Картазаев В.А., Картазаева С.А. Почему мы видим в «видимом» диапазоне?

Для того чтобы ответить на вопрос, почему человеческий глаз воспринимает излучение в диапазоне 0,38-0,8 мкм, необходимо, во-первых, ответить на вопрос, а что же мы видим, – излучение, отраженное предметом, или излучение, испущенное предметом? Испускание предметом электромагнитных волн (свечение тела) может осуществляться за счет внутренней энергии – это тепловое излучение. Тепловое излучение имеет место при любой температуре, однако при невысоких температурах, которые существуют на Земле в природе, излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны. Спектр излучения нагретого тела описывается спектром излучения абсолютно черного тела при данной температуре [1]. Распределение энергии по длинам волн в спектре излучения абсолютно черного тела показано на рис. 1.

а

б

Рис. 1. График распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при различных температурах

Этот рисунок дает представление о распределении энергии в спектре и об изменении распределения с температурой. Кривые показывают, что излучение охватывает не только видимую, но и инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра. Область, относящаяся к видимому диапазону, заштрихована. Для тел, температура которых порядка 300 К, а именно такую температуру имеют тела на поверхности Земли, максимум излучаемой энергии приходится на долю инфракрасных лучей с длиной волны порядка 10 мкм. В видимой области тела при этой температуре практически не излучают. Следовательно, если бы мы видели излучение, которое испускают тела, то глаз должен был бы воспринимать инфракрасное излучение. Таким образом, мы видим отраженное от тел излучение, которое освещает тела. Источником света па Земле является Солнце, мы видим днем и не видим ночью, когда Солнца нет. Температура поверхности Солнца составляет около 6000 К. Спектр излучения Солнца соответствует спектру излучения абсолютно черного тела при этой температуре. Максимум интенсивности излучения по длинам волн приходится примерно на длину волны 0,5 мкм (рис. 1, а). Поскольку видение предметов осуществляется посредством отраженного света, то наиболее подходящим для зрения является интервал длин волн, на который приходится максимальная интенсивность излучения, то есть вблизи λ=0,5 мкм. Причем на интервал видимого диапазона электромагнитных волн приходится значительная часть полной энергии излучения Солнца (40%). Поэтому вполне естественно, что в процессе эволюции именно в этом диапазоне развилась способность человека к зрению. На ультрафиолетовый диапазон спектра 0,3-0,4 мкм приходится порядка 1% энергии излучения Солнца у поверхности Земли, поэтому его вклад в освещенность предмета незначителен. Однако более 50% энергии, излучаемой Солнцем, приходится на инфракрасную часть спектра [2]. Следовательно, энергетические соображения, в принципе, не исключают возможности использования этого диапазона для зрения. Попытаемся ответить на вопрос, почему инфракрасная область спектра все же непригодна для зрения.

Главная причина непригодности ИК-излучения для зрения связана с существованием большого фонового излучения, т.е. больших «шумов «, в этом диапазоне, которые делают невозможным зрение глазами в отраженном свете. Здесь мы не рассматриваем условия, при которых в ИК-диапазоне можно видеть предметы за счет их излучения («ночное видение»). Это отдельный вопрос.

Главным условием для эффективного зрения является соотношение между потоком фотонов, несущих информацию о предмете, и потоком тепловых фотонов, которые излучают все окружающие тела и земля. Тепловые фотоны никакой информации не несут и создают просто фоновый шум. Когда смотришь на предмет против Солнца, то солнечное излучение в этом случае выступает как фоновый шум, на фоне которого предмет не виден. Чем больше превышение потока фотонов, несущих информацию, над потоком фотонов, создающих шум, тем лучше условия зрения. Поток фотонов, несущих информацию о предмете, возникает за счет отражения предметом излучения Солнца. Чтобы оценить эффективность зрения в различных диапазонах, необходимо сравнить поток фотонов или их концентрацию, т.е. число в единице объема, солнечного излучения и теплового. Для видимого диапазона с длиной волны λ=0,5 мкм это отношение имеет величину порядка 10³⁵, т.е. число шумовых фотонов совершенно ничтожно [2]. Практически на этой длине волны ни какого шума нет.

Теперь рассмотрим ситуацию в ИК-диапазоне, например, для λ=2 мкм. Отношение числа фотонов, несущих информацию, к числу шумовых фотонов приблизительно равно 10⁶ (отличается от предыдущего на 30 порядков!). Отсюда видно, что условия для зрения в этом диапазоне значительно хуже. Если же учесть, что при наблюдении предмета в глаз попадает рассеянное предметом излучение в очень малом телесном угле, а тепловые фотоны падают на все точки сетчатки глаза со всех направлений, то это уменьшит отношение числа фотонов, несущих информацию к числу тепловых фотонов еще на четыре – пять порядков. В итоге число шумовых фотонов становится сравнимо с числом фотонов, рассеянных предметом. Очевидно, что в этом случае зрение становится невозможным в этой области спектра.

Помимо ИК-области, зрение, в принципе, возможно и в УФ-области спектра с λ<0,38 мкм. Почему же человеческий глаз не использует этот диапазон? Дело в том, что, как видно из рис. 1, на область длин волн короче 0,38 мкм приходится незначительная доля энергии солнечного излучения и, кроме того, при прохождении света через атмосферу Земли в результате рассеяния и поглощения спектр у поверхности Земли обрывается примерно на длине волны ~ 0,3 мкм. Волны с меньшей длиной волны поверхности Земли не достигают. Это обусловлено поглощением их озоном О₃ в верхних слоях атмосферы. Излучение же в области 0,3-0,4 мкм сильно ослабляется при прохождении атмосферы в результате рассеяния. В итоге доля энергии излучения в области 0,3-0,4 мкм, которая в спектре Солнца составляет около 5%, у поверхности Земли равна всего около 1%, когда Солнце в зените, и уменьшается в 10⁴ раз при заходе Солнца (увеличивается толщина проходимого светом слоя воздуха).

Подводя итог, можно сказать, что видимый диапазон наиболее подходит для зрения, потому что на более короткие волны приходится слишком малая доля энергии, а на более длинных волнах зрению мешают тепловые шумы.

1. Элементарный учебник физики / Под ред. Г.С.Ландсберга. – М.: Наука. – Т. III. – 1995. – С. 418.

2. Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высшая школа, 1985. — С. 14.