§ 51. Приемники излучения

Качество каждого источника излучения оценивается не абсолютно, а по отношению к воспринимающему излучение приемнику. Существует большое количество самых различных приемников излучения. Наиболее важные из них: термоэлементы, фотоэлементы,

фотопластинки, листья растений и, наконец, глаза животных и человека.

Поглощенная приемником лучистая энергия обычно превращается в другие виды энергии. В термоэлементах и фотоэлементах происходит превращение в электрическую энергию; в остальных указанных случаях поглощенное излучение вызывает химические реакции, т. е. энергия излучения переходит в энергию химических связей.

Важным свойством приемника лучистой энергии является его чувствительность к разным длинам волн падающего излучения.

Наиболее «безразличный» приемник — термоэлемент. Нагрев термоэлемента, а следовательно, и даваемый им ток пропорциональны энергии падающих на него лучей и в широком спектральном диапазоне не зависят от длины волны. Поэтому термоэлементы широко применяются для измерения энергии излучения (т. II, § 32, 1959 г.; в пред. изд. § 39).

Рис. 185. Чувствительный термоэлемент для измерения лучистой энергии.

На рис. 185 изображен термоэлемент, применяемый для измерения лучистой энергии. Излучение попадает на спай или на кусочек прикрепленной к нему фольги, покрытой платиновой чернью, нагревает спай и вызывает термоток. Для большей чувствительности термоэлемент делается из очень тонких (толщина порядка микрона) полосок металлов (манганин и константан) и помещается в откачанную колбу. Первые вакуумные термоэлементы были изобретены П. Н. Лебедевым. Пользуясь термоэлементом, мы можем сравнивать энергию разных длин волн в спектре и, предварительно проградуировав его, определять абсолютное значение энергии излучения в эргах. Чувствительность таких термоэлементов — порядка на 1 мквт мощности падающего излучения.

Рис. 186. Спектральные характеристики катодов кислородно-дезиевого типа с различными щелочными металлами.

Фотоэлементы (т. II, § 54, 1959 г.; в пред. изд. § 96) обладают резко выраженной зависимостью чувствительности от длины волны падающего излучения. На рис. 186 изображены типичные кривые спектральной чувствительности фотоэлементов.

По оси абсцисс отложены длины волн падающего на фотоэлемент излучения, а по оси ординат — фототоки, даваемые фотоэлементом при постоянной энергии падающих лучей. Из кривых рис. 186

видно, что фототок зависит не только от энергии падающего излучения, но и от его спектрального состава. Любопытно отметить, что при освещении плоского фотоэлемента поляризованным светом наблюдается сильное изменение формы кривой спектральной чувствительности в зависимости от угла между плоскостью поляризации и плоскостью падения (рис. 187).

Светочувствительный слой фотопластинок и кинопленок представляет собой тонкую желатиновую пленку, внутри которой находятся микроскопические кристаллики бромистого серебра — эмульсионные зерна.

Рис. 187. Влияние поляризации света на спектральную чувствительность фотокатода.

Рис. 188. Характеристическая кривая фотопластинки.

Под действием света эти зерна приобретают способность превращаться в металлическое серебро. Но само превращение зерен в металлическое серебро происходит только при помещении фотопластинки в специальный раствор, называемый проявителем (рис. VII в конце книги). Металлическое серебро выделяется в виде мелких частиц и имеет черный цвет (рис. VIIа). После проявления пластинку помещают в раствор, называемый закрепителем или фиксажем. В закрепителе происходит удаление всего неразложенного бромистого серебра, оставшегося в эмульсии. В результате получается негатив — фотопластинка или пленка, у которой освещавшиеся места содержат металлическое серебро и поглощают свет, а неосвещавшиеся места совершенно прозрачны.

Почернением фотографической пластинки называют ее оптическую плотность (§ 46). На рис. 188 изображена характеристическая кривая фотопластинки, представляющая зависимость почернения от логарифма количества падавшего на пластинку света.

Мы видим, что почернение очень сложным образом зависит от интенсивности света. При малых количествах света (недодержка) почернение медленно растет с интенсивностью, затем имеется прямолинейный участок кривой (область нормального почернения); при слишком большом засвечивании наблюдается уже насыщение (передержка) и, наконец, даже уменьшение почернения

(соляризация). При этом, конечно, играют роль и интенсивность света, и продолжительность освещения.

Фотографические пластинки обладают резкой зависимостью чувствительности от длины волны падающего излучения. На рис. 189 изображены типичные кривые спектральной чувствительности фотопластинок. В светочувствительный слой вводятся специальные вещества. — сенсибилизаторы, повышающие чувствительность и улучшающие форму кривой спектральной чувствительности. Мы видим, что у сенсибилизованных изопанхроматических пластинок уже довольно постоянная чувствительность в области от 650 до Следует указать, однако, на наличие у всех пластинок минимума («провала») чувствительности в зелено-голубой части спектра, около

Рис. 189. Кривые спектральной чувствительности фотопластинки: 1 — обычная эмульсия; 2 — ортохроматическая эмульсия; 3 — изопанхроматическая эмульсия.

Человеческий глаз как приемник лучистой энергии обладает весьма своеобразными характеристиками, имеющими большое практическое значение.

На рис. 22 (стр. 47) изображен разрез человеческого глаза. Падающий на глаз свет фокусируется хрусталиком (§ 11) на сетнатку. Сетчатка состоит из колбочек и палочек (рис. 190). Колбочки менее чувствительны к свету, но благодаря им мы различаем цвета. Палочки более чувствительны, зрение при слабом освещении обусловлено ими (сумеречное зрение), и они не участвуют в восприятии цветов. В средней части сетчатки находится желтое пятно — здесь больше всего колбочек. В месте входа глазного нерва находится слепое пятно, где нет ни колбочек, ни палочек.

Под действием света светочувствительное вещество сетчатки разлагается. По мере воздействия света на глаз запас светочувствительного вещества уменьшается и соответственно понижается чувствительность глаза к свету. Наоборот, по мере пребывания в темноте

Рис. 190. Строение сетчатки глаза.

это вещество восстанавливается и чувствительность глаза повышается. Кроме того, в темноте зрачок глаза расширяется, а на свету сужается. Леонардо да Винчи писал: «Природа поступает здесь как тот, у кого в помещении слишком много света и кто закрывает половину окна, больше или меньше, смотря по надобности». Приспособление глаза к свету и темноте носит название световой или темновой адаптации. Благодаря адаптации чувствительность глаза может изменяться в сотни тысяч раз.

Фотохимическую теорию темновой адаптации разработал П. П. Лазарев.

Мы видим, каким гибким приемником излучения является человеческий глаз. Вместе с тем мы видим, насколько субъективны должны быть оценки яркости, даваемые на основании просто зрительного впечатления.

Рис. 191. Кривая видимости.

Чувствительность человеческого глаза к различным длинам волн различна.

Из всего падающего излучения глаз воспринимает лишь узкую область спектра от называемую видимым спектром. Эта область определяется чувствительностью сетчатки и прозрачностью тех сред, которые приходится проходить излучению в глазе. Интересно, что люди с удаленным хрусталиком глаза хорошо видят довольно коротковолновые ультрафиолетовые лучи

Даже в пределах видимого спектра чувствительность глаза неодинакова. При дневном зрении наибольшей чувствительностью глаз обладает для длины волны Условно считают, что вся радиация этой длины волны воспринимается глазом в виде света. Коэффициенты видности для остального спектра изобразятся кривой, представленной на рис. 191. Например, одна

и та же мощность излучения при длинах волн воспринимается глазом в виде яркостей, относящихся, как

Существенно, что глаз обладает резким порогом чувствительности и не воспринимает световых потоков, меньших некоторой предельной величины.

В состоянии полной темновой адаптации глаз реагирует, согласно С. И. Вавилову, на световую энергию порядка

При слабом освещении (сумеречное зрение) вся кривая чувствительности смещается в коротковолновую часть спектра (рис. 192) и максимум чувствительности приходится примерно на Вследствие этого при сумеречном зрении голубые тона кажутся относительно более яркими (явление Пуркинье).

Рис. 192. Явление Пуркинье.

Хорошим примером явления Пуркинье может служить сравнение светлоты двух цветков: красного мака и василька. Днем они кажутся по своей светлоте почти одинаковыми. При наступлении сумерок красный мак начинает казаться почти черным и гораздо более темным, чем василек, становящийся светло-серым.

Такая изменчивость характеристик глаза заставляет нас быть очень осторожными при различных световых измерениях, производимых с помощью глаза.

Все световые характеристики, о которых мы будем говорить дальше, будут относиться к условиям дневного зрения «среднего» глаза.

Способность человеческого глаза различать цвета чрезвычайно обогащает наше восприятие внешнего мира.

В. И. Ленин в книге «Материализм и эмпириокритицизм» неоднократно приводит цветовое зрение как пример, подтверждающий справедливость основных положений диалектического материализма. Ленин пишет: цвет есть результат воздействия физического объекта на сетчатку = ощущение есть результат - воздействия материи на наши органы чувств». И далее: «Ибо раз вы признали, что источник света и световые волны существуют независимо от

человека и от человеческого сознания, цвет зависит от действия этих волн на сетчатку, — то вы фактически встали на материалистическую точку зрения...».

В настоящее время общепринята трехкомпонентная теория цветового зрения, согласно которой восприятие любого цвета слагается из восприятий трех основных цветов: красного, зеленого и синего, смешанных в соответствующих пропорциях. Художники практически пользуются этой теорией уже очень давно, но только недавно (1947 г.) Грант доказал прямыми электрофизиологическими опытами ее справедливость.

Наиболее интересным практическим применением трехцветной теории явилось создание цветной фотографии и, особенно, цветной кинематографии. Поясним действие фотопленки для цветной фотографии. На рис. VIII в конце книги, изображен разрез такой пленки: 1 - первый светочувствительный слой, состоящий из несенсибилизированной эмульсии, чувствительной только к синим лучам; 2 — тонкий слой желтоокрашенного желатина, играющего роль светофильтра, не пропускающего синих лучей; 3 — второй светочувствительный слой ортохроматической эмульсии, чувствительной к желто-зеленым лучам; 4 — третий светочувствительный слой из эмульсии, чувствительной к красным лучам. Второй и третий светочувствительные слои чувствительны, конечно, и к синим лучам, но их не пропускает желтый светофильтр.

Таким образом, сочетание слоев с разной спектральной чувствительностью и светофильтра позволяет произвести цветоделение света, падающего на пленку. При проявлении в обычном проявителе в пленке получается три негатива: в первом слое негатив, соответствующий изображению предмета в синих лучах, во втором слое — в желто-зеленых и в третьем слое — в красных лучах. Однако при этом никакого цветного изображения не возникнет, ибо все три негатива будут черными. Для получения цветного изображения необходимо применить так называемое цветное проявление. Цветное проявление основано на том, что продукты окисления проявляющего вещества, возникающие при восстановлении серебра, могут, соединяясь с определенными другими веществами (цветными компонентами), образовывать красители.

В каждый светочувствительный слой вводят соответствующую цветную компоненту, и в результате цветного проявления каждый слой окрашивается в свой цвет. Верхний слой становится желтым, средний пурпурным и нижний голубым. Все цвета обращены, ибо речь идет о негативе, так же как в черно-белом негативе черное становится белым и наоборот. Затем производится отбеливание, т. е. растворение металлического серебра и обесцвечивание желатинового желтого слоя. С полученного цветного негатива получают позитив на фотопленке или на бумаге, которые также обладают трехслойной эмульсией (рис. IX и X в конце книги).