расстояния до ядра. Но электрическое поле ядра экранировано остальными электронами. Этим натрий отличается от водорода, где такого экранирования нет, и поэтому спектры щелочных металлов хоть и похожи на спектр водорода, но отличаются меньшей разницей между разрешёнными уровнями и, соответственно, меньшими частотами излучения. (Натрий, как и другой щелочной метал калий, из-за своего единственного валентного электрона играет важнейшую роль в переносе сигналов в нейронах.)
  Свет может быть не только отражённым. Например, нагретый металл даже в темноте излучает свет, то есть испускает фотоны. При нагреве металла происходят частые соударения электронов, в результате энергия некоторых из них увеличивается до значений, достаточных для перехода с основного на другой (возбуждённый) уровень (как бы с первого этажа на второй). Но такие состояния являются неустойчивыми. Электрон «сваливается» на прежний уровень, излучая при этом квант энергии — фотон. Энергия этого фотона равна разности энергии двух уровней. По мере разогрева металла энергии электронов возрастают и они попадают на всё более высокий уровень. Соответственно, переходя затем на нижележащий уровень они излучают фотон с более высокой энергией (как бы падают уже не со второго, а с третьего этажа на первый). Таким образом, по мере нагрева металл излучает фотоны с всё большей энергией, и, соответственно, с большей частотой. Так, нагревательный элемент электрокамина светится красным. Если температура повышается, свет смещается в фиолетовую сторону. Это относится не только к кускам металла, но и к звёздам. Красные звёзды - относительно холодные. Жёлтые, такие как наше Солнце, - горячие. Голубые звёзды — очень горячие. Если на водопроводном кране вы видите, что горячая вода обозначена красным, а холодная - синим, это значит, что кран был сделан в доквантовую эпоху.
  Представление художников о том, что красные, оранжевые и жёлтые цвета — теплые, а синие и зелёные — холодные, связано только с нашими эмоциями и ассоциациями и не имеет никакого отношения к спектральному составу света от раскалённого тела.  

Невидимый и видимый миры


  Теория Бора хорошо объясняла поглощение и испускание света атомом водорода, но не смогла этого сделать для атомов с бóльшим числом электронов. Одна из причин её недостаточности заключается в том, что она имеет дело с величинами, полностью ускользающими от наблюдения. Так, теория говорит об орбите электрона вовсе не принимая во внимание то, что вообще не возможно определить положение электрона в атоме, не разрушив при этом весь атом. Известно, что мы видим предметы в отражённом свете. В силу его волновой природы есть нижний предел расстояния, на котором могут находится две точки и при этом быть различимы. Для того, чтобы с какой-либо точностью определить положение электрона в атоме, диаметр которого около 10-8 см, мы должны наблюдать атом в свете с существенно меньшей длиной волны. Но расчёты показывают, что фотон даже с длиной волны, равной диаметру атома, имеет массу 0,02 массы электрона. На первый взгляд, это малая величина, но учитывая, что фотон несётся со скоростью света, его энергии достаточно, чтобы вообще выбить электроны из атома.
  Кроме того, выяснилось, что известными ранее свойствами частиц невозможно полностью описать их поведение в микромире. Квантовая физика основывается на том, что свойства предметов характеризуются гораздо большим количеством величин, чем в классической физике. Это хорошо видно на примере атома. Электрон, на который нет никакого воздействия, то есть свободный электрон, характеризуется двумя параметрами: массой и электрическим зарядом. Причём, у всех электронов величины массы и заряда одинаковы хоть на Земле, хоть на Солнце. Но картина меняется, когда электрон находится в атоме. У него появляются ещё четыре параметра. Эти параметры называются квантовыми числами. Когда мы говорили о спектре водорода, то приводили формулу для энергии возбуждённого уровня: Еn=h×R/n2, где n – номер энергетического уровня. Это число n называется главным квантовым числом и характеризует взаимодействие электрона с положительным зарядом ядра. Свойства электрона, связанные с его вращением вокруг ядра характеризуется параметром, которое обозначают Ɩ и называют орбитальным квантовым числом. Это число характеризует траекторию движения электрона. Расчёты показывают, что орбитальное квантовое число может иметь значения от 0 до n-1. Особенность электрона как вращающегося электрического заряда, которое проявляется во внешних электрических и магнитных полях, описывает магнитное квантовое число m, которое может принимать значения от - Ɩ до + Ɩ с целым шагом. И, наконец, вращение электрона вокруг собственной оси характеризуется спиновым квантовым числом s, которое для электрона принимает значения либо +½ либо -½. Эти обозначения сложились исторически и не имеют никакого особо смысла. Наличие других, кроме главного, квантовых чисел привело к тому, что одному и тому значению n стали соответствовать не одна, а несколько траекторий с разной степени вытянутости (в виде эллипсов) и с различной ориентацией в пространстве, которые, таким образом, заполнили всё пространство сферического атома. Все траектории, относящиеся к одному и тому же главному квантовому числу, стали называть электронной оболочкой. Этот термин обычно используется вместо термина «орбита».
  Квантовые числа определяют количество энергетических уровней электрона, распределение электронов по этим уровням и позволяют описать правила, по которым атомы соединяются в молекулы. Мы принципиально не можем увидеть, что происходит в атоме, но верим в справедливость квантовой теории, поскольку она объясняет явления, которые можно проверить экспериментально. У человека, который говорит, что он верит только в то, что видит сам, возникает проблема. Как он может верить в невидимые атомные процессы? Но приходится, поскольку держит в руках работающий мобильный телефон, созданный на основе квантовой физики, описывающей невидимые атомные процессы. Работающие устройства — это факт, а явления, происходящие в атомах — это гипотезы. Распределение электронов по энергетическим уровням — это тоже гипотеза.
  Для электронов в атоме действует правило, называемое принцип Паули: никакие два электрона не могут иметь одинаковый набор всех четырёх квантовых чисел. Это — тоже предположение, которое смогло объяснить множество экспериментальных данных. Суть квантовых чисел становится более понятной, если рассмотреть, как с точки зрения квантовой теории электроны распределяются в атоме. Для водорода квантовое число n=1, и единственный электрон находится на первой К-оболочке. Орбитальное и магнитное числа равны нулю, спиновое число может иметь любое допустимое значение, то есть либо либо +½ либо -½. Пойдём дальше. В атоме гелия два электрона. Главное квантовое число также равно единице, и в К-оболочке можно разместить ещё электрон, не нарушая при этом принцип Паули: все квантовые числа будут одинаковыми, кроме спинового, которое может принимать для одного электрона значение +½, для другого -½. Спин в грубом приближении можно описать как вращение вокруг собственной оси: либо по часовой стрелке, либо — против. Как вращаются электроны в атоме гелия — всё равно, главное, что в противоположные стороны. Здесь мы сталкиваемся с краеугольным понятием квантовой физики — вероятностью. Электрон с одинаковой вероятностью может иметь любой спин: и +½ и -½. Для атома гелия мы можем утверждать лишь, что спины обоих электронов противоположны.
  Если атом состоит из трёх электронов, как в литии, то получаем следующую картину. Два электрона расположены на К-облочке. Никакой новый электрон в эту оболочку уже попасть не может, и она называется замкнутой. Электроны из этой оболочки в химических реакциях не участвуют. Принцип Паули показывает, что максимальное количество электронов в оболочке с номером n равно 2·n2. Для второй, L-оболочки, n=2 и такое число равно восьми, соответственно, там может быть 8 различных энергетических уровней. Все электроны этой оболочки имеют значение главного квантового числа, равное 2. Орбитальное число в данном случае принимает значения 0 и 1 (напомним, оно меняется от 0 до n-1). Магнитное квантовое число для Ɩ =0 также будет равно нулю, а для Ɩ =1 оно принимает значения 1,0,+1. И для каждого этого значения могут быть две разные величины спинового квантового числа, итого получаем 8 разных наборов квантовых чисел для 8-ми электронов. Спин разбивает энергетический уровень на два подуровня: на одном находится электрон со спином +½, на другом со спином -½. Это расщепление отчётливо видно, например, на спектре натрия, на котором в хорошем спектроскопическом приборе видны две линии с частотами 508 ТГц и 509 ТГц и, соответственно, энергиями 2,103 эВ и 2,105 эВ. То есть разность между спиновыми уровнями равна 0,002 эВ. Эти две линии, которые называются дублетом, характерны для щелочных металлов и именно для их объяснения и было введено в 1925 году понятие спина. Сам спин равен s×h, где s – спиновое число, равное ½, а h – постоянная Планка, но спиновое число обычно тоже называют спином.

n=2 n=2 ɭ=0 n=2 ɭ=1 n=2 ɭ=0 m=0 n=2 ɭ=1 m=-1 n=2 ɭ=1 m=0 n=2 ɭ=1 m=1 n=2 ɭ=0 m=0   s=-½ n=2 ɭ=0 m=0   s=+½ n=2 ɭ=1 m=-1 s=-½ n=2 ɭ=1 m=-1 s=+½ n=2 ɭ=1 m=0   s=-½ n=2 ɭ=1 m=0   s=+½ n=2 ɭ=1 m=+1 s=-½ n=2 ɭ=1 m=+1 s=+½ главное квантовое число определяет общий диапа- зон энергий орбитальное квантовое число разбивает его на 2 части магнитное квантовое число раз- бивает область с орбитальным числом, равным 1, на 3 части Спиновое квантовое число разбивает каждую часть ещё на две. Получаем 8 разрешённых уровней энергии. На каждом уровне может находиться только один электрон. Квантовые ступеньки для электронов L-оболочки энергия
  Согласно распространённым представлениям об устройстве мира все вещества состоят из атомов. Но это не совсем точно. Атомы состоят из электронов и ядра, которое состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Размер ядра примерно 10-12 см, размер атома около 10-8 см. Масса протона и нейтрона одинакова и составляет 1,67·10-27 кг, и они в 1836 раз тяжелее электрона. Величина электрона настолько мала, что его обычно рассматривают просто как точку. Таким образом, размер атома в 10000 раз больше размера ядра, следовательно атом, а с ним и весь мир состоит, в основном из пустоты. Хотя в ядре сосредоточено около 99,95% всей массы атома, оптические и химические свойства атомов определяются его лёгкими электронами. За счёт взаимодействия электронов атомы могут связываться в молекулы. Молекулы соединяются друг с другом и образуют вещества. Сам по себе атом — наименьшая часть химического элемента, являющееся носителем его свойства. В обычном состоянии он электрически нейтрален, и число электронов в нём в точности равно количеству протонов. Поскольку все протоны имеют одинаковый положительный электрический заряд, они отталкиваются друг от друга и ядро должно было бы развалиться. Но этому препятствуют силы ядерного притяжения между нуклонами: протонами и нейтронами. Ядерные силы отличаются от электрических тем, что радиус действия их очень мал (3·10-13 см).
строение протона и нейтрона
Протоны и нейтроны состоят из кварков. Нижний кварк имеет заряд -⅓, верхний +⅔

  Одно время считалось, что наша Вселенная состоит их протонов, нейтронов и электронов. Однако в 40-50-х годах XX столетия при изучении падающих на землю космических лучей было обнаружено большое количество других частиц. В 1964 году возникло предположение, что большинство из них состоит из более мелких компонентов, которые назвали кварками. Это название не имеет никакого смысла и положило начало традиции появления в физике весьма причудливых терминов. Для того, чтобы объяснить строение разных частиц было предположено, что существуют шесть типов кварков с разными свойствами, которые не имеют никаких аналогов в классической физике. Кварки называются верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Физического смысла в этих названиях нет, это просто своеобразные технические термины. Кварки не наблюдаются в свободном состоянии.
  Протоны и нейтроны состоят из нижних кварков, имеющих электрический заряд ⅓ и верхних с зарядом ⅔ заряда электрона. Их размер меньше, чем 10–16 см. Эти кварки устойчивы и не распадаются. Остальные четыре типа (очарованный, странный, истинный и прелестный) имеют очень короткий срок жизни. Они существуют всего ничтожные доли секунды, а затем распадаются, образуя нижний и верхний кварки. Таким образом, Вселенная сформирована кварками и электронами — это и есть то, что называют кирпичами мироздания.
  Верующий человек, читая про всю эту квантовою теорию, справедливо может сказать: «Странное дело. Вы не верите в Бога, который создал мир, который мы видим, но верите во все эти квантовые уровни и очарованные кварки, которых никто не видел, да мало того, вы ещё и сами говорите, что их и увидеть нельзя!»
  Таков наш мир: электроны, вращающиеся вокруг протонов и нейтронов, связанные электрическими силами в атом. Если верить Библии, таким его создал Бог. Конечно, там не говорится о кварках и электронах. Но они были, мы же сейчас это знаем. Священное Писание начинается так: «В начале сотворил Бог небо и землю» (Быт.1:1). Больше — никаких деталей. Если вы не верите Библии, составим свой вариант священного писания: «В начале был сотворён Большой взрыв, вакуум и электроны с кварками». Далее в Библии: «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет» (Быт. 1:3). А мы знаем, что жизнь на Земле возможна только благодаря свету от Солнца. Затем в Писании описывается последовательность создания всего, что мы видим на Земле и над головою: моря, суша, планеты и звёзды. Причём, всё описание крайне лапидарно: «да будет», «создал», «сказал», «отделил», «назвал», «благословил». Говорится только о результате, сам процесс не описывается. Если вы обратитесь к научному описанию возникновения Вселенной, то там подробностей больше, но — это лишь теории, которые пытаются объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Причём, теории не устоявшиеся и постоянно меняющиеся. А для чего создана Вселенная, наука не знает; даже сколь-нибудь последовательной теории нет. В Библии «для чего» - объясняется, но вот почему Бог решил запустить этот проект — остаётся загадкой.
  Но главное, на наш взгляд, в следующем. Вы можете изучать создание нашего мира по «Книге Бытия» Моисея или по «Квантовой механике» Ландау и Лифшица, всё равно это будут только гипотезы. Так как этого никто не видел. До появления человека «Земля же была безвидна и пуста» (Быт.1:2).
  Наше зрение даёт нам 80% информации об окружающем мире. В обработке визуальной информации участвует примерно половина коры головного мозга. А как мы видим? Отражённый или испускаемый предметом свет попадает в наши глаза. Свет — это электромагнитные колебания. Но свет может испускаться или поглощаться только квантами энергии. Таким образом, по направлению от предмета в наш глаз летит поток энергии. Этот поток характеризуется двумя параметрами: энергией каждого фотона и их количеством. Это и вся информация о предмете, которая попадает в наше сознание.
  Видимым светом называют электромагнитное излучение, воспринимаемое глазом. Но сам по себе световой диапазон намного шире. Рассмотрим свет по возрастанию его частоты и энергии фотонов. Вначале идут радиоволны, затем инфракрасные волны, далее видимые волны, потом ультрафиолетовые волны, после рентгеновские волны и, наконец, гамма-волны. Видимый нашим глазом свет представляет собой электромагнитные колебания с частотой от 384 до 789 терагерц(то есть 1014 колебаний в секунду). И в зависимости от того, как обрабатывается эта информация в мозге, формируется наше представление об этом предмете. Если бы эта обработка была другой, мы и предмет видели бы иначе. С точки зрения физики видимость предметов определяется квантовыми процессами, происходящими в сетчатке глаза, зрительном нерве и в нейронах мозга. При другом устройстве человека «видимым» мог стать и ультрафиолетовый диапазон. Некоторые животные могут видеть свет, далеко выходящий за пределы нашего видимого диапазона. Большинство птиц и насекомых могут видеть в ультрафиолетовом спектре. Самцы и самки синицы-лазоревки кажутся нам совершенно одинаковыми, но они различают друг друга по ярким отражающим ультрафиолетовое излучение перьям на хохолкам. Как ни удивительно, но капельки мочи ярко высвечиваются в ультрафиолетовом излучении, и этим пользуются хищные птицы, выслеживающие мелких грызунов, которые метят мочой свою территорию. Северные олени тоже чувствительны к ближней области ультрафиолетового спектра, что помогает им находить пищу в тундре, поскольку в ультрафиолетовом излучении бледные лишайники, которыми они питаются, кажутся ярко-чёрными на фоне белого снега.
  Мы не только не видим, но даже и не можем видеть все процессы, происходящие в окружающем мире. Если какие-то предметы отражают свет только в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, то они недоступны нашему зрению.
  Главная цель эволюции каждого вида — это создание условий для его выживаемости. В этом смысле для эволюции всё равно, какие частоты света воспринимает наше зрение. То, как мы видим, достаточно для существования человеческого рода. Возможно, что если наш спектр видимого света захватывал бы ещё и ультрафиолетовый диапазон, наши возможности бы расширились. Но, согласно теории эволюции, наше развитие было процессом случайным. Вот с ультрафиолетом у нас и не случилось. Эволюции всё равно, насколько правдиво зрительная система отражает реальный мир, пока визуальные ощущения живого существа помогают ему выживать и распространять свои гены эффективнее, чем это делают конкуренты.
  То, что мир в нашем сознании может значительно отличаться от реально существующего, особого возражения не вызывает. Но существует ли мир вообще без нашего сознания? Допустим, где-то в уральской тайге упало дерево. Этого никто и никогда не увидит. Так было это или нет? Было, обычно говорят, приводя, в том числе и такое объяснение. Например, мы находимся в комнате, где стоит стул, который мы ясно видим. Если мы выйдем из комнаты, стул ведь никуда не денется. Тонкость здесь в том, что мы этот стул видели, знаем о его существовании. Если человечество вдруг исчезнет, планеты и звёзды никуда не денутся. Но если бы люди вообще не появились на свете, Вселенная была бы? Конечно, нет. Вселенная, которую мы знаем, существует только потому, что её мы видим, слышим, осязаем, обоняем, трогаем и о ней думаем, пишем, говорим. Не будет нас — никто этой Вселенной не заметит. Могут возразить, что какая-то другая цивилизация могла удостоверится в её существовании. Но, во-первых, мы о других цивилизациях ничего не знаем, и здесь можно только гадать. Но даже если такая цивилизация и существует, то она, скорее всего, воспринимает окружающий мир по-другому и у неё своя Вселенная.
  Но вернёмся к стулу. На первый взгляд здесь всё просто. Если мы вышли из комнаты и находимся в соседней и знаем, что стул никто не выносил, и других дверей нет, то с уверенностью можем сказать, что стул по-прежнему находится в комнате. Но это не точно. Мы основываемся на своих знаниях, но можем не знать о какой-то незаметной двери, через которую стул могли вынести. Это небольшая вероятность, но она существует. Поэтому на вопрос: «где стул?» - более правильный ответ: «С большой вероятностью стоит в комнате». Но вероятность станет равной 100%, то есть превратится в достоверность, когда мы заглянем в комнату и увидим там этот стул. Важно не только то, что мы видим предмет, но существование принципиальной возможности это сделать. А это бывает не всегда.
  Возьмём такой пример. На столе лежит бильярдный шар. Свет отражается от этого шара, попадает в сетчатку наших глаз, и создаёт в ней образ шара. Свет — это поток фотонов, ударяющихся о шар. Эти толчки настолько ничтожны по сравнению с массой шара, что практически не влияют на его положение. Мы можем смотреть на шар хоть час, он останется на месте. Теперь возьмём вместо шара электрон. Энергии фотона может оказаться достаточной, чтобы столкнуть электрон с места и заставить его двигаться в каком-то направлении. Поэтому, когда посредством фотона мы получим информацию о его местоположении, электрона уже там не будет. Мы не можем определять точно положение электрона и других частиц из-за малости их размера. Относительно всех электронов, составляющих шар мы мы можем очертить область, где они находятся — в пределах границ шара, но относительно координат каждого электрона можно говорить только о вероятности его положения.
  Теория Бора объяснила поглощение и испускание света переходами электронов между энергетическими уровнями, но она не смогла объяснить, как они переходят. Постепенно стало ясно, что движение электронов в атомах нельзя описывать в терминах классической физики, и что сам вопрос о промежуточных состояниях (например, при переходе электрона с одного уровня на другой) в мире квантовых частиц имеет другой - вероятностный смысл.
  Согласно многим экспериментам свет имеет характер волны, однако фотоэффект можно объяснить только если допустить, что свет состоит из потока частиц (корпускул), которые получили название фотоны (кроме фотоэффекта были и другие опыты, подтверждающие корпускулярную природу света). То есть в одних случаях свет проявляет себя как волна, в других — как частицы. Это свойство получило название корпускулярно-волнового дуализма. В 1925 году Луи де-Бройль выдвинул гипотезу, что такой дуализм, присущий свету, распространяется и на вещество. Он предположил, что каждой частице материи нужно сопоставить некий колебательный процесс так, чтобы энергия этого колебания, определяемая через частоту как E=ν×h, равнялась энергии самой частицы, определяемую (согласно теории относительности) как произведение массы частицы на квадрат скорости света. Тогда основным уравнением волновой механики является соотношение:

ν×h=m×c2

  Таким образом, с каждой частицей вещества связана волна материи, точно так же, как с квантом света (то есть фотоном) связана световая волна, причём соответствие между волновым и корпускулярным аспектами устанавливается как и в случае света, соотношением E=ν×h. Произведение массы на скорость p=m×c даёт нам значение импульса - величины, характеризующей механическое движение частицы. Таким образом получаем: ν×h=р×с и, следовательно, р=ν×h/с.
  Де-Бройль предположил, что полученное соотношение для импульса справедливо для любых частиц. Таким образом, получается соотношение, которое сопоставляет механический импульс частоте волны, то есть устанавливает связь между движением частицы и распространением волны, между механикой и оптикой. Однако, на первый взгдяд — это совершенно разные вещи.
  Рассмотрим такой пример. Вдоль моря по дороге едет машина. Мы можем определить, на какое расстояние она сместилась. Есть пройденное расстояние, скорость и время перемещения. А рядом с дорогой мы видим волнующееся море. Волна, которая падает на берег, зародилась, возможно, за сотни километров отсюда. Но при движении волны материальные частицы не перемещаются. Они совершают лишь вертикальные движения вверх к гребню и затем опускаются вниз к ложбине.
  Ввиду необычности гипотезы де-Бройля и сразу же возник вопрос, каким образом её можно проверить экспериментально. Вскоре в 1927 году была открыта дифракция электронов. Дифракция — явление, которое заключается в том, что волна как бы огибает предмет. Это сугубо волновое явление и его невозможно описать, представляя себе электроны в виде точек или шариков. Впоследствии было установлено, что волновые свойства проявляют все элементарные частицы — протоны, нейтроны и другие. Мало того, в 1932 году было экспериментально обнаружена дифракция молекулярных пучков. Эти дифракционные эксперименты показали, что волновые свойства являются не просто индивидуальной особенностью одних лишь электронных пучков. Напротив, здесь речь идёт о новом принципиальном явлении всеобщего характера — классическая механика уступает место новой волновой механике (это название вскоре было заменено на квантовую механику - так как оказалось, что волновая механика предсказывает дискретный характер, то есть квантование различных физических величин у движущихся микрочастиц; но иногда обобщённо говорят о квантовый физике, чтобы подчеркнуть отличие от классической физики). В случае дифракции атомов (из которых состоят молекулы) именно его центр инерции (центр инерции составляющих атом частиц — ядра и электронов) то есть некая абстрактная точка, подчиняется тем же волновым законам, что и отдельный свободный электрон.
  Таким образом, было установлено, что не только свет, но и электроны, и частицы вещества вообще в одних процессах ведут себя как волны, а в других - как обычные корпускулы. Возникла задача, как совместить эти два противоречащих аспекта, хотя идея объединить корпускулярную и волновую точки зрения достаточно парадоксальна. Действительно, энергия Е и импульс р относятся к точечной, то есть обладающей пренебрежимо малыми размерами, массе. Напротив, частота ν характеризует бесконечно протяжённую во времени и пространстве волну. Трудно представить себе более далёкие и несовместимые друг с другом идеи, чем эти две концепции, которые квантовая теория должна объединить в одно целое.
  Эту задачу решил в 1926 году Эрвин Шрёдингер (по немецки Erwin Schrödinger; по русски, обычно, пишут Шредингер и ударение ставят неправильно). В научных кругах широко известен кот Шрёдингера. Но это не кот учёного, просто Шрёдингер в своё время сформулировал одну вероятностную философскую задачу квантовой физики, в которой в качестве примера использовал некоего кота. С тех пор и пошло… Шрёдингер составил уравнение, позволяющее определить вероятность нахождения электрона в том или ином месте пространства и времени. Это уравнение так и называется уравнение Шрёдингера и оно самое известное из мира квантовой физики. В силу широкой известности мы здесь его не приводим.
  Шрёдингер получил уравнение, связывающее энергию электрона с пространственными координатами и так называемой волновой функцией, соответствующей в этом уравнении амплитуде трехмерного волнового процесса (волновая функция обычно обозначается греческой буквой пси: ψ). Это уравнение нельзя было вывести строго логически. Формальные шаги, ведущие к нему, являлись, в сущности, лишь остроумными догадками.
  Общепринятая в настоящее время интерпретация результатов Шрёдингера была предложена Максом Борном в 1926 году. В квантовой физике полагается, что весь ход событий в физической системе определяется вероятностными законами. Тому или иному положению частицы в пространстве соответствует некоторая вероятность, которая определяется волной де-Бройля, связанной с состоянием частицы. Таким образом, механический процесс увязан с волновым процессом — процессом распространения вероятностной волны. Последняя подчиняется уравнению Шрёдингера, значение которого состоит в том, что оно определяет вероятность любого варианта хода событий в механическом процессе. Если, например, в какой-то точке пространства волна вероятности имеет нулевую амплитуду (амплитуда — это максимальное значение волны), то это означает, что вероятность обнаружить электрон в этой точке практически равна нулю. Волновая функция является носителем информации о волновых и корпускулярных свойствах частицы, она зависит от координат частицы и времени. Вероятностный смысл её в следующем. Пусть функция ψ соответствует некоторому состоянию, тогда |ψ|2∂v есть вероятность того, что электрон (рассматриваемый как частица) находится в элементе объёма ∂v, а |ψ|2 называется плотность вероятности. Таким образом, интенсивность волны де-Бройля (интенсивность пропорциональна энергии) в каком-либо месте пространства пропорциональна вероятности обнаружить частицу в этом месте. Интенсивность волны определяется квадратом её амплитуды (для комплексных величин - квадратом модуля, поэтому и появляются вертикальные палочки в обозначении |ψ|2).
  Физическое обоснование гипотезы Борна вытекает из рассмотрения процессов рассеяния с двух точек зрения — корпускулярной и волновой. Вполне естественно рассмотреть рассеяние электронов подобно процессу рассеяния света, для которого волновые процессы хорошо описаны. Рассеяние потока частиц есть вероятностный процесс. Мы не знаем, как и сколько их рассеются, то есть изменят первоначальное направление. Но измерив отношение числа частиц, прошедших без изменения направления к первоначальному числу, мы можем определить вероятность процесса рассеяния. Интенсивность потока частиц пропорциональна их числу. С другой стороны, исходный пучок частиц можно представить себе в ассоциации с соответствующей волной де-Бойля. Падая на атом, эта волна в соответствии даёт начало вторичной сферической волне. Интенсивность световой волны, как её определяет классическая волновая теория, пропорциональна квадрату амплитуды волны. Таким образом, интенсивность, с одной стороны, определяется числом рассеянных частиц, а с другой стороны — квадратом амплитуды рассеянной волны. Поэтому при рассеянии число частиц в той или иной точке следует считать пропорциональным квадрату амплитуды. А поскольку число рассеянных частиц определяется вероятностью рассеяния, то появляется связь между квадратом амплитуды рассеянной волны и вероятностью.
  Относительно атома мы говорим о распределении плотности электронов или об электронном облаке. Так называется распределение заряда, которое получается умножением плотности вероятности |ψ|2 какого-то состояния электрона на его заряд.
  Таким образом квантовая механика оперирует не с точными значениями физических величин, а с вероятностями того, что данная величина примет то или иное значение или частица будет находиться в той или иной точке. Поэтому пришлось отказаться от представления о точных орбитах электронов в атоме. Решение уравнения Шрёдингера давало волновую функцию, которая занимает весь объём атома, но в разных точках имеет разную плотность. Поэтому даже для одного электрона в атоме водорода картинка стала выглядеть как размытое облако, причём разная плотность этого облака соответствовала разной вероятности обнаружения электрона в той или иной точке пространства.
0,38 1 2,08 0,5·max max ядро электронное облако плотность вероятности r/r o
Распределение электронной плотности в атоме водорода. Плотность вероятности обнаружения электрона в зависимости от отношения его удаления r от центра ядра к радиусу первой орбиты. Максимум плотности вероятности находится на расстоянии, равном радиусу ro первой орбиты

  Примером квантовой вероятности служит атом водорода единственный, для которого можно точно произвести расчёты, и которые дают значение радиуса орбиты электрона rо в основном состоянии, равное 0,529·10-8 см. Это радиус окружности, а в трёхмерном пространстве — радиус сферы, по которой перемещается электрон. Казалось бы, вот точные координаты. Но нет, эта сфера есть лишь наиболее вероятные координаты электрона. Хотя и с гораздо меньшей вероятностью, но он может находится и вне неё. В действительности орбит электрона в атоме не существует. Можно только указать распределение вероятности нахождения электрона на различных расстояниях от ядра, которое называется электронным облаком. На расстоянии радиуса орбиты вероятность достигает максимума, то есть наиболее вероятное. Расчёты показывают, что с вероятностью более 50% электрон может находиться в диапазоне расстояний от 0,38·rо до 2,08·rо. Понятно, что вероятность нахождения электрона вообще где-нибудь внутри атома равна единице.
  Поскольку волновая функция связана с вероятностью, она должна иметь некоторые очевидные свойства. Вероятность не может меняться скачком, поэтому волновая функция должна быть непрерывной. Вероятность не может быть бесконечной, соответственно, это справедливо и для волновой функции. Если одно состояние атома может описываться волновой функцией ψ1, другое — волновой функцией ψ2, то атом может находиться, также, и в состоянии, описываемой суммой этих функций ψ = с1ψ1 + с2ψ2. Здесь с1 и с2 — некоторые величины, смысл которых в следующем: они определяет вероятность того, что при измерении система будет обнаружена в состоянии, описываемом волновой функцией ψ1 или ψ2. Это называется принципом суперпозиции, который, среди прочего, имеет важное значение при проектировании квантовых компьютеров. Квантовомеханический принцип суперпозиции состояний не имеет аналога в классической механике. Действительно, в классической теории свободная частица в данный момент времени движется либо в одном направлении в пространстве, либо в другом направлении. Если одна волновая функция ψ1 описывает состояние «частица движется влево», другая ψ2 - «частица движется вправо», то какое состояние описывает суперпозиция этих волн? Такая частица одновременно движется и вправо и влево. С точки зрения классической механики такой ответ абсурден. В квантовой теории это означает, что при проведении серии опытов по обнаружению направления движения частицы, находящейся в таком квантовом состоянии, с вероятностью |с1|2 будет получен ответ, что частица движется влево вдоль оси , а с вероятностью |с2|2 - что частица движется вправо.
  С точки зрения вероятности следует рассматривать и переход электрона между основным и возбуждённым уровнями при поглощении или испускании фотона. Зададимся вопросом: какое состояние имеет падающий на атом фотон и электрон, который покинул основной, но ещё не попал на возбуждённый уровень? Во время перехода атом и фотон находятся в состоянии, которое является суперпозицией основного состояния атома без поглощённого фотона и атома в возбуждённом состояний с одним поглощённым фотоном. Таким образом, состояние атома характеризуется суперпозицией двух волновых функций, относящихся к основному и возбуждённому состоянию. То есть атом находится одновременно в обоих состояниях, что, конечно, невозможно с точки зрения классической физики да и здравого смысла. Сразу же после того, как атом столкнётся с фотоном и начнёт переход в возбуждённое состояние, эта суперпозиция состоит главным образом из основного состояния с небольшой примесью возбуждённого. В середине перехода атом и фотон находятся в примерно равной суперпозиции состояний «фотон не поглощён» и «фотон поглощён». Другими словами, фотон толи поглощён, толи нет. Вблизи конца перехода суперпозиция представляет собой главным образом возбуждённое состояние, с небольшим остатком основного.
  Итак, атом перескакивает из нормального состояния в возбуждённое не сразу. Он как бы скользит через непрерывную последовательность промежуточных суперпозиций. Такое же непрерывное скольжение происходит, когда атом возвращается из возбуждённого в основное состояние.
  Описанные состояния характеризуются двумя вероятностями. Первая — вероятность нахождения в состоянии «фотон поглощён», вторая — нахождение в состоянии «фотон не поглощён». Когда электрон находится на основном уровне, первая равна нулю, вторая — единице. И всё — наоборот, когда электрон окажется на возбуждённом уровне. В середине перехода электрон и фотон находятся в состоянии, когда равновероятны оба события: с поглощённым или непоглощённым фотоном. Мы можем определить, что электрон находится в основном или возбуждённом состояниях, но что происходит между ними, это — только вероятности. В квантовой механике нет ничего точного, есть вероятность. Точнее говоря, пока нет измерения, есть только вероятность события.
  С вероятностью мы встречаемся постоянно в обыденной жизни, которую невозможно предсказать на все сто процентов. На судьбу каждого человека влияет такое огромное количество событий, происходящих в разное время в разных местах с разными людьми, что эта непредсказуемость не следствие невозможности технически всё просчитать, а закон природы. Некоторые священники считают, что Бог знает судьбу каждого человека и ведёт её. Скорее всего, это не совсем точно. В противном случае нужно согласиться, что Бог знал, что Адам попробует запретный плод и будет наказан изгнанием из Эдема и лишением возможности бессмертия. И вообще тогда получается, что всё, что делает человек: дурное и хорошее, он делает по воле Божией. Тогда в чём его вина и почему в случае совершения греха по указанию Всевышнего, он им же и отправляется в ад? Впрочем, из Книги Бытия ясно следует, что Бог создал человека свободным в выборе своих поступков.
  Вероятность влияет на то, что люди по-разному воспринимают цвета. Мы уже обсуждали как происходит рассеяние света. Здесь имеет место чисто квантовый эффект. Атом поглощает фотон и переходит в возбуждённое состояние. Затем он испускает другой фотон, но с такой же частотой, то есть того же цвета. Но этот фотон может лететь в произвольном направлении, в том числе и отличным от первоначального. Таким образом, за счёт поглощения и последующего испускания изменяется количество фотонов, летящих в каком-то направлении. Допустим, из каждых 100 падающих электронов 10 рассеиваются, а 90 — отражаются. Разделив 90 на 100 получим 0,9. А это число есть вероятность отражения фотонов (то есть света). Согласно классическому определению, вероятность есть отношение величины какого-то результата к общему числу попыток. Например, как определить вероятность вашего опоздания на работу? В 2016 году согласно рабочему календарю было 247 рабочих дня. Вы опоздали 5 раз. Следовательно вероятность вашего опоздания равна 5/247=0,02 или 2%. Но на вероятность может влиять множество обстоятельств. Если в каком-то году в вашей семье кто-то болел, то вы опаздывали чаще обычного. В другом году никто не болел, вы боли собраннее и потому опаздывали реже. Поэтому вероятность в каждом году может быть различной. Но если стоит задача найти вероятность опозданий, которая учитывала бы различные ситуации, вам нужно выбрать больший период времени, причём чем больше, тем точнее будет значение вероятности. Если сложите, например, количество опозданий за последние десять лет и разделите на общее количество рабочих дней за этот период, то получите вероятность опоздания с учётом различных форс-мажорных ситуаций, которые могут случиться в вашей жизни.
  Другой пример — подбрасывание монетки. Известно, что вероятность того, что выпадет орёл равна 0,5 или 50%. Допустим, вы подкинули монетку, и выпал орёл. Что выпадет при следующем подбрасывании? Исходя из вероятности 0,5 должна быть решка. Но легко убедится опытным путём, что орёл может выпадать несколько раз подряд, и то же справедливо для решки. Если мы подбросим монету 100 раз, то, скорее всего, орёл и решка выпадут одинаковое количество раз или близко к тому, то есть может быть 50/50 или 49/51 или 52/48. Но за первые 10 подбрасываний это соотношение может сильно отличаться от 50/50 и быть, например: 7/3 или 2/8. Чем больше подбрасываний, тем скорее получится заветное соотношение 50/50. В теории вероятности считается, что полное число попыток должно быть большим и стремится к бесконечности.
  Теперь оценим вероятность для двух людей того, что фотоны с определённой частотой, то есть определённого цвета будут зарегистрированы сетчаткой их глаз. Предположим, что для некоторого предмета вероятность отражения света равна 0,8 или, другими словами, 80%. Вероятность того, что фотоны будут поглощены рецепторами сетчатки (а этот процесс поглощения тоже квантовый процесс) тоже 0,8. Таким образом, из 100 падающих на предмет фотонов 80 отразятся и попадут в сетчатку. Из этих восьмидесяти 80×0,8=64 фотона будут поглощены сетчаткой. Таким образом, вероятность отражения от предмета и поглощения сетчаткой света равна 0,64 или 64%. Это соответствует известному правилу теории вероятности: вероятность того, что произойдут два независимых события равна произведению их вероятностей. В нашем случае имеем 0,8×0,8=0,64. Это фундаментальное и важнейшее правило. Оно, в частности, используется в обосновании теория эволюции.
  Допустим, перед предметом стоит первый человек, пусть его зовут Афоня. Сто фотонов падают на предмет и попадают в сетчатку его глаза. Затем перед предметом встаёт другой человек — Борис и тоже сто фотонов падают на предмет. Оба они находятся в абсолютно одинаковых условиях. Если вы полагаете, что число фотонов, поглощённых сетчаткой глаз обоих людей одинаково, то ошибаетесь. Величина вероятности рассчитывается для больших чисел, а для меньшего диапазона может быть и иной. При вероятности 0,8 из двухсот фотонов отразится 160. Но в первой сотне их может быть 90, а во второй — 70. Вероятность — это не детерминированный процесс. Мы считаем в нашем случае, что скорее всего отразится 80 фотонов, но могут быть и другие числа. То есть вероятность может быть 0,9 для первой сотни фотонов и 0,7 для второй сотни, а для двухсот — 0,8. Подсчитаем количество поглощённых фотонов для Афони. Девяносто фотонов отразятся и 0,8 из их числа них поглотятся, итого 72 фотона. В случае Бориса нам нужно 70 умножить на 0,8 и мы получим 56 фотонов. Таким образом, 72 против 56. Мы видим, что за счёт случайного разброса отражённых фотонов количество поглощённых фотонов отличается. А интенсивность цвета равна энергии фотонов, умноженное на их количество. В нашем сознании интенсивность воспринимается как яркость. Поэтому для Бориса цвет будет выглядеть темнее, чем для Афони.
  Квантовый механизм вероятности при рассеянии фотонов приводит к тому, что от одного и того же объекта в сетчатку в разное время попадает неодинаковое количество фотонов. Сама по себе эта разница небольшая. Но процесс поглощения света в сетчатке тоже квантовый и имеет свою вероятность, поэтому здесь могут возникать дополнительные отличия. Художник, рисуя картины, тщательно отбирает цвета, их яркость и насыщенность, взаимное расположение. Но если тёмно-синее небо вы воспринимаете как голубое, задуманный эффект может и пропасть. Возможно и в этом причина, почему живопись воспринимается столь разнообразно. Кроме того, эмоции у нас разные, так, что даже если абсолютно одинаковые световые сигналы поступят в мозг, реакция людей на них может быть не одинаковой.
  Очевидно, что существуют два мира: абсолютный и относительный. Абсолютный — это бесчисленное число образующих атомы протонов, нейтронов и электронов, которые взаимодействуют с гравитационным и электромагнитным полями. Относительный мир — это отображение абсолютного мира в нашем сознании. Если бы человек был устроен по-другому, то этот относительный мир был бы иным. Но согласно теории эволюции, развитие жизни, в том числе и человека, есть процесс случайный. И если на других планетах, существуют живые существа, то механизм интерпретации окружающего мира у них может быть совсем другим, чем у нас. И весьма вероятно, что мы вообще не сможем общаться друг с другом.  

Трёхкомпонентная теория цветового зрения


  Свет попадает в сетчатку нашего глаза либо напрямую от источника излучения, либо предварительно отразившись от какого-то предмета. Днём мы видим всё в отражённом солнечном свете, причём в разных цветах. Но посмотрев на Солнце, увидим его прямое излучение, которое даёт ощущение белого цвета. Другой пример прямого источника света — дисплей компьютера.
  Солнечный свет — это поток фотонов, которые примерно за 8 минут пролетают путь от Солнца до Земли. Источником этого излучения являются атомы тех элементов, из которых состоит наше светило. Солнце по своей массе на 73% состоит из водорода, на 25% из гелия и на 2% из натрия, железа, кислорода, магния, кальция, углерода, азота, кремния, серы, никеля, хрома, неона. Испускаемые фотоны имеют совершенно разную энергию, и соответственно, частоту. Тот свет, который воспринимается сетчаткой наших глаз и создаёт изображения, состоит из фотонов с частотами, образующих видимый спектр. Мы не видим, но ощущаем свет и других диапазонов частоты: инфракрасного и ультрафиолетового.
  Хотя водород составляет три четверти массы Солнце, он не даёт весь цветовой спектр солнечного света. Солнечный спектр формируется как водородом, так и другими элементами, входящих в состав нашей звезды.
  Когда мы говорим о цвете, то выделяем две части: физическую и биологическую. Физика описывает поглощение квантов света. Биология же включает психофизику и физиологию. Психофизику интересуют наши чувства, которые отражают внешнюю информацию, а физиологию — работа нашей зрительной системы. О физике цвета известно уже достаточно много, но физиология находится всё ещё на сравнительно примитивном уровне, главным образом из-за того, что необходимые экспериментальные методы стали доступны лишь в последние десятилетия. Что касается психофизики, то здесь ещё мало как теории, так и эксперимента. В наше время достигнут существенный прогресс в изучении физики света и понимании того, каким образом свет в сетчатке глаза преобразуется в нервные сигналы, передаваемые в мозг. Тем не менее по-прежнему неясным остаётся вопрос о том, каким образом мозг их интерпретирует. Да и в целом, несмотря на использование самых передовых технологий, физиология цветовосприятия во многом остаётся непонятной.
  В 1665 году Исаак Ньютон обнаружил, что белый свет с помощью стеклянной призмы можно разложить на целый веер разноцветных лучей и что для каждого чистого цвета характерна своя степень преломления.
разложение света
В его опытах через круглое отверстие в ставне окна на стеклянную призму падал пучок солнечного света. Пучок преломлялся в призме, и на экран отбрасывалось удлинённое изображение с радужным чередованием цветов. Ньютон заключил из своих опытов, что белый свет – это смесь разнообразных лучей, преломляющихся в стекле призмы в разной степени. Призма не изменяет белого света, а разлагает его на простые составные части, смешав которые можно снова восстановить первоначальную белую окраску. Если выделить простой луч, например красный, из радужного веера призмы и пустить на вторую призму, то нового разложения не произойдет, следовательно, при первом разложении в призме действительно выделено что-то постоянное. Цветность этого постоянного простого цвета сама по себе, однако, снова ничего не говорит о природе света, она по-прежнему субъективна. Смешав, например, простой красный цвет с зелёным, получим жёлтый, похожий на один из простых лучей солнечного спектра. Глаз при этом не в состоянии отличить сложного цвета от простого, для этого нужна призма или вообще специальный спектральный прибор, пространственно разлагающий свет на простые цвета.
  Разложенный свет Ньютон назвал спектром от латинского слова «spectrum» - фантом, призрак. Полученный световой спектр Ньютон разделил на семь цветов по аналогии с музыкальным спектром. Он полагал, что подобно тому, как из семи нот можно получить все возможные мелодии, так и из семи цветов можно получить всю возможную цветовую палитру. Но разбиение на семь цветов всё-таки произвольное дело, с тем же успехом можно разбить и на шесть цветов или наоборот, на большее количество. В реальности чёткой границы между цветами нет, они плавно переходят друг в друга, как показано на рисунке.

  Частотные границы основных цветовых оттенков приведены в таблице. Это разбиение весьма распространено, но всё-таки оно субъективно - как определить, что такое красновато-жёлтый и где его граница с жёлтым?

Длина волны, частота и энергия фотонов видимого диапазона света
  длина волны, нм частота, ТГц энергия фотона, эВ
цвет от до от до от до
инфракрасный 780 1-2 мм 300 Гц 384 1,2*10-12 1,59
красный 620 780 384 484 1,59 2,00
желтовато-красный 600 620 484 500 2,00 2,07
красно-жёлтый (оранжевый) 590 600 500 508 2,07 2,10
красновато-жёлтый 580 590 508 517 2,10 2,14
жёлтый 570 580 517 526 2,14 2,18
жёлто-зелёный 550 570 526 545 2,18 2,25
зелёный 520 550 545 577 2,25 2,38
синевато-зелёный 500 520 577 600 2,38 2,48
сине-зелёный 485 500 600 618 2,48 2,56
зеленовато-синий 475 485 618 631 2,56 2,61
синий 470 475 631 638 2,61 2,64
красновато-синий 430 470 638 697 2,64 2,88
красно-синий 380 430 697 789 2,88 3,26
ультрафиолет 10 380 789 29976 3,26 124

  Впервые гипотезу о механизме цветового зрения высказал Михаил Ломоносов, который ещё в 1756 г. сформулировал трёхкомпонентную теорию восприятия цветов. Он обнаружил, что для придания стеклу любого цветового оттенка достаточно использовать всего три основные краски, смешивая их в определённых пропорциях.
  В 1801 г. Томас Юнг предположил, что в каждой точке сетчатки должны существовать по меньшей мере три «частицы» — крошечные структуры, чувствительные соответственно к красному, зелёному и фиолетовому. Юнгу было ясно, что трехкомпонентность цвета нельзя объяснить физическими свойствами самого света. Значит, она зависит от свойств глаза. Глаз имеет три приёмника с разной чувствительностью к разным областям спектра. Суммирование степени их возбуждения светом даёт ощущение того или иного цвета. То есть имеются только три вида приёмника световой энергии (сейчас их называют фоторецепторы или колбочки), воспринимающих три части видимого спектра. Юнг оттолкнулся от самоочевидного факта: сетчатка сообщает мозгу о форме и цвете предметов (представления о более высоких мозговых структурах и их роли тогда еще находились в самом зачатке), а любая часть изображения может быть окрашена в любой, вообще говоря, тон. Как же глаз ухитряется видеть все многообразие красок? Неужели на любом кусочке сетчатки находится бесчисленное множество элементов, призванных реагировать каждый на свой цвет? Однако такое бесконечное множество элементов невозможно представить, следовательно, число этих элементов должно быть минимальным.
смешивание цветов
Если Ньютон показал, что разные цвета можно получать смешением других цветов, то Юнг ввел понятие о трёх основных цветах и простым, изящным опытом показал, как их смешением можно получить другие цвета. Взяв три проекционных фонаря, он направил их свет на белый экран так, чтобы проекции кругов частично перекрывались. В три фонаря были вставлены светофильтры: зелёный, красный, синий. В середине картины перекрывались изображения всех трёх цветов и появлялся белый цвет. Перекрытие синего и зелёного давали голубой, зелёного и красного - жёлтый, красного и синего – пурпурный. Детально идеи Юнга развил Герман Гельмгольц, и трехкомпонентная теория Юнга-Гельмгольца утвердилась в науке о зрении.
  Экспериментальные подтверждения справедливости гипотезы о существовании трёх типов колбочек были получены лишь в середине XX века. Решающие эксперименты, прямо и недвусмысленно подтвердившие, наконец, идею Юнга о том, что цвет должен определяться мозаикой трёх видов детекторов в сетчатке, были проведены в 1959 году: учёные изучали под микроскопом способность отдельных колбочек поглощать свет с различной длиной волны и обнаружили три и только три типа колбочек. До этого использовались менее прямые методы, и за несколько столетий фактически пришли к такому же результату, доказав теорию Юнга о необходимости именно трёх типов колбочек и оценив их спектральную чувствительность. Применялись в основном психофизические методы: ученые выясняли, какие цветовые ощущения вызывают различные смеси монохроматических лучей, как влияет на цветовое зрение избирательное обесцвечивание рецепторов под действием монохроматического света, а также исследовали цветовую слепоту.
  Согласно трёхкомпонентной модели красный, зелёный и синий при сложении дают белый цвет, вернее ощущение белого цвета. Сразу же возникает вопрос о зелёном цвете. Мы с детства знаем, что если смешать жёлтый с синим, то получится как раз зелёный. Это действительно так: если физически добавить жёлтую краску к синей, цвет получившейся смеси с большой вероятностью будет близок к тому, что мы называем зелёным. Но, видя чистый зелёный тон, мы не можем сказать, будто он нам кажется смесью жёлтого с синим. В то же время пурпурный выглядит так, будто в нём содержится и синий и красный, а оранжевый воспринимается нами как смесь красного с жёлтым. То есть нет цвета, который казался бы нам смесью жёлтого с синим (зелёный не подходит — он выглядит так, будто в нём нет ни жёлтого, ни синего), как не существует и такого цвета, в котором мы видели бы оттенки одновременно красного и зелёного.
  Интересная история с пурпурным цветом. Это смесь в одинаковой пропорции красного и синего, но его нет в солнечном спектре, нет и на радуге, хотя после синего идёт фиолетовый. Но, с другой стороны, восприятие цвета как и его название — вещь субъективная. Фиолетовый, пурпурный, а также малиновый — всё это близкие цвета (пурпурный иногда называют фиолетово-красный).

синий Цвет, полученный смешением красного и синего в пропорции 1:2 Цвет, полученный смешением красного и синего в пропорции 1:1 Цвет, полученный смешением красного и синего в пропорции 2:1 красный
         

  Глаз способен различать около 180 цветовых тонов, из них 150 — относящихся к солнечному спектру и 30 оттенков пурпурного, который в этом спектре отсутствует. Но для каждого из этих тонов есть ещё отличия по яркости и насыщенности. По оценкам, человек может различать всего около 13 тысяч оттенков.
  Разнообразное действие света обусловливается в первую очередь энергией излучения, другими словами, световой энергией. Носителями такой энергии являются фотоны, то есть кванты света. Непосредственное восприятие света обусловлено действием световой энергии, поглощённой фоторецепторами сетчатки. Тот же эффект имеет место и в любом приёмнике, способном реагировать на свет, например, в светочувствительной матрице фотоаппарата или старой доброй фотоплёнке. Поэтому измерение света сводится к измерению энергии света или каких-либо других величин, с нею связанных. Чтобы измерить энергию света можно использовать плёнку, покрытую веществом, полностью поглощающую падающее на него излучение, например, сажей, и измерить поглощённую энергию по нагреванию плёнки. Однако в восприятии световой энергии исключительно важную роль играет глаз, и наряду с энергетической оценкой света пользуются оценкой, основанной на непосредственном поглощением света сетчаткой. Поэтому в световых измерениях используют две системы единиц: одна из них основана на измерении энергии света, другая — на оценке света по зрительному ощущению. Эти оценки сильно отличаются. Так, при одной и той же мощности излучения (то есть энергии в единицу времени) зрительное ощущение от лучей зелёного цвета будет примерно в 100 раз больше, чем от лучей красного или сине-фиолетового цвета, поскольку их спектральная чувствительность отличается как раз в это число раз.
Е,эВ 1,63 1,9 2,03 2,23 2,43 2,63 3,1 0,1 0,5 < 1,0
Спектральной световая эффективность для монохроматического излучения дневного зрения в зависимости от энергии фотонов Е. Эта величина характеризует чувствительность человеческого глаза к воздействию на него света какой-то одной частоты. Максимальная чувствительность принята за единицу. Эта зависимость является международным стандартом. Поскольку кривая относительной световой эффективности представляет собой кривую с ярко выраженным максимумом в точке, соответствующей зелёному цвету, то цвета по краям спектра (синие и красные) воспринимаются нами менее яркими, чем цвета, занимающие центральное положение в спектре (зелёный, жёлтый, голубой).

  Саму по себе чувствительность глаза можно оценить по величине наименьшей энергии света в данной части спектра, при которой для глаза исчезает светоощущение. Определив чувствительность для какой-то длины волны, можно сделать это и для других длин волн: управляя интенсивностью излучения, нужно уравнять яркости двух монохроматических (то есть имеющих одну частоту) световых потоков, измерив при этом их мощности. Например, чтобы уравнять по яркости восприятия излучения с длиной волны 555 нм мощностью один ватт нужно использовать двухватное излучения с длиной волны 512 нм. То есть, наша зрительная система вдвое чувствительнее к первому излучению. Величину чувствительности обычно оценивают по зависимости спектральной световой эффективности (то есть относительной чувствительности зрительной системы человека) от длины волны света. Мы приводим эту величину в зависимости от энергии фотонов света, поскольку именно перенос энергии определяет квантовые аспекты формирования образа цвета в нашем сознании. Из рисунка видно, что чувствительность имеет резко выраженный максимум при энергии 2,23 эВ, что соответствует зелёному цвету с длиной волны 555 нм. Если эту чувствительность принять за единицу, то для голубого цвета с энергией 2,63 эВ (472 нм) и оранжево-красного с энергий 1,9 эВ (652 нм) она составит всего лишь 0,1. Для сине-фиолетового (2,88 эВ; 430 нм) и красного (1,84 эВ; 675 нм) она и вовсе равна 0,01.
  Почему наше зрение так резко отличается в чувствительности к зелёному цвету по сравнению с красным? Первое, что приходит в голову, что число зелёных колбочек существенно больше, чем других. Видимо, это так. При изготовлении светочувствительных матриц для фотоаппаратов число зелёных светочувствительных элементов удваивают. А поскольку искусственно создаваемые изображения достаточно точно соответствуют тем, что видит глаз, то это служит основанием предполагать, что и в сетчатке число зелёных колбочек больше остальных.
  Энергия светового потока равна энергии одного фотона, умноженная на их число. Если энергии потоков красных и зелёных фотонов равны, то взяв энергии зелёного и красного фотонов (2,23 и 1,84 эВ) получим, что число красных фотонов должно быть в 1,2 раза больше числа зелёных фотонов. Каждый фотон возбуждает только одну колбочку. Следовательно, при одинаковой мощности красного и зелёного потока лучей число возбуждённых красных колбочек должно быть больше, и, соответственно, яркость красного цвета выше. Но в действительности всё наоборот: разница в 100 раз в пользу зелёного цвета. Это можно было бы объяснить тем, что число зелёных колбочек в 83 раза больше, чем красных, но таких свидетельств нет. Другим объяснением может быть существенно меньшая вероятность поглощения красными колбочками. Тогда причина должна быть в разном строении белков, ответственных за механизм поглощения. Но, возможно, причина находится в самой процедуре формирования ощущения цвета в нашем сознании. Ведь изначально равные по мощности потоки лучей красного и зелёного цветов отличаются в 100 раз именно в нашем восприятии.
  Когда фотон попадает в колбочку, в ней возникает фотохимическая реакция, вследствие чего появляется электрический сигнал. Этот сигнал передаётся не сразу в мозг, а поступает в специальные клетки, называемые ганглиозными, которые собирают информацию со всех возбуждённых колбочек. Если всего колбочек около 6 миллионов, то ганглиозных клеток — около миллиона. Затем обработанный сигнал по зрительному нерву передаётся в мозг. Где может накапливаться столь большая разница между падающим потоком света и его восприятием в нашем сознании?
  Не все фотоны вызывают фотохимическую реакцию. Во-первых, существует некоторая вероятность поглощения фотона самой колбочкой. Эта вероятность может отличаться для разных видов колбочек. Во-вторых, существует вероятность для самого фотохимического процесса. Эта вероятность называется квантовым выходом и определяется как отношение числа актов фотопроцесса к числу актов оптического возбуждения. Таким образом, не все фотоны, даже имеющие подходящую энергию, будут поглощены. И не все поглощённые фотоны вызовут фотохимическую реакцию. Воздействие фотона на сетчатку заключается лишь в её возбуждении. Но надо понимать, что представление света в виде волн или частиц это всего лишь математические модели, опирающиеся на известные и видимые нам явления. Ни фотонов, ни световых волн никто не видел. Мы научились описывать этот невидимый мир, понимать его законы и создавать своё представление о нём. Свет — это поток квантов (то есть порций) энергии. Сетчатка реагирует, строго говоря, не на волны или частицы, а на кванты энергии. Наличие трёх типов фоторецепторов в сетчатке говорит о том, что атомы, её составляющие, поглощают энергию только из трёх узких диапазонов. После поглощения они переходят в возбуждённое состояние и запускают фотохимическую реакцию. В этом и заключается всё действие света. Вся остальная обработка происходит в сетчатке и головном мозге. Из всего огромного значения энергии солнечного спектра мы выбираем три узких диапазона и на их основании сами формируем цветную картинку.
Е,эВ 2,16 2,30 2,83 0 0,25 0,5 0,75 1,0
Чувствительность к свету красной, зелёной и синей колбочек в зависимости от энергии фотонов света. Максимальная чувствительность для каждой колбочки принята за единицу.
Причём поглощение энергии имеет ярко выраженный вероятностный характер. Это видно на рисунке, изображающем графики чувствительности каждого типа колбочек в зависимости от энергии фотонов света. Мы видим, что при определённых значениях энергии чувствительность колбочек достигает максимума. Эти кривые начерчены так, что максимум соответствует 100%-чувствительности для каждой колбочки. Сами кривые называются спектральной чувствительностью, и они определяет вероятность поглощения фотона конкретной колбочкой: если фоторецептор на 30% чувствителен при некоторых значениях энергии, то около 30 из 100 фотонов будут поглощены.
  Пигменты колбочек имеют пики поглощения при определённых значениях квантов света. То есть колбочки наиболее чувствительны к свету с этими значениями энергии, однако их возможность подстраиваться достаточно широка, в результате чего каждый из видов колбочек реагирует на свет на протяжении большей части видимого спектра. Три типа колбочек имеют широкие зоны чувствительности со значительным перекрыванием, особенно для красных и зелёных колбочек. Красная, например, реагирует не только на красный цвет; просто она лишь реагирует на него лучше других колбочек.
  Мы уже говорили, что спектральные зависимости определяют вероятность поглощения света колбочками. Сама по себе вероятность приводит к тому, что разные люди по-разному будут реагировать на свет, попадающий в сетчатку глаза. А поскольку выше мы уже отмечали, что процесс рассеяния света и, соответственно, количество отражённых фотонов, также имеет вероятностный характер, то мы получаем несомненный разброс в количестве поглощённых сетчаткой фотонов по сравнению с их числом, падающих на предмет. Одно это уже предопределяет различие в восприятии цвета разными людьми, ведь количество поглощённых фотонов определяет интенсивность цвета, то есть его яркость. Но дело не только в этом. Все наши ощущения есть не что иное, как результат смешивания в различных пропорциях сигналов от трёх колбочек. Например, при одинаковом возбуждении красных и зелёных колбочек возникает иллюзия жёлтого цвета. Но вероятность приводит к тому, что это равенство немного колеблется и ощущаемый цвет смещается либо в сторону красно-жёлтого, либо в сторону жёлто-зелёного.
  Таким образом, колбочки являются своего рода фильтром, который из потока падающего света выбирает фотоны только вполне определённой энергии. Что происходит дальше? Возникают электрические сигналы, которые частично обрабатываются уже в сетчатке, а затем передаются по зрительному нерву в мозг.
  Чтобы иметь цветовое зрение, подобное нашему, необходимо и достаточно иметь фоторецепторы трёх типов. Зрение человека, да и других земных существ устроено так, что мы анализируем не весь спектр света, а всего несколько участков, но этого оказывается достаточным, чтобы различать различные поверхности, важные для выживания. У нас не миллион разных фоторецепторов для всех возможных частот света, а всего три, и они «берут пробы» только из трёх различных участков частотного спектра. И именно особенности этих фоторецепторов определяют то, что мы не видим в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Но сопоставляя реакцию фоторецепторов всего лишь трёх типов друг с другом, мы способны замечать разницу между теми поверхностями, которые для нас жизненно важны.
  Таким образом, все видимые нами цвета получаются в результате возбуждения фотонами трёх разных колбочек: одни реагируют на фотоны, имеющие частоту, соответствующую красному цвету, другие — зелёному, третьи — синему.
Е,эВ возбудимость, усл. ед.
Возбудимость колбочек в зависимости от энергии фотонов света. Оранжевый цвет возникает, когда красных колбочек возбуждается в два раза больше, чем зелёных. Ощущение жёлтого возникает при одинаковом возбуждении красной и зелёной колбочек. Голубой цвет возникает при одинаковом возбуждении зелёной и синей колбочек. Из-за того, что кривые спектральной чувствительности частично перекрываются, человек может сталкиваться с определенными сложностями при различении некоторых чистых цветов. Так, из-за того что кривая спектральной чувствительности колбочек, чувствительных к красной части спектра, сохраняет некоторую чувствительность в области сине-фиолетовых цветов, нам кажется, что синие и фиолетовые цвета имеют примесь красного.
Жёлтый цвет получается при одновременном возбуждении красных и зелёных колбочек. Когда мы пропускаем электрический ток через пары натрия, его атомы испускают фотоны с энергией 2,1 эВ (это соответствует длине волны 590 нм). Когда это излучение попадает в наш глаз, мы видим жёлтый цвет. Следовательно фотоны натрия должны возбуждать как красные, так и зелёные колбочки. Мы вынуждены предположить, что главное отличие колбочек друг от друга — различающаяся вероятность поглощения фотонов с определённой энергией. Для энергии 2,1 эВ эти вероятности для красной и зелёной колбочек должны быть примерно равны, и электрон с равной вероятностью может быть поглощён как красной, так и зелёной колбочками. Но при такой энергии фотона чувствительность красной колбочки равна 0,89, а зелёной — 0,43. То есть в два раза меньше и чтобы уравнять вероятности, мы должны предположить, что число зелёных колбочек в два раза больше, чем красных. Когда мы говорим о вероятности поглощения, то понимаем, что более точно говорить о вероятности возникновения фотохимической реакции, поскольку сам по себе процесс поглощения фотона определённой углеродной цепочкой фоторецептора не обязательно приводит к началу фотохимического процесса.
  Неон широко применяется в световой рекламе. Если в стеклянную трубку поместить этот газ, и пропустить через него электрический ток, то увидим яркое красно-оранжевое свечение. Обычно это объясняют тем, что в спектре испускания неона присутствует яркая красная линия с длиной волны 638 нм и энергией фотона 1,94 эВ и кроме того, там есть ещё яркая оранжевая линия с длиной волны 622 нм. Но известно, что оранжевый возникает при возбуждении красной и зелёной колбочек, следовательно, неон должен испускать фотоны с энергией, при которой возбуждаются зелёные колбочки. Это действительно так и в спектре видна яркая линия зелёного цвета с длиной волны 540 нм и энергией 2,3 эВ.
  Одним из стандартов цвета, применяемых, в колориметрия (это - наука о цвете и измерении цвета) является излучение ртутной лампы с длиной волны 546,1 нм и энергией 2,27 эВ. Это линия зелёного цвета. Но что удивительно, при этой энергии и красная и зелёные колбочки имеют почти максимальную чувствительность к свету: 0,96 и 0,98 соответственно. Почему же мы видим зелёный цвет, а не смесь красного и зелёного — какой-нибудь оттенок жёлтого или оранжевого? Дело, видимо в том, что сами по себе колбочки не единственный фактор, создающий цветовой образ в нашем сознании. Электрические сигналы, формирующиеся в результате фотохимических реакций в колбочках, попадают в ганглиозные клетки, где эти сигналы обрабатываются способом, пока ещё неясным до конца. На данном этапе важно, какая колбочка было возбуждена, энергия фотона уже не играет никакой роли. В ганглиозных клетках собирается информация о количестве возбуждённых колбочек каждого типа и их соотношению между собой. Затем сигнал по зрительному нерву передаётся в мозг, и пока нет достаточных оснований утверждать, что если в ганглиозную клетку пришли данные об одинаковом количестве возбуждённых красных и зелёных колбочках, то такая же информация передаётся в наше сознание.
  Чувствительность или возбудимость колбочек имеет вероятностный характер. Каждая такая зависимость имеет максимум, но в широком диапазоне энергий кривые перекрываются. Следовательно, фотон, например, скорее всего поглотится синей колбочкой, но хоть и с меньшей вероятностью может поглотиться и другими колбочками. Таким образом, фотон, когда он попадает в сетчатку, характеризуется тремя возможными состояниями, соответствующему поглощению каждой из колбочек. Соответственно, состояние фотона есть суперпозиция этих трёх состояний, то есть фотон может быть поглощён любой колбочкой.  

Создание цветного изображения. Аддитивная модель


  В настоящее время человек научился создавать изображения очень похожие на те, что видит наш глаз. Это можно сделать на электронных устройствах, которые обычно называются дисплеями: это мониторы компьютеров, экраны мобильных телефонов, телевизоры.
  Для искусственного создания цветового изображения используется аддитивная модель. Её название произошло от латинского additivus, что означает — прибавляемый. Поскольку предполагается, что все оттенки получаются смешением основных тонов: красного — Red, зелёного — Green и синего — Blue, то аддитивная модель называется RGB – моделью. За основу взята трёхкомпонентная модель цветового зрения. Цветные изображения на электронных устройствах создаются с помощью этой модели
  Следует отметить, что это — не модель смешения цветов, а модель получения цвета путём возбуждения трёх определённых источников. Это устройства, которые испускают фотоны определённой энергии, которые, в свою очередь, воздействуют на колбочки и возбуждают их.
Жорж-Пьер Сёра Сена в Курбевуа
Картина Ж.-П. Сёра "Сена в Курбевуа". Нарисована в стиле пуантилизм.

  Художники иногда используют аддитивный метод смешения цветов прямо на холсте. Пуантилизм (от французского pointiller - писать точками) или дивизионизм (от division - разделение) — живописная техника, использованная некоторыми французскими постимпрессионистами (прежде всего Ж.-П. Сёра и П. Синьяком), — не предполагает предварительного смешения красок. Художник наносит на холст разноцветные точки, располагая их рядом. В отличие от импрессионизма в картинах пуантилистов использовались чистые, не смешиваемые на палитре краски, наносимые мелкими мазками прямоугольной или круглой формы. Оптическое смешивание трёх чистых основных цветов и пар дополнительных цветов (красный - зелёный, синий - оранжевый, жёлтый - фиолетовый) зачастую воспринимается ярче, чем механическая смесь пигментов. Смешение цветов с образованием оттенков происходит на этапе восприятия картины зрителем с дальнего расстояния или в уменьшенном виде. Когда смотришь на такую картину с определенного расстояния, отдельные точки как таковые не видны, а цвета воспринимаются как аддитивные смеси.
  Возможно, самым известным примером аддитивного смешения цветов является цветное телевидение. Экран обычного цветного телевизора — мозаика близко расположенных друг к другу точек всего лишь трёх цветов — как правило, красного, зелёного и синего. Цветное изображение возникает на экране благодаря тому, что у каждой точки своя цветовая интенсивность. Поскольку эти точки очень малы, их невозможно рассмотреть с того расстояния, с которого принято смотреть телевизор. Именно поэтому мозаика разноцветных точек, образующих аддитивную смесь, воспринимается как единое целое, а их совместное воздействие вызывает определенное цветоощущение.
  Поскольку все цвета в сумме дают белый цвет, а каждый цвет можно получить комбинацией красного, зелёного и синего, то естественно предположить, что красный, зелёный и синий цвета в сумме дают белый цвет (строго говоря, белый цвет — это недостижимый идеал, реально мы видим серый цвет как белый пониженной яркости). В основе аддитивной модели лежит алгебраическое уравнение. Если конкретный цвет обозначит заглавной буквой Ц, то получим:

Ц = сr×R + cg×G + cb×B

  Латинские буквы R,G и B обозначают максимальную интенсивность (соответственно, яркость) красного, зелёного и синего возбуждений. Это могут быть колбочки сетчатки или фотоэлементы матрицы дисплея. Латинскими буквами «с» обозначены доли каждого цвета и эти коэффициенты меняются от нуля до единицы. Вот несколько примеров:
Жёлтый = 1×R + 1×G
Голубой = 1×G + 1×B
Оранжевый = 1×R + 0,5×G
Серый = 0,5×R + 0,5×G + 0,5×B
  Значения коэффициентов подбираются экспериментально и затем обрабатываются математически. Практика показывает, что изображения, полученные на дисплеях с использованием аддитивной RGB-модели с очень хорошей точностью соответствует тем, которые видит наш глаз.
  В языках программирования, текстовых и графических редакторах цвет задаётся в виде трёх чисел, например: 127,191,255. Первое число относится к красному цвету, второе — к зелёному, третье — к синему. Каждое число характеризует интенсивность. 255 обозначает максимальную интенсивность. Приближённо это есть модель получения цвета от суммы возбуждений красной, зелёной и синий колбочек сетчатки глаза. Каждое число может меняться от 0 до 255. Этот диапазон число условный. Логичнее было бы взять от 0 до 100, где 100 соответствовало бы максимальному возбуждению колбочки (то есть максимальной интенсивности). Но в силу технических причин для представления информации в вычислительных устройствах был выбран диапазон 0-255, то есть всего 256 значений.
  Причины такого выбора определяются особенностью работы компьютеров. Память этих устройства работает в так называемом двоичном режиме, то есть с величинами, которые могут принимать только два возможных значения: 1 или 0, другими словами: включено или выключено. Устройство, которое в любой момент времени может быть только в одном из двух возможных состояниях, называется двоичным индикатором. Например, электрическая лампа может быть либо включена, либо выключена. Электронное устройство либо проводит, либо не проводит ток. Перфокарта или перфолента либо имеют, либо не имеют пробивки (в старых вычислительных машинах). В квантовых компьютерах таким устройством может быть электрон. Известно, что элементарные частицы характеризуются спином: в грубом приближении это вращение вокруг собственной оси, подобно Земле, из-за вращения которой день сменяется ночью. Вращение по часовой стрелке может быть описано как значение 1, вращение против часовой стрелки как 0. Атом, облучаемый фотонами, тоже может быть двоичным индикатором. Например, невозбуждённое состояние означает 0, возбуждённое — 1. Во время перехода из одного состояния в другое атом описывается суперпозицией этих состояний, что означает, что он может находится в обоих состояниях, то есть иметь значения и 0 и 1 одновременно.
  В перфолентах и перфокартах двоичным индикатором были отверстия. При движении, скажем, перфоленты мимо зажжённой лампы свет либо проходил сквозь отверстие и попадал на фотоэлемент, генерирующий ток, либо не проходил, если отверстия не было.
  А вот женщина, например, на может быть двоичным индикатором в силу своих особенностей. Она постоянно находится в суперпозиции одновременно двух состояний: ДА и НЕТ.
  В вычислительных машинах вычисления проводятся в двоичной системе счисления, поскольку легко сделать устройство, которое имеет только два состояния, например: включено-выключено, свет прошёл или нет, ток течёт влево или вправо, магнитное поле направлено по часовой стрелке или против неё, электрон имеет значение спина +½ или -½.
  Чтобы представить целое десятичное число с помощью двоичных индикаторов, мы должны использовать несколько таких индикаторов на каждую цифру. Возьмём, скажем, 4 индикатора. Пусть это будет электрическая лампа. Если свет включён — это значение 1, если выключен — значение 0. В таком случае говорят, что каждая лампа представляет одну двоичную цифру или один двоичный разряд или один бит. С помощью четырёх ламп или четырёх других индикаторов, каждый из которых может принимать значения 1 либо 0, можно представить числа от 0 до 15 включительно. Здесь применяется двоичная система счисления. Суть её легко понять по аналогии с десятичной системой. Возьмём число 256. Его можно записать как 2×102+5×101+6×100. В соответствии со степенями десяти имеем разряды. В нулевом разряде имеем 6, в первом разряде — 5, во втором разряде — 2. Аналогично строим двоичную систему, только в основании будет не десять и его степени, а два и его степени. В десятичной системе мы используем цифры от 0 до 9, в двоичной — только 0 и 1. Запишем, например, девять как: 9=8+1=1×23+0×22+0×21+1×20. Тогда это число в двоичной системе имеет вид: 1001.
  Память машины организовано по следующему принципу. Допустим, нам нужно запомнить число 9 с помощью двоичных индикаторов, которыми в нашем примере будут электрические лампы. Мы заложим в устройство машины, что первая лампа соответствует нулевому разряду, вторая — первому, третья — второму, четвёртая — третьему. Если посмотреть на приведённое выше разложение числа 9, то ясно, что первая и четвёртая лампы должны быть включены, а вторая и третья — выключены. Теперь достаточно проверить, в каком состоянии: включено или выключено находится каждая лампа и можно определить, какое число хранит эта ячейка памяти (в современных вычислительных машинах используются не лампы, а более надёжные устройства). Максимальное значение числа, которое можно записать с помощью четырёх ламп определяется состоянием, когда все лампы будут включены. В двоичной системе это обозначается как 1111. Если перевести в десятичную систему, то получим: 1×20+1×21+1×22+1×23 = 1+2+4+8=15. Это максимальное число. Минимальное получим, когда все лампы будут выключены: 0000, что в десятичной системе равно нулю. Таким образом 4 бита позволяют закодировать в памяти компьютера всего 24=15+1=16 чисел.
  Минимальная единица информации, которую обычно обрабатывает вычислительное устройство, называется байтом. Он состоит из 8 битов (в нашем примере это было бы 8 ламп). С помощью восьми битов можно представить 28 = 256 различных чисел используя только одну ячейку памяти. Восемь битов могут представлять восемь двоичных цифр, или, что эквивалентно, две шестнадцатеричные цифры. Код каждого символа наиболее просто и удобно для человека представляется в виде двух шестнадцатеричных цифр. Смысл шестнадцатеричной системы счисления легко понять, сопоставив её с десятичной. Возьмём число 51. Его можно записать как 51 = 5×101+1×100. Здесь основанием системы служит число 10. А если за основание взять число 16, получим шестнадцатеричную систему счисления. В этой системе 51 будет записано как 3×161+3×100=33 Для такой системы, правда, не хватает цифр. Поэтому в ней кроме цифр 0-9 используются ещё и символы A, B, C, D, E, F:
Таблица соответствия десятичных, двоичных и шестнадцатеричных чисел
десятичное число 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
двоичное число 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0101 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
шестнадцатеричное число 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

  Допустим, в шестнадцатеричной системе число записано как FF. Его легко перевести в десятичное: FF = 15×161+15×160 = 240+15 = 255. То есть FF соответствует 255 в десятичной системе счисления. 99 в шестнадцатеричной системе переводится в десятичную аналогично: 99 = 9×161+9×160 = 144+9 = 153. То есть 99 в шестнадцатеричной системе соответствует 153 в десятичной. Оранжевый цвет в RGB-модели можно записать как (255,153,0) при использовании десятичных цифр и #FF9900 в шестнадцатеричной. Во втором случае обязательно вначале идёт символ #, затем без пробелов по две цифры, относящиеся к красному, зелёному и синему цветам, в сумме всего шесть шестнадцатеричных цифр или три шестнадцатеричных числа.
  Мы отсчёт начинаем не от единицы, а от нуля, поэтому 256 вариантов записываются в диапазоне 0-255. Всего в RGB-модели можно получить 256×256×256=16 777 216 оттенков.
  Таким образом, яркость каждой из трёх составляющих цвета выражается целым числом. Нулевые значения соответствуют минимальной яркости, максимальной яркости соответствует число 255. Соответственно, чёрный цвет обозначается 0,0,0; белый цвет — 255,255,255.
  Когда мы задаём цвет в виде трёх чисел, то соответствующая программа (текстовый или графический редакторы, транслятор языка программирования) передаёт операционной системе некоторую команду. Операционная система создаёт другую команду и передают её устройству вывода информации на дисплей. А оно уже генерирует излучение нужной частоты и интенсивности в фотоэлементах, составляющих дисплей.  

Безопасная палитра цветов


  Термин безопасная палитра чаще всего используют при программировании сайтов. Цвета на дисплее создаются смешиванием трёх основных тонов: красного, зелёного и синего. Но все дисплеи имеют разные характеристики, технологию и цветовую передачу, так что выводимые цвета могут несколько отличаться. Кроме того браузеры — программы, с помощью которых просматривают страницы в Интернете, также могут по-разному выводить цвета на экран. Поэтому при создании сайтов часто используется ограниченная цветовая палитра из определённых оттенков так называемых безопасных цветов, которые на любых дисплеях и при использовании разных браузеров выглядят одинаково. В связи с этим было принято следующее решение. Все наиболее популярные программы для просмотра интернет-страниц (браузеры) заранее настроены на некоторую одну фиксированную палитру цветов. Если разработчик сайта при создании иллюстраций будет применять только эту палитру, то он может быть уверен, что пользователи всего мира увидят рисунок правильно. Координаты этих цветов в аддитивной RGB-модели определяются следующим образом: 255 делится на 5, получаем 51. Выбираются 6 чисел: 0,51,102,153,204,255. Всевозможные комбинации этих чисел и составляют безопасную палитру, которая состоит из 6×6×6 = 216 цветов.
Десятичные и шестнадцатеричные числа для задания безопасных цветов
десятичное число 0 51 102 153 204 255
шестнадцатеричное число 0 33 66 99 CC FF

Очень светлый зелёный цвет в качестве цвета страницы в HTML - языке разметки интернет-страниц будет записан при использовании десятичной системы как background-color:rgb(204,255,204) и background-color:#CCFFCC в шестнадцатеричной системе. В нижеприведённых таблицах приведено изменение яркости красного, жёлтого, зелёного и синего цветов. Мы взяли ¾, ½ и ¼ максимальной яркости. Здесь же приведены и безопасные цвета, которые соответствуют 80%, 60%, 40% и 20% максимального значения яркости. Видно, что, например, цвет яркости 50% и 60% (безопасный цвет) отличаются незначительно.
Изменение яркости основных цветов
процент яркости красный цвет код цвета жёлтый цвет код цвета зелёный цвет код цвета синий цвет код цвета  
80% 204,0,0 204,204,0 0,204,0 0,0,204 безопасный цвет
75% 191,0,0 191,191,0 0,191,0 0,0,191
60% 153,0,0 153,153,0 0,153,0 0,0,153 безопасный цвет
50% 127,0,0 127,127,0 0,127,0 0,0,127
40% 102,0,0 102,102,0 0,102,0 0,0,102 безопасный цвет
25% 63,0,0 63,63,0 0,63,0 0,0,63
20% 51,0,0 51,51,0 0,51,0 0,0,51 безопасный цвет

  В большинстве случаев набора цветов из безопасной палитры вполне достаточно для хорошего цветового оформления. Да и чисто психологически легче выбрать что-либо из 216 оттенков, чем из 16 миллионов. Существует традиция, что коды цветов задаются в шестнадцатеричной системе. Никакой принципиальной обязанности использовать эту систему счисления нет, а её обозначения для большинства людей выглядят, как китайская грамота. Гораздо понятнее записывать код цвета тремя десятичными цифрами. Если вы хотите уменьшить или увеличить долю, скажем, красного цвета, то уменьшаете или увеличиваете первое число. В случае зелёного цвета делаете то же самое со вторым числом, а для синего используете третье.
  Использую десятичные числа гораздо проще понять принципы изменения цвета. Рассмотрим простой пример. Безопасные цвета кодируются с шагом 51, то есть выбираются из значений: 0,51,102,153,204,255. Белый цвет обозначается как 255,255,255. Теперь будем менять каждый из трёх цветов на один шаг, то есть на 51. Уменьшим синий цвет, получим светло-жёлтый с кодом 255,255,204. Далее уменьшим зелёный, получим светло-красный, обозначенный как 255,204,204. Теперь увеличим синий, получим светло-пурпурный 255,204,255. Затем уменьшим красный, получим светло-синий 204,204,255. Далее увеличим зелёный, получим светло-голубой 204,255,255. Теперь уменьшим синий, получим светло-зелёный 204,255,204.
Последовательность получения разных цветов
светло-жёлтый светло-красный светло-пурпурный светло-синий светло-голубой светло-зелёный
в белом уменьшаем синий уменьшаем зелёный увеличиваем синий уменьшаем красный увеличиваем зелёный уменьшаем синий
255,255,204 255,204,204 255,204,255 204,204,255 204,255,255 204,255,204
 

Характеристики цвета. Тон, насыщенность, яркость


  Цвет характеризуется тремя параметрами: тоном, насыщенностью и яркостью. Тон определяет название цвета: «красный», «синий», «зелёный», «жёлтый». Цветовой тон — это психофизический параметр, ему соответствует физический параметр длина волны или частота света.
  В соответствии с трёхкомпонентной теорией восприятия цветов, практически любой цвет может быть получен при смешении в определённой пропорции окрашенного света трёх цветов. Эти цвета получили название основных поскольку их нельзя разложить на составляющие цветовые компоненты. За весьма немногими исключениями, смешением основных цветов в разных соотношениях может быть получено большинство спектральных цветов, в том числе и белый (исключение составляют так называемые металлические цвета: серебряный, золотой и медный).
Основные тоны Основные тоны и оттенки первого порядка Основные тоны и оттенки первого и второго порядков

  Из основных трёх тонов мы можем получить огромное количество оттенков. Следует сказать пару слов о терминологии. Тоном мы будем называть только основные тоны: красный, зелёный, синий. То, что получается при их смешивании, называем оттенками. Относительно названия оттенков есть некоторая путаница. Кроме традиционно русских названий вместе с компьютерной терминологией пришли и английские, иногда от наших отличающиеся. Например, у нас основной цвет — синий, а голубой — это светло-синий. У англичан Blue – это основной, голубой, а синий — это уже тёмно-голубой. В одной из систем воспроизведения цвета есть цвет Cyan, который переводится то как голубой, то как циан, хотя этот цвет - смесь зелёного и синего, часто называется цветом морской волны, а иногда — бирюзовым. Огромное количество цветов, которое можно получить на экране монитора ещё больше запутало ситуацию, поскольку для каждого цвета нужно было придумать какое-либо название. Даже для обычных цветов придумывают новые обозначения, например, зелёный называют «лайм».
  От смешивания основных тонов мы получим оттенки первого порядка:

красный + зелёный = жёлтый
красный + синий = пурпурный
зелёный + синий = голубой

  В солнечном спектре присутствует, также, оранжевый, который является смесью красного и жёлтого: оранжевый=красный+жёлтый=красный+красный+зелёный. Таким образом, оранжевый — это смесь красного и зелёного в соотношении 2:1.
  Тон и оттенки получаются при смешении двух из трёх основных цветов: красного, зелёного и синего. Иногда встречаются утверждения, что человеческий глаз в состоянии различить более 10 миллионов оттенков, что не совсем верно. Этих оттенков в природе не существует — они создаются только в нашем сознании.
  Цвет характеризуется кроме цветового тона ещё яркостью и насыщенностью. Яркость связана с количеством фотонов, попадающих в глаз, то есть с интенсивностью света. Насыщенность — это то, насколько сочным выглядит тот или иной оттенок. Рассмотрим это на примере красного цвета. Его яркость меняется от нуля до некоторого максимального значения. Затем мы добавляем к красному в равных значениях зелёный и синий, насыщенность красного падает и, в итоге, получаем белый цвет. Для аддитивной RGB–модели получаем следующие значения яркости и насыщенности красного:
Изменение яркости и интенсивности красного тона
цвет оттенок красного красный зелёный синий Обозначение цвета
чёрный 0 0 0 0,0,0
0,2 0 0 51,0,0
0,4 0 0 102,0,0
тёмно-красный 0,6 0 0 153,0,0
0,8 0 0 204,0,0
красный 1 0 0 255,0,0
1 0,2 0,2 255,51,51
1 0,4 0,4 255,101,102
светло-красный 1 0,6 0,6 255,153,153
1 0,8 0.8 255,204,204
белый 1 1 1 255,255,255


  Красный в половину яркости логично назвать тёмно-красным, поскольку он лежит между чёрным и красным. А оттенок красного, лежащий между собственно красным и белым естественно назвать светло-красным. Таким образом, яркость относится к чистому тону, а насыщенность — к добавлению к нему какого-либо другого тона.
  Если оставить тон и насыщенность неизменным и менять только яркость, это будет восприниматься как переход от одного цвета к другому. Например, серый цвет при варьировании яркости претерпевает качественные изменения: если существенно повысить или понизить яркость, то он превратится соответственно в белый или чёрный. Другой пример — синий цвет, который при уменьшении яркости меняется от собственно синего до чёрного. То же самое будет и с красным и зелёными цветами. Изменение яркости цвета фактически даёт новый цвет.
Разная яркость основных тонов и полутонов
красный жёлтый зелёный синий оранжевый салатовый голубой пурпурный
100% яркости
80% яркости
60% яркости
40% яркости


  В аддитивной RGB-модели яркость имеет 255 степеней градации.  

Получение цветного изображения на бумаге. Субтрактивный синтез


  Аддитивная модель описывает, как создаётся цветное изображение путём смешивания трёх основных тонов: красного, зелёного и синего. Естественно, возникает вопрос: как сделать, чтобы эти три цвета попадали в глаза при отражении от тех или иных предметов? Как получить цветное изображение на бумаге, например фотографию?
  Для этого нужно добиться, чтобы от предмета отражался только конкретный цвет (то есть фотоны с определённой частотой). Это произойдёт, если все остальные цвета будут поглощены. Другими словами нам нужно из белого света вычесть все ненужные цвета. Такой процесс называется субтрактивным синтезом. При аддитивном синтезе мы получаем новый цвет путём сложения (смешивания) других цветов, а при субтрактивном — путём вычитания.
  Для того, чтобы получить цветное изображение, на белый лист наносятся особые краски. Те цвета, которые этими красками не будут поглощены, отразятся от бумаги и попадут в наш глаз. Для подбора таких красок используется так называемая субтрактивная модель, которая вытекает из аддитивной. В аддитивной модели справедливо следующее соотношение для смешивания цвета: белый = красный + зелёный + синий.
Белый цвет может быть получен тремя комбинациями смешения цветов:
белый = (красный + зелёный) + синий = жёлтый + синий
белый = красный + (зелёный + синий) = красный + голубой
белый = (красный + синий) + зелёный = пурпурный + зелёный

  Красный, зелёный и синий называются основными тонами. Жёлтый цвет называется дополнительным к синему, голубой — к красному, пурпурный — к зелёному. Основной тон, смешиваясь со своим дополнительным, даёт белый цвет. В аддитивной модели мы три цвета смешиваем, чтобы получить белый. Это — сложение цветов. А в субтрактивной модели наоборот: чтобы получить какой-то цвет из белого удаляют два других.
  Если мы поставим на пути белого света фильтр, который поглотит синий цвет, то далее пройдут только красный и зелёный. Они попадут в глаз и при смешивании создадут в нашем сознании ощущение жёлтого цвета. Таким образом, сам фильтр, из которого выходят красный и зелёный цвета, будет для нас выглядеть тоже жёлтым. Следовательно, мы можем установить, что жёлтая краска, действующая как фильтр, поглощает синий цвет и пропускает красный и зелёный. По аналогии естественно считать, что голубая краска поглощает красный цвет (к которому красный является дополнительным), а пурпурная — зелёный. Фактически, мы искусственно создаём изображение.
Белая бумага Белая бумага Белая бумага Белая бумага Белая бумага Белая бумага Получение жёлтого цвета Получение зелёного цвета Получение голубого цвета Получение синего цвета Получение пурпурного цвета Получение красного цвета
  Какие бы частоты не содержал отражённый от бумаги свет, наше зрение будет реагировать только на фотоны с частотой, соответствующей красному, зелёному и синему цветам. Если мы хотим получить жёлтый отражённый цвет, то наносим жёлтую краску. Она поглощает синий цвет. Красный и зелёный отражаются от бумаги, попадают в сетчатку, и от возбуждения красной и синей колбочек в нашем сознании возникнет жёлтый цвет.
  Если мы хотим получить картинку зелёного цвета, то на белую бумагу наносим жёлтую краску. Она поглощает в отражённом от бумаги свете синий цвет и пропускает красный и зелёный. Нанесённая на поверхность жёлтой голубая краска поглотит красный цвет и пропустит зелёный, который мы и увидим. Теперь понятно, почему при смешивании жёлтой и голубой красок получается краска, которая выглядит как зелёная.
  Для получения синего цвета используем голубую краску для поглощения красного цвета и пурпурную для поглощения зелёного. Если нам нужна картинка красного цвета, то используем пурпурную краску для поглощения зелёного и жёлтую краску для поглощения синего цветов.

  Фоторецепторы сетчатки имеют в своём составе светочувствительный пигмент родопсин, в котором и происходит поглощение света. Родопсин называют иногда зрительным пурпуром. Он действительно имеет такой цвет, поскольку поглощает зелёный и отражает синий и красный цвета.
  Таким образом, чтобы получить отражённые красный, зелёный и синий цвета мы должны использовать жёлтую, голубую и пурпурную краски. Такая модель набора красок называется субтрактивной CMYK-моделью (CMYK по английски произносится как «смайк», но в среде профессионалов часто используется французская транслитерация «цмик») по первым буквам английских названий: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (жёлтый). В этой модели ещё используется чёрная краска, но поскольку английская буква B уже занята для обозначения синего цвета Blue в аддитивной RGB-модели, то для чёрного взяли последнюю букву его английского названия blacK. В субтрактивном синтезе цветов новый цвет получают наложением одного на другой слоёв красок - жёлтой, пурпурной и голубой. Красные, зелёные и синие излучения поглощаются этими красками (то есть последовательно вычитаются из белого света). Поэтому цвет окрашенного участка определяется теми излучениями, которые проходят через наложенные слои и попадают в глаз наблюдателя. Жёлтый, пурпурный и голубой краски - основные (первичные) для субтрактивного синтеза цветного изображения.
  Мы представили схему, как в рамках субтрактивного синтеза получить при отражении от бумаги основные тоны: красный, зелёный и синий. Но как эта схема будет работать для получения, скажем, оранжевого цвета? Оранжевый — это смесь красного и жёлтого, а жёлтый, в свою очередь, есть смесь красного и зелёного. Таким образом, в оранжевом красного в два раза больше, чем зелёного. Чтобы получить такой цвет нужно использовать жёлтую краску для поглощения синего и полупрозрачную пурпурную краску для поглощения половины зелёного цвета. Здесь нужно определится с терминами. Если мы пишем «сине-зелёный» то подразумеваем, что берутся цвета одинаковой интенсивности. Если «зеленовато-синий» то синего больше, чем зелёного, и, соответственно в случае «синевато-зелёный» зелёного больше, чем синего. Расчёт проводится, основываясь на основном соотношении: красный+зелёный+синий=белый. Для сокращения обозначим красный как R, зелёный как G, синий как B, белый как W: R+G+B=W. Это можно переписать как: R+0,5×G+0,5×G+B=(R+0,5×G)+(0,5×G+B)=W. Но R+0,5×G означает смесь красного и зелёного в пропорции 2:1, а это есть оранжевый, а 0,5×G+B есть смесь синего и зелёного тоже в пропорции 2:1, который мы называем зеленовато-синий. Аналогичным образом можно построить и другие комбинации, некоторые из которых приведены в таблице.

Формула Наблюдаемый отражённый цвет Поглощаемые цвета Состав поглощающего пигмента
R+(G+B) красный   зелёный и синий пурпурный и жёлтый
G+(R+B) зелёный   красный и синий жёлтый и голубой
B+(R+G) синий   красный и зелёный голубой и пурпурный
(R+G)+B жёлтый   синий жёлтый
(R+B)+G пурпурный   зелёный пурпурный
B+(R+G) голубой   красный голубой
(R+0,5×G)+(0,5×G+B) оранжевый   синий и частично зелёный жёлтый и на ½ разбавленный пурпурный
(0,5×R+G)+(0,5×R+B) салатовый   синий и частично красный жёлтый и на ½ разбавленный голубой
(R+0,5×B)+(G+0,5×B) малиновый   зелёный и частично синий пурпурный и на ½ разбавленный жёлтый
(0,5×R+B)+(0,5×R+G) фиолетовый   зелёный и частично красный пурпурный и на ½ разбавленный голубой
(G+0,5×B)+(0,5×B+R) синевато-зелёный   красный и частично синий голубой и на ½ разбавленный жёлтый
(0,5×G+B)+(0,5×G+R) зеленовато-синий   красный и частично зелёный голубой и на ½ разбавленный пурпурный

  Субтрактивная модель образования цвета чаще всего ассоциируется с полиграфией, а также с печатью цветных фотографий на принтерах. При этом одной из наиболее важных проблем является получение чёрного цвета, корректного не только с технической, но и с эстетической точки зрения.
иллюстрация субтрактивной модели
Аддитивная модель
Иллюстрация аддитивной модели
Субтрактивная модель
Конечно, если использовать три краски: жёлтую, голубую и пурпурную, то они поглотят все цвета и ничего не отразится, то есть мы увидим чёрный цвет. Но это только теоретически. На практике есть несовершенство красителей, имеется также разброс в свойствах используемой бумаги. Поэтому для решения этой проблемы в субтрактивном синтезе в дополнение к трём основным используют ещё и чёрную краску.
  Художники тоже занимаются субтрактивным синтезом. Они смешивают различные краски и наносят их на холст. Но здесь нужно учитывать одну особенность. Цвет, получаемый при смешивании компонентов, всегда затемняется, так как подобная смесь обязательно содержит меньше света, чем любой из её компонентов. По этой причине художники-постимпрессионисты писали точками и мазками ярких спектральных цветов, а не смешивали краски.
  Следует учитывать, что при создании изображения на бумаге невозможно получить достаточно яркие оттенки. Наиболее яркое пятно на отпечатке не может быть ярче самой бумаги, а она, как известно, не светится, а отражает свет. Чем выше качество бумаги, тем лучше её отражательная способность, и тем ярче (в обиходной жизни говорят «сочнее») будет изображение. Но хорошая бумага дороже в изготовлении, поэтому качественные полиграфические издания и фотографии стоят недёшево. Яркость фотографического отпечатка несравненно меньше яркости оригинала или изображения, которое мы видим на дисплее электронного устройства. При этом максимальный разброс между яркими и тёмными тонами на отпечатке оказывается примерно в два раза меньшим. Справедливо, также, что субтрактивным способом (то есть избирательным поглощением света) принципиально нельзя создать столько же цветов, сколько позволяет получить аддитивный синтез. Поэтому цветовой охват монитора всегда выше, чем принтера, и если не принимать специальные меры, одно и то же изображение заведомо выглядит на экране лучше, чем на бумаге. Прежде всего это сказывается на яркости. Если с экрана дисплея излучение, например, возбуждающее красный цвет, попадает прямо в сетчатку, то при отражении от бумаги ситуация другая. Часть красного цвета поглотится бумагой, которая, всё-таки не на 100% отражает. Затем он пройдёт через слои жёлтой и пурпурной, где тоже произойдёт частичное поглощение, поскольку состав этих красок также не идеален, и содержит некоторую часть примесей. В результате интенсивность света, который отразившись от цветного изображения попадёт в наш глаз оказывается меньшей, чем у падающего светового потока.
  Красная краска выглядит красной потому поглощает большую часть синих и зелёных лучей света и отражает красные лучи. Если смешать эту краску с другой, то каждая из них будет по-прежнему отражать (то есть вычитать из белого света) положенную долю лучей, и смесь отразит ещё меньше света. Поэтому, когда смешивают красную краску с зелёной, красный красящий пигмент поглощает много зелёных и синих лучей, а зелёный пигмент тоже вычитает синие лучи и к тому же большую часть красных. В результате цвет получается тёмным, но это не серый цвет. Ведь цвет лучей, отражаемых несмешанными красной и зелёной красками, далеко не чистый. Он состоит из цветовых полос, которые частично пересекаются. Красная краска, скорее всего, отразит значительное количество жёлтых лучей, а зелёная — наверняка отразит много и жёлтых и синих лучей. В результате, обе составляющие отразят какое-то количество жёлтых лучей и смесь приобретёт тёмно-жёлтый цвет, то есть коричневый  

Палочки и колбочки


  Мы различаем цвета предметов днём или вообще при ярком свете. А при плохом освещении и ночью цвет не воспринимается. Естественно предположить, что не одни и те же, а разные нервные клетки отвечают за цветное дневное и ночное чёрно-белое (точнее серое) зрение. А поскольку замечено, что все цвета и оттенки можно получить комбинируя всего несколько основных цветов: красный, зелёный и синий, то естественно было предположить, что существует лишь несколько фоторецепторов, реагирующих только на излучение с частотами, характерных для этих цветов.
 палочки и колбочки
Электронная фотография: палочки (коричневые) и колбочки (зелёные)

  Рецепторами называют нервные клетки, которые реагируют не на сигналы от других нервных клеток, а на внешнюю информацию, например: свет, проникающий в наши глаза; механическая деформация кожи; давление на барабанную перепонку; воздействие химических веществ в органах обоняния и вкуса. То, что связано с действием света имеет приставку «фото»: фоторецепторы, фотография, фотосинтез, фотоэффект. Предполагается, что сетчатка глаза содержит своего рода мозаику из фоторецепторов четырех типов — одного типа палочек и трёх типов колбочек. Оба типа фоторецепторов – это длинные, узкие клетки. Свое название они получили из-за формы их наружных сегментов, которые у палочек тонкие, цилиндрические и длинные, а у колбочек значительно более утолщенные, короткие и конусообразные.
  Информация от фоторецепторов поступает в мозг, и уже там путём смешивания основных цветов формируется цветная картина. Наш глаз всего лишь преобразует энергию попадающих в него фотонов в химическую реакцию белков, из которых состоят колбочки и палочки, эта реакция создаёт электрический ток, который полученную от внешнего мира информацию доставляет в мозг, где эта информация и обрабатывается. Когда мы видим вершину Эвереста, окрашенную золотом от лучей заходящего солнца, то это всего лишь картина, возникшая в нашем сознании.
  Палочки и колбочки различаются во многих отношениях. Наиболее важно различие в их относительной чувствительности: палочки чувствительны к очень слабому свету, колбочки требуют намного более яркого освещения. Как палочки, так и колбочки содержат светочувствительные пигменты. Во всех палочках пигмент один и тот же, а колбочки делятся на три типа, каждый из них со своим особым зрительным пигментом. Эти четыре пигмента чувствительны к различным энергиям фотонов, и в случае колбочек эти различия составляют основу цветового зрения.
  Под воздействием света в рецепторах происходит процесс, называемый выцветанием. В этом процессе молекула зрительного пигмента поглощает фотон — квант энергии видимого света — и при этом химически превращается в другое соединение, хуже поглощающее свет или, быть может, более чувствительно к другим частотам. Практически у всех животных, от насекомых до человека, и даже у некоторых бактерий этот рецепторный пигмент состоит из белка, к которому присоединена небольшая цепочка молекул углерода, близкая по строению к витамину A; она и представляет собой химически трансформируемую светом часть.
  Чувствительность палочек к свету примерно в 100 раз выше чувствительности колбочек, но они не различают цвет и дают нам изображение в оттенках серого. Хотя палочки не различают цвет, но зато они чрезвычайно чувствительны к свету низкой интенсивности и могут даже регистрировать отдельные фотоны. А вот колбочкам для оптимального функционирования требуется гораздо больше света, чем палочкам. По этой причине при низком освещении, когда наша способность различать цвета падает, за работу принимаются палочки, обеспечивающие чёрно-белое зрение. В идеальных лабораторных условиях на тех участках сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут активироваться при попадании на них всего нескольких фотонов. Однако палочки справляются с задачей регистрации даже самого тусклого света ещё лучше. Таким образом, днём свет попадает в мозг через колбочки, а ночью — через палочки.
  На большей части сетчатки палочек заметно больше, чем колбочек: их около 120 млн, а колбочек всего 6-7 млн. Исключением является центральная ямка - область сетчатки, где свет фокусируется наиболее чётко. Здесь значительно выше плотность колбочек, которые обеспечивают нам остроту зрения, а также восприятие цвета.
  Считается, что во многих отношениях сетчатка является продолжением мозга. Для того, чтобы обрабатывать все частоты видимого света она должна была бы иметь не только набор фоторецепторов, покрывающих всю её поверхность, но и в каждой отдельной точке сетчатки по тысяче фоторецепторов, каждый из которых обладал бы максимальной чувствительностью к своей частоте, а таких частот — очень много. Но втиснуть тысячу рецепторов в каждую точку сетчатки физически невозможно. Реально сетчатка содержит в каждом из очень большого числа своих участков фоторецепторы всего трёх типов. Таким образом, ценой некоторого ущерба для разрешающей способности получается возможность обрабатывать информацию об определённых частотах света. Зрительная система человека представляет собой компромисс между точной передачей цвета (которой, на самом деле нет) и высоким пространственным разрешением.
  Каждая колбочка в нашей сетчатке содержит пигмент, поглощающий в каком-то участке спектра лучше, чем в других участках. Традиционно для простоты их называют красными, зелёными и синими колбочками, хотя на самом деле они максимально чувствительны к жёлто-зелёной, к зелёной и сине-фиолетовой частям спектра.
  Свет характеризуется двумя параметрами: частотой и интенсивностью. Психологический или субъективный эффект, оказываемый световыми волнами разной частоты заключается в том, что человек наблюдает разные цвета или оттенки. Одна из характеристик цвета — тон. Это то, что мы называем «красный» или «синий». Тон определяется частотой и энергией фотонов света.
  Под физической интенсивностью понимают количество энергии, посылаемой источником света. Эта энергия для каждого тона пропорциональна количеству фотонов. Соответствующий субъективный или психологический эффект, оказываемый на наблюдателя, называется яркостью. Разница в интенсивности и яркости заключается в том, что интенсивность является физическим свойством света, а яркость — это впечатление, производимое интенсивностью света, воздействующего на зрительную систему. Изменение физической интенсивности света не обязательно приводит к пропорциональному изменению яркости. Так, например, для двукратного роста яркости необходимо примерно восьмикратное увеличение физической интенсивности.
  Удивительным является тот факт, что каким бы миниатюрным ни был источник света и пусть даже он просуществует доли секунды, наша способность увидеть предмет зависит вовсе не от его физических размеров или удаления, а от того, попадут хотя бы несколько излучаемых им фотонов на нашу сетчатку.
  Единственной информацией, которую фоторецептор посылает в мозг, является только сам факт его возбуждения светом, то есть информация о частоте световой волны не передаётся. Фоторецепторы отличаются лишь разной вероятностью поглощения квантов света из разных участков видимого спектра, и таким образом, они работают как счётчики квантов света.
  Допустим, на столе лежит книга. При нормальном освещении мы видим, что она, скажем, имеет зелёный цвет. Но если падающий свет окажется очень сильным, то мы уже не будем различать цвета, и всё для нас станет белым. Почему это происходит? Зависимости чувствительности колбочек от энергии квантов света определяют вероятность поглощения фотонов той или иной колбочкой. Зелёный цвет мы воспринимаем в том случае, когда число поглощений зелёными колбочками значительно превосходят число поглощений другими колбочками. Всего колбочек около 6 миллионов. Допустим, каждый вид колбочек занимает треть этого объёма. Предположим, что энергия достигающих сетчатки фотонов такова, что вероятность поглощения зелёными колбочками в 10 выше, чем красными. При достаточно большой интенсивность света фотоны возбудят все 2 миллиона зелёных колбочек. Если интенсивность ещё увеличить, количество возбуждённых зелёных колбочек уже не вырастет. А число возбуждённых красных будет расти. Сделаем простой анализ. Если общее число падающих фотонов составит 2 200 000, то это количество распределится в соответствии с вероятностями таким образом: 2 000 000 возбудят зелёные колбочки, а 200 000 — красные. Мы увидим зелёный цвет с небольшой примесью красного, то есть желтовато-зелёный. Если число достигающих сетчатки фотонов будет в 10 больше, то число возбуждённых красных колбочек увеличится в 10 раз и достигнет 2 000 000, то есть все красные колбочки поглотят фотоны. А вот число возбуждённых зелёных колбочек не вырастет, оно уже и так достигло максимума. Такой же пример мы можем привести и относительно синих колбочек. Таким образом, все колбочки окажутся возбуждёнными, независимо от разной вероятности поглощения, и в нашем сознании возникнет белый цвет.
  То, что мы способны различать цвета определяется, тем что мы видим предметы в отражённом свете, и большая часть энергии Солнца этими предметами поглощается. Если бы Земля была бы ближе или дальше от Солнца, то другой была бы и энергия солнечного света, вследствие чего и устройство наших глаз было бы иным. Если есть жизнь на других планетах, то устройство их цветного зрения может отличаться от нашего от одного только факта разности расстоянии между нашими планетами и своими звёздами.  

Как световой сигнал преобразуется в сетчатке


  При изучении зрительных процессов мы сталкиваемся с очевидным вопросом: каким образом фоторецепторы преобразуют поглощаемый ими свет в электрические и химические сигналы? Рассмотрим, как это происходит в палочках.
  Исходя из общих принципов физики и химии ясно, что первичный акт передачи светового сигнала в мозг должен состоять в поглощении света молекулами некоего пигмента. Пигментом называют вещество, которое поглощает часть падающего на него света и отражает остальную часть. Понятно, что началом всего процесса должна быть фотохимическая реакция, то есть химические превращения, протекающие под действием квантов света (фотонов).
  Зрительные пигменты были открыты ещё в середине XIX века. В 1851 году Генрих Мюллер извлек из глаза лягушки сетчатку. Она оказалась розовато-пурпурной, но очень скоро обесцветилась. Учёный приписал этот эффект действию гемоглобина, но это оказалось неверным. В 1876 году Франц Болл выделил фоточувствительный пигмент из палочки сетчатки лягушки и обнаружил, что эта сетчатка чувствительна к свету и после освещения меняет свою окраску на жёлтую, с последующим обесцвечиванием. Он также продемонстрировал, что после некоторого времени пребывания в темноте сетчатка животных приобретает изначальную яркую пурпурную окраску. Вилли Кюхне, продолживший работы Болла, определил, что пигмент, отвечающий за окраску сетчатки — это белок наружных сегментов палочек, и назвал его родопсином («зрительным пурпуром» от греч. rhodon - роза и opsis — зрение). Кюхне предположил, что жёлтый и бесцветный продукты, образующиеся под действием света, химически различны и что генерация сетчаткой электрических импульсов является следствием реакции на свет.
  Зрительные пигменты — это сложные молекулы, состоящие у позвоночных и беспозвоночных животных из двух основных частей: хромофора (определяющего цвет химического соединения при освещении) и белка. Хромофорами называют вещества, которые могут поглощать видимый свет. Именно хромофор определяет максимум и интенсивность поглощения света в пигменте.
  В палочках имеется только один пигмент — родопсин. В 1934 году Джордж Уолд установил, что этот пигмент состоит из бесцветного белка, который называется опсином и хромофором ретиналем, которые химически связаны (ковалентной связью). Ретиналь есть модификация витамина А, имеющего научное название ретинол. Молекула опсина состоит из примерно 300 аминокислот, расположенных в определённом порядке. Полная аминокислотная последовательность родопсина была установлена в 1982 году Юрием Овчинниковым.
  Вероятность того, что молекула, поглотившая квант света, вступит в фотохимическую реакцию, называется квантовым выходом этой реакции. Для родопсина квантовый выход составляет 0,67. Это означает, что из 100 случаев поглощения фотона в 67 случаях химическая реакция дойдёт до конца.
  Человек и высшие животные воспринимают свет обычной интенсивности в области длин волн примерно от 400 до 700 нм (нанометров). Более коротковолновый ультрафиолетовый свет поглощается прозрачными тканями глаза. Инфракрасные лучи сетчаткой не воспринимаются, иначе бы теплокровные животные ощущали сильную фоновую инфракрасную радиацию, препятствующую восприятию информативных сигналов. Пигмент фоторецепторных клеток должен поглощать свет в видимой области спектра, то есть быть окрашенными. Почему он должен быть окрашен? Потому, что окраска (цвет) органических соединений является результатом избирательного поглощения ими определённых участков спектра и характеризуется частотой поглощённого света.
  Светопоглощающие свойства родопсина определяются именно взаимодействием хромофора (ретиналя) и опсина: максимумы поглощения ретиналя и опсина, взятых отдельно, находятся в области 278 нм для опсина и 350 нм. В то же время известно, что максимум поглощения ретиналя в растворе метанола соответствует длине волны 445 нм, в то время как в родопсине - 498 нм. Батохромный сдвиг в сторону увеличения длин волн в данном случае является следствием различного влияния окружения на молекулу ретиналя (батохромным эффектом называют смещение окраски органического соединения в сторону углубления цвета, то есть переход от жёлтого через красный и синий к зелёному цвету). Максимум поглощения — это один из параметров спектральной характеристики пигмента, определяющей в целом эффективность поглощения пигментом квантов света (фотонов) разных длин волн. Другими словами, максимум поглощения соответствует максимуму вероятности поглощения. Таким образом, длина волны, при которой вероятность поглощения будет наибольшей, при соединении ретиналя и опсина изменяется, а поскольку поглощение происходит в ретинале, то изменение происходит именно здесь. Максимум поглощения родопсина, приходящийся на 498 нм, соответствует поглощению зелёного цвета. Соответственно, отражаться будет дополнительный к нему пурпурный цвет (смесь красного и синего).
  Родопсин относится к наиболее интенсивно окрашиваемым соединениям из всех известных в настоящее время в органической химии. Возможность поглощения фотонов родопсина близка к теоретически возможному значению. Сама фотохимическая реакция в родопсине происходит необычным образом. При поглощении одного фотона ретиналь меняет свою пространственную конфигурацию и отщепляется от белка опсина. Но, с этого момента, как говорится, по-подробнее.
  В сетчатке глаза миллионы фоторецепторов непрерывно фиксируют картину окружающего мира. В мозг отправляется растровое изображение, состоящее из точек. Такие точки после наступления цифровой эры стали называть пикселями (образовано от Picture Cell). Аналогичным способом из множества точек формируют изображение цифровые устройства, например, фотоаппарат.
сечение пикселя ПЗС-матрицы
Сечение пикселя светочувствительной матрицы
Аналогом сетчатки служит сенсорная матрица, аналогом колбочек — фотодиоды. Светочувствительная матрица цифрового аппарата регистрирует приходящий световой поток согласно аддитивной модели (то есть работает с красным, зелёным и синим цветами). Каждый светочувствительный элемент способен воспринимать только интенсивность света, поскольку накапливает заряд пропорционально количеству попавших на него фотонов. Цифровая матрица фотоаппарата представляет собой совокупность множества отдельных электронных ячеек, которые преобразуют попадающий на них свет в электрический заряд. Фотон света попадает на сделанный на основе оксида кремния светочувствительный полупроводниковый материал, где генерируются электроны. Свет, падая на поверхность ячеек, создаёт в глубине каждой из них электрический заряд. Если света подействовало много - заряд большой, мало света, и заряд, естественно, не велик. Электроны притягиваются так называемой потенциальной ямой и остаются в ней. Эти электроны образуют фототок, который потом считывается и усиливается.
  Мы легко можем передать электрический сигнал, используя батареи и металлические провода, по которым перемещаются электроны. Но в живом организме всё устроено по-другому. И намного сложнее, что определилось рядом обстоятельств. Главное — возникновение жизни происходило постепенно, развиваясь от простого к сложному. В ходе этого развития менялись окружающие условия: температура, давление, солнечная радиация. Кроме того, живые организмы создавались из тех химических элементов, которые были наиболее распространены на Земле.
Распространённость химических элементов в %
элемент в земной коре в океане в воздухе в человеке в белках
кислород 47,2 85,82 23,15 65 5-23,5
кремний 27,6 0,03 0,0002
алюминий 8,8
железо 5,1 10-5 0,004
кальций 3,6 0,04 1,4
калий 2,6 0,038 0,2
натрий 2,54 1,06 0,15
магний 2,1 0,13 0,05
водород 1 10,72 0,0001 10 6,5-7,3
углерод 0,1 0,0028 0,012 18 50-55
сера 0,05 0,088 0,25 0,3-2,5
азот 0,01 0,005 75,65 3 15-17,6

  Из приведённой таблицы видно, что воздух и вода, где и зарождалась жизнь, состоят главным образом из водорода, углерода, кислорода и азота. Эти элементы и преобладают в любом живом организме. В человеке вода составляет 80% веса. А в воде электричество в известном нам виде, как поток электронов, существовать не может. Поэтому в живом организме всё устроено иначе. Достаточно взглянуть на родопсин. Это сложное химическое соединение, содержащие сотни атомов, всего лишь поглощает фотон и запускает цепь реакций, которые, в конечном итоге, сформируют электрический сигнал. Подавляющее число всех взаимодействий в нашем организме связано с белками. Белки состоят из кислорода, углерода, водорода, азота и серы. Иногда ещё присутствуют атомы фосфора. За исключением серы, белки состоят из того, чего больше всего в воздухе и воде, но не в земле. Однако наша жизнь не зря называется углеродной. В основе всех белковых и небелковых веществ, составляющих наш организм, лежат цепочки, образованные атомами углерода, к которым присоединяются атомы водорода, азота и кислорода и, иногда, серы и фосфора. Углерод и в прямом и в переносном смысле является основой жизни. Именно его свойства, в частности, определяют механизм зрения.
  Почему же углерод занимает такое особенное положение среди всех химических элементов? А это в силу уникальных особенностей строения его электронных орбит. Как известно, атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Но большинство веществ состоят не из атомов, а молекул. Атомы в свободном виде, как правило не существуют и объединяются в молекулы. Почему это происходит? Потому, что для каждого атома существует некоторое устойчивое состояние, к которому он стремится. Таких устойчивых состояний несколько. Первое — это когда вокруг ядра вращается ровно два электрона. В таком состоянии находится атом гелия. Этот атом не образует молекул и не вступает в химические реакции с другими элементами. Второе устойчивое состояние соответствует десяти электронам, которые вращаются вокруг ядра: 2 на первой орбите и 8 на второй. В таком состоянии находится атом неона. Он также, как и гелий, относится к так называемым инертным газам и химических реакций не образует. Атомы стремятся перейти в устойчивое состояние, а это возможно только в молекуле (за исключением инертных газов). Вследствие этого и происходят химические реакции. Например. Атом лития Li имеет три электрона. Ближайшее устойчивое состояние — два электрона вокруг атома. Следовательно, литий стремится отдать лишний электрон. У атома фосфора F девять электронов. Если он получит один дополнительный электрон, сможет перейти в устойчивое состояние с десятью электронами. Таким образом, если атомы лития и фтора окажутся достаточно рядом, они вступят в химическую реакцию по формуле Li+F=LiF. Образуется молекула фтористого лития, в которой у атома лития будет два электрона, а у атома фтора — десять.
  Теперь вернёмся к углероду. У него 6 электронов. Два электрона находятся на нижней, ближайшей к ядру орбите. Такое состояние является устойчивым, и эти электроны в образовании химической связи не участвуют. Связь могут образовывать оставшиеся 4 электрона, которые называются валентными. Углерод может перейти в устойчивое состояние с двумя электронами, отдав свои четыре, или перейти в устойчивое состояние с десятью электронами, получив от других атомов ещё 4 электрона. То есть, у углерода много возможностей для создания разных молекул. Но он, в основном, образует соединения, в которых переходит в устойчивое состояние с десятью электронами. В основе органической жизни лежат соединения углерода с водородом, азотом и кислородом. Например, всем известная молекула ДНК состоит из 5755 атомов углерода, 7227 атомов водорода, 4131 атомов кислорода, 2215 атомов азота и 590 атомов фосфора. Согласно теории эволюции, такая сложная структура образовалась случайным образом.
молекулы метана и этана
Схема ковалентных связей в молекулах метана и этана. Ядра показаны символами элементов С и Н, а электронные орбиты - кругами. Электроны показаны синими (углерод) и красными (водород) кружочками. Каждый из 4 атомов водорода в метане и каждый из 6 атомов волорода в этане делит свой электрон с углеродом для образования ковалентной связи

  Самый простой вариант химических соединений углерода — с водородом. С атомами этого элемента углерод соединяется посредством так называемой ковалентной связи. В этом случае электрон двигается и вокруг ядра водорода и вокруг ядра углерода, то есть является общим для двух атомов. Соединение одного атома углерода с четырьмя атомами водорода образует газ метан CH4. В этой молекуле вокруг ядра углерода вращаются 6 электронов самого углерода и 4 электрона водорода. В сумме получается устойчивая система с десятью электронами. В атоме водорода — один электрон, но в молекуле метана вокруг ядра водорода вращается помимо электрона самого водорода ещё и электрон углерода. В результате для водорода получается устойчивая конфигурация с двумя электронами.
  Соединения углерода с водородом называются углеводородами. Они образуются с помощью углеродной цепочки. Атомы углерода могут соединяться друг с другом, причём тоже посредством ковалентной связи. В этом случае два электрона вращаются вокруг ядер обоих атомов углерода. В молекуле газа этан три валентных электрона углерода образуют ковалентную связь с тремя атомами водорода, а четвёртый — ковалентную связь со вторым атомом углерода. Получается цепочка из двух атомов углерода, к которым присоединены атомы водорода. Если добавить третий атом углерода, получим молекулу газа пропана. Таких углеродных цепочек можно создавать большое количество. Они и существуют в природе.
  У углерода есть ещё одна особенность, которая проявляется в процессе поглощения ретиналем фотонов (квантов света). Как известно, связи между атомами углерода могут быть одиночными, двойными и тройными. В этане мы имеем пример одиночной связи между атомами углерода — одна пара, то есть два электрона вращаются вокруг ядер обоих атомов. При двойной связи две пары, то есть четыре электрона вращаются вокруг двух ядер. Упрощённо говоря, четыре электрона становятся общими для двух атомов углерода по два от каждого атома. В молекуле бесцветного горючего газа этилена каждый атом углерода связан с двумя атомами водорода, а также с одним атомом углерода, но двойной связью. Химическая формула этана C2H6, но её обычно записывают CH3CH3. Так принято в органической химии, чтобы показать, как соединены атомы углерода между собой и с другими атомами.
одиночные,двойные,тройные связи
В этане атомы углерода соединены одиночной связью, в этилене - двойной, в ацетилене - тройной
Химическая формула этилена C2H4, в обычной форме её пишут CH2=CH2. Двойная линия означает двойную связь между атомами углерода. Почему атомы углерода в одних случаях связываются одиночной, а в других — двойной (а могут образовывать ещё и тройную связь, как в ацетилене) трудно объяснить, но такая возможность у них есть. И это имеет важное значение для роли углерода в качестве основного элемента для возникновения биологических молекул.
  Нас всегда будет интересовать вопрос, является ли сложившаяся углеродная форма жизни на Земле единственно возможной, или на других планетах могут быть иные варианты. Если мы посмотрим на Периодическую таблицу элементов Менделеева, то увидим, что есть ещё один химический элемент, который, на первый взгляд, может иметь те же свойства, что и углерод. Это — кремний, Si. У него 14 электронов. Относительно устойчивых состояний, к которым стремится каждый атом, здесь ситуация такая же, как у углерода. Если кремний отдаст 4 электрона, то у него образуется устойчивое состояние с 10 электронами, как у инертного газа неона. А если получит 4 дополнительных атома, то возникнет устойчивое состояние с 18 электронами, как у инертного газа аргона. Кремний после кислорода самый распространённый элемент в земной коре. Он входит в состав растительных и животных организмов, где его соединения необходимы для образования твёрдых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские организмы. Животные получают кремний с пищей. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. Самое распространённое соединение кремния — двуокись SiO2. Большая плотность связи Si-O обусловливает главные черты химии кремния: чрезвычайное многообразие его кислородных соединений, в частности силикатов, составляющих основу земной коры. А вот связь атомов кремния между собой Si-Si значительно менее прочна, чем связь С-С, и цепочки из атомов кремния разрываются гораздо легче, чем углеродные, особенно, если есть возможность образования связи с кислородом Si-O. Между атомами кремния (в отличие от углерода), а также между атомом кремния и атомом углерода устойчивые двойные и тройные связи не образуются. Основная причина такой разницы в химических свойствах кремния и углерода, имеющих оба одинаковое количество валентных (то есть образующих химические связи) электронов, в значительно больших размерах атома у кремния. Возможно, это имеет решающее значение. Действительно, чем больше электронов, тем крупнее атом. А если посмотреть таблицу распространённости элементов в человеке и в особенности в белке, то это химические элементы с числом электронов меньше десяти (у кремния их 14).
  Таким образом, кремний не может быть основой какой-либо формы жизни, по крайней мере той, которую мы знаем. Дополнительным подтверждением этого может служить тот факт, что кремний плохо взаимодействует с водородом. С другой стороны, на кремнии основывается большая часть современной электроники, поэтому искусственную жизнь как раз можно назвать кремниевой.
  Двойная связь между атомами широко распространена в органических соединениях, причём ими могут быть связаны друг с другом не только атомы углерода, но и атомы азота, а также атомы углерода с атомами кислорода, азота и серы. В ретинале, который представляет собой типичную углеродную цепочку, несколько атомов связаны двойной связью. Наличие двойной связи делает возможным существование пространственной изомерии. Изомерия — это явление, заключающееся в существовании нескольких соединений с одинаковым количеством одинаковых атомов и одинаковым молекулярным весом, но отличающиеся пространственным расположением некоторых атомов. Такие соединения называют геометрическими изомерами или просто изомерами. цис и транс измерии
  Если одинаковые группы атомов у атомов углерода при двойной связи находятся по одну сторону от плоскости С=С — связи, то молекула называется цис-изомером. Если по разные стороны, то транс-изомером. Ретиналь может быть и цис- и транс-изомером. Геометрические изомеры существенно отличаются друг от друга по своим физическим свойствам: цис-изомеры плавятся при более низкой температуре и лучше растворяются в воде, обычно более стойки к внешним воздействиям. При комнатной температуре легко происходит поворот вокруг одиночной связи. Поэтому цис- и транс-формы не зафиксированы и легко переходят друг в друга. А вот поворот вокруг двойной углерод-углеродной связи в нормальных условиях невозможен. Когда ретиналь, имеющий несколько двойных связей, поглощает квант света, он переходит из цис-формы в транс-форму. Но поскольку при наличии двойной связи такой переход крайне затруднён, он должен сопровождаться разрывом на какое-то время двойной связи и заменой её одиночной, и восстановлением после перехода в транс-форму.
  Для того, чтобы проиллюстрировать, в чём особенность цис- и транс-формы, рассмотрим житейский пример: какое масло менее вредно. В нём, как известно, много жира, точнее, жирных кислот. Жирные кислоты без двойных связей называются насыщенными, с двойной связью — ненасыщенными. Почему так важно знать, есть ли в жирных кислотах двойные связи? Потому, что известна связь между видами связей в жирах и повышением или понижением уровня холестерина. Насыщенные жирные кислоты (без двойной связи) уровень холестерина повышают, ненасыщенные (с наличием двойной связи) — снижают.
  В обычных пищевых маслах доля важных насыщенных и ненасыщенных жиров сильно варьируется. В сливочном и кокосовом маслах содержится большое количество миристиновой и пальмитиновой кислот (насыщенные кислоты) и очень мало линоленовой (две двойные связи). Оливковое масло не содержит миристиновой кислоты, но в нём имеется значительное количество пальмитиновой кислоты, но, также, есть линоленовая кислота. Масло из виноградных косточек и подсолнечное масло содержат большое количество линоленовой кислоты, немного пальмитиновой и совсем не содержит миристиновой. Химический состав этих жиров свидетельствует о том, что потребление сливочного и кокосового масла повышает содержание холестерина в крови, оливковое масло ведёт себя примерно нейтрально, а подсолнечное масло снижает количество холестерина.
  Таким образом, подсолнечное масло, имеющее двойные связи между атомами углерода, снижает содержание холестерина и полезно для здоровья.
  Ненасыщенные жирные кислоты — это молекулы с двойными связями. Такие связи химически очень активны. В ненасыщенных жирах они могут вступать в реакцию с кислородом и масло может прогоркнуть. Скорость таких реакций ускоряется под действием света. Чтобы затормозить такие реакции масло следует держать в прохладном месте и не на свету.
  Ненасыщенные жиры в природе образуются в природе исключительно в цис-форме. Правда, небольшое количество транс-жиров обнаружено в мясе и молоке коров, овец, коз и других жвачных животных. Транс-жиры образуются также при гидрогенизации. В ходе этого процесса двойные связи разрываются. Таким образом можно получить жиры с нужными свойствами, например, жидкий жир превратить в твёрдый, то есть растительное масло в кулинарный жир и маргарин. Однако при подобной обработке в некоторых молекулах остаётся двойная связь и цис-форма может перейти в транс-форму. А транс-жиры крайне вредны. Основная причина вредного влияния транс-жиров связана с тем фактом, что биологические системы приспособлены иметь дело с цис-жирами — форма тут имеет значение. В нашем организме есть белки — энзимы, которые перерабатывают жиры в другие полезные молекулы. Однако энзим, который работает с цис-формой жиров, в общем случае не осуществляет тех же химических реакций с транс-жиром. Поэтому две молекулы жирных кислот, содержащие одинаковое количество атомов углерода, водорода и кислорода, соединённые между собой в одинаковом порядке, будут на биохимическом уровне обрабатываться весьма по-разному в зависимости от того, находятся они в цис- или транс-форме. Транс-жиры крайне негативно влияют на нашу нервную систему и способствуют развитию сердечно-сосудистых заболеваний. Это удивительно, но изменение формы молекулы без изменения химического состава может превратить полезную пищу во вредную.
  Поскольку установлено, что при поглощении кванта света ретиналь, находящийся в состоянии цис-изомерии переходит в транс-изомерию, возникает очевидный вопрос: накопление соединения в транс-изомерии не навредит ли организму? Этого накопления не происходит: ретиналь в транс-форме через некоторое время вступает во взаимодействие с белком опсином и переходит вновь в цис-форму.
  Таким образом, зрительная реакция в палочке происходит следующим образом. Ретиналь поглощает фотон, переходит в возбуждённое состояние, одна из его двойных связей разрывается и часть молекулы делает поворот вокруг линии, соединяющей два атома углерода. Происходит изменение цис-формы на транс-форму, затем двойная связь восстанавливается. Если этого не произойдёт, вращение будет продолжаться. Далее ретиналь в транс-форме разрывает связь с опсином и начинается последовательность химических реакций, приводящих, в итоге, к появлению электрического сигнала, попадающего в зрительный нерв. цис-тран-ретиналь
  Ретиналь представляет из себя углеродную цепочку из 15 атомов углерода, в которой есть 6 двойных связей. При изомеризации происходит вращение части молекулы ретиналя вокруг двойной связи между 11-м (С11) и 12-м (С12) атомами углерода. В темноте ретиналь пребывает в форме, для которой характерна некоторая скрученность молекулы. Это объясняется тем, что между близко расположенными метильной группой у тринадцатого атома углерода (С13) и водородом у С10, возникает сильное отталкивание (метильная группа - соединение одного атома углерода с тремя атомами водорода — CH3). Скрученность в молекуле цис-ретиналя обеспечивает наибольшую энергию взаимодействия с опсином, вследствие чего их комплекс (ретиналя и опсина) весьма устойчив. Для его разрушения необходимо преобразовать цис-ретиналь в другой изомер, в транс-ретиналь.
  Пространственно цис-ретиналь точно соответствует конфигурации белка. При образовании транс-ретиналя это соответствие (комплементарность) нарушается. В результате чего ретиналь отщепляется от опсина.
  При поглощении одной молекулой ретиналя одного кванта света 11-цис-ретиналь преобразуется в транс-ретиналь: под действием энергии поглощённого кванта изменяется его конфигурация из-за поворота вокруг двойной связи. Цифра 11 означает, что поворот происходит вокруг двойной связи между 11-м и 12-м атомами углерода в цепочке атомов, образующих ретиналь. Если при взаимодействии цис-ретиналя (в составе родопсина) с квантами света происходит возбуждение электронов, что можно рассматривать как начальную фазу возникновения электрического импульса, то, видимо, цис-транс-переход может служить своеобразным блокирующим механизмом, то есть останавливающим дальнейшую цепочку фотохимических реакций.
  Реакция изменения формы изомеров происходит менее, чем за 200 фемтосекунд (200фс=200·10-15секунды). Высокая скорость и эффективность реакции в родопсине вызваны исключительно влиянием белкового окружения. Транс-ретиналь характеризуется низким сродством к опсину (сродство — это количество энергии, выделяющееся при присоединении одного вещества к другому; низкое сродство означает слабую связь), и спустя короткое время возбуждённый родопсин распадается на опсин и транс-ретиналь. Цис-транс-переход ретиналя вызывает пространственную перестройку белковой части молекулы (опсина): сначала ближайшего к хромофору (ретиналю) окружения, а затем и всей белковой части. Далее родопсин распадается на транс-ретиналь и опсин (эта операция называется фотолиз). Вследствие этого родопсин приобретает способность к взаимодействию со следующим белком в цепи процессов – с G-белком, циркулирующим в цитоплазме палочек и называемый трансдуцином. Возбуждённый G-белок, в свою очередь, активирует следующий белок - фермент фосфодиэстеразу. Этот фермент запускает каскад передачи сигнала, что приводит к изменению ионного переноса в фоторецепторе и возникновению электрического сигнала, который передаётся следующим нервным клеткам сетчатки – биполярным и горизонтальным (электрический ток в сетчатке переносится не электронами, а положительно заряженными ионами натрия и кальция) . При этом происходит усиление светового сигнала в 105–106 раз.  ретиналь и опсин
  Процесс фотопревращения (фотолиза) родопсина завершается разрывом ковалентной химической связи теперь уже транс-ретиналя с белком. Таким образом, ретиналь освобождается от белка. Транс-ретиналь быстро должен быть удалён, ибо в противном случае он может стать источником опасности в начале для зрительной клетки, а затем и для клеток пигментного эпителия. Зрительный цикл обеспечивает эффективное удаление транс-ретиналя из фоторецептора с тем, чтобы затем снова вернуть его туда же, но уже в 11-цис-изомерной форме. Только этот изомер обладает способностью «войти» в молекулу, как ключ в замок, в хромофорный центр («хромофорный карман») белковой части молекулы и вновь образовать ковалентную химическую связь с опсином.
  Химические процессы в фоторецепторе длятся несколько миллисекунд. Дополнительные фотоны, попавшие на рецептор в течение этого времени, добавляются к общему отклику. Характерно, что из шести возможных геометрических изомеров ретиналя (в ретинале 6 двойных связей) только один — 11-цис-ретиналь — находится в такой пространственной конфигурации, которая допускает соединение с белком, в результате чего и образуется родопсин. В то же время транс-форма ретиналя по своей пространственной конфигурации такова, что не может находиться в соединении с белком. Поэтому переход цис-ретиналя в транс-ретиналь под действием света сопровождается распадом зрительного пигмента родопсина на белок и транс-ретиналь. Спектры поглощения света равны 278 нм для опсина и 350 нм для ретиналя. Эти длины волны относится к ультрафиолетовому диапазону, который нашим глазом не воспринимается, поэтому разложившийся пигмент кажется бесцветным.
  Сложный химический механизм сетчатки восстанавливает первоначальную конфигурацию пигмента, в противном случае его запас быстро истощился бы. То есть нужно восстановить распавшийся родопсин, чтобы он вновь получил возможность реагировать на кванты света. Таким образом устанавливается равновесие между разложением родопсина под влиянием света и его последующей регенерацией в темноте. Этот процесс беспрерывный и лежит в основе темновой адаптации. В полной темноте необходимо около 30 мин, чтобы все палочки адаптировались и глаза приобрели максимальную чувствительность.
  Регенерация (восстановление) родопсина осуществляется путём синтеза из 11-цис-ретиналя и освободившегося после фотолиза опсина. Сам по себе цис-ретиналь появляется из транс-ретиналя. Специальная ретиналь-изомераза катализирует (то есть ускоряет) превращение транс-ретиналя в его цис-форму, после чего происходит самопроизвольное соединение цис-ретиналя с опсином, обусловленная высоким сродством этих структурных частей друг к другу, и снова образуется родопсин.
  Стоит сказать, что в последнее время появилась возможность исследовать динамику химических реакций. До это мы просто знали, что получается в результате таких реакций, но не знали точно, как это происходит. Фемтохимия – одна из самых молодых областей химической науки, она изучает динамику сверхбыстрых процессов, которые происходят в атомах, молекулах и ионах во временном диапазоне от 1 до 1000 фемтосекунды (1 фс = 10–15 с). В этот диапазон попадают очень многие химические реакции в газовой фазе, в растворах, на поверхности и в объеме твёрдых тел, а также в живых организмах. Для того, чтобы исследовать эти реакции в реальном времени, необходимы измерительные приборы с фемтосекундным временным разрешением. Такие приборы появились около 20 лет назад, когда физики научились сжимать во времени световые лазерные импульсы и довели их длительность до нескольких фемтосекунд.
  Обычно в фемтосекундных экспериментах используют два лазерных импульса. Первый импульс (его называют импульсом накачки) возбуждает изучаемую систему и запускает динамический процесс: это может быть химическая реакция, перенос электрона или переход из одного электронного состояния в другое. Развитие во времени (динамику) процесса измеряют с помощью второго – пробного, или зондирующего, импульса, который действует через точно измеренное время задержки относительно первого и приводит к появлению измеряемого сигнала – спектра поглощения, спектра излучения или тока электронов. Амплитуда сигнала зависит от свойств системы в момент действия второго импульса, поэтому по зависимости величины сигнала от времени задержки можно сделать выводы о том, как изменяются эти свойства в течение исследуемого процесса, то есть получить подробную информацию о протекании химической реакции.  

Как устроена сетчатка глаза


  В сетчатке формируются электрические сигналы, которые поступают в мозг. Те, кто смотрел фильмы про Франкенштейна, знают, что весь наш организм работает на электричестве.
  За сетчаткой расположена сосудистая оболочка толщиной около 0,2 мм. Она состоит преимущественно из кровеносных сосудов и является основным источником, питающим глаз.
строение глаза
Но у неё есть ещё одна важная функция. Если двигаться в направлении попадающего в глаз света, то на дальнем конце сетчатки позади фоторецепторов находится слой клеток, содержащих чёрный пигмент меланин (он имеется также в коже). Меланин поглощает прошедший через сетчатку свет, не давая ему отражаться назад и рассеиваться внутри глаза. Он играет ту же роль, что и чёрная окраска внутренности фотокамеры.
  Если посмотреть на схему глаза, то видно, что фоторецепторы расположены на сетчатке ближе к сосудистой оболочке, а связанные с ними нервные волокна собраны вместе и находятся впереди, если смотреть по направлению света. Таким образом, до попадания в фоторецепторы свет проходит через сплетение нервных клеток. Между волокнами зрительного нерва и фоторецепторами существуют как вертикальные, так и горизонтальные связи. Поэтому сетчатка представляет собой сеть. В грубом приближении вертикальные связи состоят из клеток, расположенных перпендикулярно сетчатке, а горизонтальные связи образуют клетки, лежащие параллельно сетчатке. Вертикальные связи образуют палочки и колбочки, соединённые с промежуточными клетками, называемыми биполярными, а те, в свою очередь, связаны с ганглиозными клетками, которые уже передают сигнал зрительному нерву. Ганглиозные (другое название - ганглионарные) клетки отличаются от других типов нейронов сетчатки (биполярных, горизонтальных, амакриновых) тем, что способны генерировать нервные импульсы. Эти клетки имеют аксоны (отростки нервных клеток, по которым нервные импульсы идут к другим клеткам), которые образуют зрительный нерв. структура сетчатки
  Горизонтальные связи образуются горизонтальными клетками (это их название), которые расположены между фоторецепторами и биполярными клетками и связаны с ними. Второй уровень горизонтальных связей — это амакриновые клетки, лежащие между биполярными и ганглиозными и связанные с ними. Горизонтальные связи позволяют изменять сигналы, поступающие от фоторецепторов и осуществлять пространственное сопоставление сигналов от колбочек. Горизонтальные и биполярные клетки вместе с амакриновыми клетками расположены в среднем слое сетчатки. Биполярные клетки занимают в сетчатке стратегическую позицию, поскольку все сигналы, возникающие в палочках и колбочках и поступающие к ганглиозным клеткам, должны пройти через них. Это означает, что они входят в состав как прямых, так и непрямых путей. В отличие от этого горизонтальные клетки входят только в непрямые пути. Горизонтальные клетки встречаются намного реже биполярных, которые в целом преобладают в среднем слое.
  Свет создаёт некий сигнал в фоторецепторах, который затем обрабатывается в остальных нейронных клетках и уже через ганглиозные клетки передаётся в зрительный нерв и дальше в мозг на окончательную обработку и создание изображения в нашем сознании.
  Если изучить распределение палочек и колбочек по всей поверхности сетчатки, то можно проследить ряд важных особенностей этого распределения. Во первых, отметим невероятно большое количество фоторецепторов: в некоторых областях сетчатки встречается до 150000 фоторецепторов на квадратный миллиметр. При этом палочек существенно больше (примерно 120 миллионов на сетчатку), чем колбочек (примерно 7 миллионов на сетчатку). Последнее может показаться странным, ведь мы знаем, что колбочки работают при высоких уровнях яркости и обеспечивают высокую степень остроты зрения, тогда как палочки, работающие при низких уровнях яркости, не могут обеспечить достаточную остроту (по аналогии с низкочувствительными и мелкозернистыми фотопленками против высокочувствительных пленок с грубым крупным зерном). Эта странность объясняется тем, что каждая отдельная колбочка снабжает сигналами одну ганглиозную клетку, тогда как палочки, посылая сигнал ганглиозной клетке, объединяют ответ от сотен рецепторов, обеспечивая тем самым повышенную чувствительность (но за счёт остроты зрения). Это объясняет и то, каким образом информация от такого большого количества рецепторов передается всего через один миллион ганглиозных клеток. Колбочки крайне редко встречаются в периферии сетчатки, в то время как в центральной ямке совсем не встречаются палочки. Благодаря отсутствию палочек в центральной ямке освобождается полезное пространство, используемое для обеспечения высокой остроты зрения при помощи колбочковой системы. Отсутствие палочек в ямке проявляет себя тогда, когда пытаются пристально смотреть на маленький тускло светящийся объект, например на слабую ночную звезду, — как только её изображение попадает на центральную ямку сетчатки, она исчезает, поскольку в центральной ямке нет палочек, фиксирующих слабые сигналы.
  На окраине сетчатки, подальше от её центра, где расположен зрительный нерв, находятся, в основном, палочки. Здесь гораздо меньше, чем в центре, биполярных и ганглиозных клеток. Это приводит к тому, что на одну ганглиозную клетку поступает сигнал не от одной, а от нескольких палочек. Подобное суммирование увеличивает вероятность того, что ганглиозная клетка достигнет необходимого уровня энергии, чтобы возбудился сигнал, отправляемый в глазной нерв. Таким образом увеличивается чувствительность зрения и способность видеть при низкой освещённости. Суммирование сигналов на общей ганглиозной клетке имеет и тот положительный эффект, что для своей активации палочка требует меньшего уровня энергии, то есть она может реагировать на меньшее количество фотонов света. В течении небольшого интервала времени происходит сложение поступивших сигналов. Хотя единичные сигналы могут быть достаточно слабыми в «общей» ганглиозной клетке они в сумме оказываются достаточно сильными, чтобы вызвать её активацию. Хотя чувствительность к свету увеличивается, но при этом снижается острота зрения (способность видеть мелкие детали) и теряется информация об изменении светового сигнала в течение этого интервала времени.
  У колбочек — другая ситуация: каждая из них связана только с одной ганглиозной клеткой. Таким образом, по сравнению с палочками колбочки позволяют нам различать цвет, дают более острое зрения и позволяют лучше отслеживать динамику изменения окружающего мира.
  Сетчатка скудно населена коротковолновыми S-колбочками (то есть синими), в середине её центральной ямки они вообще не встречаются; длинноволновых L и M-колбочек (то есть красных и зелёных) гораздо больше, чем S-колбочек, причем L-колбочек примерно вдвое больше, чем М колбочек. Количественное соотношение L:M:S примерно равно 12:6:1 (по другим оценкам оно достигает 40:20:1)

А. Гарматин.

Северное сияние в Исландии
Северное сияние в Исландии.   Фото: fototelegraf.ru