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Luce, colori e tinte


1.  Colore



In biofisica il colore è la percezione visiva generata dai segnali nervosi che i fotorecettori della retina inviano al cervello quando assorbono le radiazioni elettromagnetiche di determinate lunghezze d'onda e intensità nel cosiddetto spettro visibile o luce.

2.  Luce e colori luminosi


Luce del giorno

Lampo

Il termine luce (dal latino lux) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d'onda, ovvero tra 790 e 435 THz di frequenza. Questo intervallo coincide con il centro della regione spettrale della luce emessa dal sole che riesce ad arrivare al suolo attraverso l'atmosfera.


Spettro solare

La luce bianca è un composto (miscuglio) di tutti colori percepibili dall'occhi. Questo composto si riesce a decomporre in singoli colori luminosi o tramite prismi di vetro o delle finissime reti di diffrazione. Il risultato si chiama spettro.

I materiali sulle quali cade di luce, riflettono quest'ultimo in maniera molto variata: il prato è verde, perché dalla luce bianca del sole vengono riflessi solo la porzione verde, mentre le altre qualità vengono assorbiti.

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2.1  Fotoni


Onda elettromagnetica

Fotone come particella e onda



Oscillazioni

Sebbene nell'elettromagnetismo classico la luce sia descritta come un'onda, l'avvento della meccanica quantistica , agli inizi del XX secolo, ha permesso di capire che questa possiede anche proprietà tipiche delle particelle e di spiegare fenomeni come l'effetto fotoelettrico. Nella fisica moderna la luce (e tutta la radiazione elettromagnetica) viene composta da unità fondamentali, o quanti, di campo elettromagnetico chiamati fotoni.


Ambito di fotoni

Il fotone è il pacchetto elementare di energia che costituisce la radiazione elettromagnetica. Secondo il modello standard è una particella elementare mediatore e quindi responsabile dell'interazione elettromagnetica. Avendo spin intero, il fotone è un bosone.

Una piccola parte di fotoni viene percepita dall'occhio come luce e colori.F ortunatamente la stragrande parte invece non si vede: onde sottocromatiche come radio, televisione, microonde, infrarossi; onde ipercromatiche come ultravioletto, raggi X, raggi gamma.


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Fotoni cromatici

Emissione spettrale cromatica

Fotoni cromatici sono dei fotoni nello spettro cromatico delle onde / particelle elettromagnetiche (percettibili dall'occhio).

I fotoni vengono emessi da atomi stimolati da energia. Ogni atomo di ogni elemento ha dei caratteristici fotoni (diverse lunghezze d'onda) che emette in stato suscitato.

Si usa questo metodo nell'analisi spettrale, evaporando dei materiali di sconosciuta composizione ad alta temperatura. Analizzando le linee di emissione spettrale si può dedurre la composizione elementare del materiale. In astronomia è il metodo prediletto per indagare sulla composizione di astri molto lontani.

Luce di candela: funzionamento
Un esempio banale terrestre: la candela bruciando, brucia la paraffina con l'ossigeno dell'aria e con questo si forma di anidride carbonica e acqua ad alta temperatura. La temperatura stimola gli atomi di carbonio C, ossigeno O e idrogeno H ad emettere fotoni → luce.

La fiamma ha diverse sfumature a dipendenza della temperatura locale. Lo spettro consiste maggiormente in verde e rosso e un pò di giallo e blu il cui miscuglio produce il colore della fiamma: un bianco giallastro.

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2.2  Rifrazione


Se un raggio di luce passa la superfice tra due materiali trasparenti, viene deviato, rifratto. Questo è dovuto al fatto che la densità ottica dei materiali trasparenti rallenta la velocità dei fotoni. Questa proprietà dei materiali si descrive con l'indice di frazione: vacuo 1.0, aria 1.0003, acqua 1.3, vetro 1.5 ... 1.6, diamante 2.42, ....

Si può osservare il fatto in un bicchiere d'aqua con un oggetto parzialmente immerso.


2.3  Spettri cromatici


Modello oscillatorio

Modello quantistico




Ogni luce è decomponibile in vari colori tramite rifrazione. La luce bianca del sole è un miscuglio luminoso di tanti colori o, fisicamente, di molte lunghezze d'onda tra 400 e 700 nm*.
*1 nanometro → 10-9 = 1/1,000,000,000 m.

In un arcobleno si può osservarlo: la refrazione succede tramite minuscole gocce d'acqua nell'aria a refrazione 1.33-1 = 0.33.
Nel diamante succede lo stesso per la differenza di refrazione 2.42-1 = 1.42.


Per scopi scientifici si decompone la luce tramite prismi di vetro ad alta rifrazione. Essendo la luce rifratta due volte, si raggiunge un gran'angolo tra luce entrante e uscente.

La decomposizione succede perchè la deviazione è diversa per le diverse lunghezze d'onda (fotoni a frequenza alta p.es. blu sono "frenati" di più che dei fotoni a frequenza bassa p.es. rosso).
Così si separano i colori contenuti nella luce (rifrazione).



Per degli spettri altamente nitidi e precisi si usa la diffrazione a reticolo lineare. Come funzionamento è completamente diverso dalla refrazione di prismi, ma il risultato è il medesimo.

Funziona anche con "reticoli riflettenti". Così si può osservare i colori dell'arcobaleno sulla superfice di un CD.


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2.4  Luci, lampade, schermi

La spettroscopia ci dà la possibilità di conoscere le molteplici proprietà delle diverse fonti di luce.



Spettri di fonti luminose

Paragonando gli spettri del sole con quelli delle candele e di diverse lampade (o dello schermo di mio computer), si notano grandi differenze sebbene il risultato (luce biancastra) è apparentemente simile.

Questo ha delle conseguenze giornaliere in quanto le luci influiscono parecchio, non solo sullo stato d'animo, ma anche sulla percezione effettiva dei colori. Per es. ogni sarta va alla finestra per paragonare due colori, perché non si fida delle luce delle lampade.


Luci e spettri

Spettro e riflesso

La composizione dello spettro influisce notevolmente sulla riflessione delle tinte: in estremo, se uno spettro non contiene la banda di colore della tinta, il riflesso sarà zero, quindi nero.

In realtà, si nota la differenza nella prevalenza dello spettro d'origine verso dei colori "freddi", (cioè verde-blu) oppure verso dei colori "caldi" (cioè giallo-rosso).All'acquisto di lampade conviene distinguere e confrontare queste differenze, per evitare possibili disturbi.

Persone che soffrono di melanconia invernale usano spesso delle lampade che simulano la luce del giorno e non solo per via dell'intensità ma anche per la composizione dello spettro luminoso. L'industria offre queste lampade terapeutiche a partire di ca. € 200.-.

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2.5  Intensità di luce

L'intensità della luce emessa da una fonte puntiforme diminuisce in funzione della distanza. La "concentrazione" dei fotoni si disperde in un volume aumentato, con la distanza, in terza potenza.



Per misurare la luce si usano generalmente tre misure: l'intensità luminosa in candela (cd), il flusso luminoso in lumen (lm) e l'illuminazione in lux (lx).
Mentre il flusso luminoso in lumen dipende unicamente della lampada usata, l'intensità luminosa inn candela dipende anche dall'angolo di dispersione e l'illuminazione in lux inoltre dalla distanza tra lampada e superfice illuminata.

Essendo l'occhio umano molto discriminatorio per i diversi colori, i calcoli valgono per una luce verde di 555nm (massima sensibilità dell'occhio). Per altri colori bisogna poi correggere il calcolo in funzione del colore usato.


Calcolatrice fotometrica

Per non dover fare complicati calcoli, un'anima pia ha messo in internet una calcolatrice che ci risparmia questo noioso lavoro (e serve inoltre di capire bene le relazioni tra i valori giocando con le variabili).

Delle tre misure per la luce è immaginabile bene solo una: 1cd (candela) corrisponde ca. alla luce di una vera candela.

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2.6  Temperatura di luce (colore)

Temperatura di colore è un termine usato in illuminotecnica, in fotografia e in altre discipline correlate per quantificare la tonalità della luce. Si misura in kelvin. Wikipedia.it

La luce del sole è composta da una serie di colori, che insieme danno la luce bianca.
Quello che non avevamo visto è che il colore degli oggetti in realtà non esiste, o meglio che il loro colore è dato dall'assorbimento e dalla riflessione dei colori di cui è composta la luce. Sono quindi le lunghezze d'onda (colori della luce) riflesse dall'oggetto a dare all'occhio la sensazione del colore.

Nota: una temperatura cromatica più alta corrisponde a una sensazione più fredda!


Se riscaldiamo un oggetto di metallo il suo colore passerà dal grigio al rosso per diventare, man mano che aumenta la temperatura, arancione, giallo, bianco ed infine azzurro.
Il colore emesso dipenderà dalla temperatura che raggiunge. Questo fa si che la luce di una lampadina illumini gli oggetti con una forte dominante arancione-giallo (in quanto la sua temperatura è di circa 2800°K). Noi generalmente non ci facciamo caso in quanto il nostro occhio (piu precisamente la nostra mente), si adatta automaticamente alla luce ed attribuisce i colori memorizzati alle cose conosciute. Siamo quindi in grado di valutare ugualmente se l'oggetto che vediamo è di un colore o di un'altro.
La pellicola di una macchina fotografica tradizionale non sa fare questa differenziazione e quindi bisognava "correggere" la "temperatura impostata".


Una temperatura bassa di una luce - sempre nell'incandescenza (intorno ai 2.000 °K) - corrisponde a un colore arancione.
Scendendo si passa gradualmente al rosso e all'infrarosso, non più visibile, mentre salendo di qualche migliaio di kelvin la luce si fa prima bianca, quindi azzurra, violetta e ultravioletta.


Quando si dice che una luce è calda, questa corrisponde a una temperatura di colore bassa, viceversa una temperatura maggiore produce una luce definita fredda. Tale definizione ha una motivazione psicologica, poiché la nostra mente tende ad associare a colori come il rosso o il giallo-arancio l'idea di caldo e a colori come il bianco o l'azzurro l'idea di freddo.

2.7  Percezione umana di colori


L'occhio umano percepisce dei fotoni da ca. 400 ... 700nm di lunghezza d'onda. La sensibilità di percezione per vari fotoni è altamente "discriminatoria": l'occhio ha una grande sensibiltà per la banda tra il verde (535nm) e il giallo (575nm) la quale diminuisce sia verso il rosso che verso il blu.


Significa che l'occhio percepisce una gran parte dell'energia nella banda di verde-giallo, mentre verso il blu e il rosso percepisce solo delle frazioni dell'energia contenuta.

L'accomodazione del occhio e del cervello nonché i diversi tipi di fotorecettori (bastoncelli per scuro e coni per luminoso) permette di "impostare" la sensibilità: di notte vediamo meglio nell'ambito delle lunghezze d'onda corte (verso blù-verde) mentre di giorno siamo più sensibili verso le lunghezze d'onda più estese (verso l'ambito verde-giallo).

3.  Proprietà ottiche di materiali e tinte


Lago come specchio

Degli oggetti non hanno di per se un "colore" ma al solito una "tinta". Il loro "colore" viene percepito dall'occhio ed elaborato dal cervello in funzione dai riflessi ed assorbimenti della luce che li incontra, modificato dalle loro tinte.

La luce, proiettata su una superfice, viene in parte riflessa, in parte assorbita, ev. in parte fatta passare. Secondo la ruvidità della superfice e la composizione molecolare della tinta, la luce riflessa è più o meno diffusa (disperso).

3.1  Riflesso e diffusione

Un raggio di luce viene riflesso da una superfice con l'angolo di incidenza. In uno specchio si può osservare questo fatto. Su un foglio di carta è meno evidente per via dello spiccato effetto della diffusione ottica della superfice.


riflesso ottico

diffusione ottica

Uno specchio e un foglio di carta bianca hanno ca. la stessa riflessione (intorno 75%) con la differenza, che lo specchio ha una diffusione di quasi zero, mentre la carta ha una diffusione di ca. 75%.

3.2  Trasparenza, assorbimento, rifrazione

Oltre alla riflessione e alla diffusione (dispersione) ottica le due altre caratteristiche importanti di materiali riguardo la luce sono la trasparenza e l'assorbimento:


  • la trasparenza indica, quanta luce riesce a passare la barriera ottica (dipende evidentemente dallo spessore della barriera)
  • l'assorbimento indica quanta luce viene assorbita (energeticamente trasformato in calore) dalla barriere e dipende essenzialmente dalla tinta della superfice e dal grado di riflessione.

Si può quindi caratterizzare otticamente dei materiali in genere con le quattro indicazioni riflessione, diffusione, trasparenza e assorbimento e per i materiali trasparenti con la rifrazione.


Le seguenti tabelle e il grafico danno un'idea delle proprietà ottiche di vari materiali:




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3.3  Riflessione di luci su tinte colorate


In teoria dei colori, una tonalità o tinta è un colore "puro", ovvero caratterizzato da una singola lunghezza d'onda all'interno dello spettro visibile (o spettro ottico) della luce. In pittura esiste un concetto corrispondente di colore "puro", ovvero senza aggiunta di pigmenti bianchi o neri.

In lingua corrente si usa la parola tinta per delle sostanze che tingono (p.es. pittura, smalto, ...) come anche per la luce che riflettono. In questo testo lo uso per delle tinte "pigmentose" e "fisiologiche" in contrasto ai colori "luminosi".


Delle tinte in questo senso sono delle sostanze che riflettono un determinato colore di uno spettro luminoso e assorbono tutti gli altri.

  • tinta bianca riflette tutti i colori luminosi e non assorbe nessuno.
  • tinta nera assorbe tutti colori luminosi e non riflette nessuno.
  • tinta rossa riflette il colore luminoso rosso e assorbe tutti gli altri.
  • luce rossa su una parete bianca appare rossa
  • luce rossa su una parete nera appare grigia
  • luce rossa su una parete verde appare giallo scuro, sporco
  • luce rossa su una parete rossa appare rossa

La regola è che il colore riflesso è un miscuglio luminoso tra il colore della luce e della tinta. Visto che nessuna tinta è un perfetto riflettore, il riflesso luminoso perde di saturazione e/o di luminosità.

4.  Ombre


dettaglio

Seurat: La Grande Jatte

Pensando alle ombre ci viene spontaneo associarle al colore nero o grigio. Questo è vero, se la luce è bianca e concentrata (focussata) e se non c'è un'altra fonte di luce diffusa.


Il discorso cambia, se a delle luci colorate focussate si aggiunge una luce diffusa, di solito biancastra. Quest'ultima schiarisce le ombre (di solito scure) al punto di poter identificare le loro tonalità.
Si nota che le ombre appaiono nella tonalità "opposta" al colore della luce originale, cioè come complemento della fonte di luce. Si può notare benissimo con dei retroproiettori.

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Page last modified on April 26, 2013, at 01:35 PM