★ KAI ★
Kai Jerzö
‘Jerzovskaja’
– Welkom in het hier en nu –
★ Waarnemen en vormgeven ★
Kleur (3): Fysica en optica
Optica is een centraal vakgebied binnen de fysica en essentieel voor het begrijpen van het zien en de kleurleer. Dit hoofdstuk is gewijd aan de fysische basisprincipes van licht en de invloed daarvan op de kleurwaarneming.
Licht en kleur
Om licht en kleur te beschrijven worden twee fundamentele modellen gebruikt: het deeltjesmodel en het golvenmodel. Beide zijn essentieel om de fysische eigenschappen van licht en de interacties ervan te begrijpen.
A. Licht als deeltje – Het deeltjesmodel
Isaac Newton (1643–1727) toont in 1676 experimenteel aan dat wit licht in zeven spectrale kleuren – rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet – kan worden opgesplitst. Hij beschrijft licht als kleine deeltjes (zogenaamde corpusculen), die zich in een rechte lijn bewegen. Reflectie en breking verklaart Newton door de interactie van deze deeltjes met oppervlakken.
Het deeltjesmodel kan echter fenomenen zoals interferentie en diffractie, die typisch zijn voor golven, niet verklaren.
B. Licht als golf – Het golvenmodel
Christiaan Huygens (1629–1695) ontwikkelt het golvenmodel, volgens welke licht zich als een golf in een hypothetisch “ether” verspreidt. Licht gedraagt zich als een elektromagnetische golf die zich overlag en versterkt of uitdooft.
Thomas Young (1773–1829) bewijst met het dubbel-spleet experiment in 1801 dat licht interferentiepatronen produceert – een bewijs voor de golven natuur van licht. Licht kan dus als een elektromagnetische golf worden beschreven, die zich overlag en wederzijds versterkt of uitdooft.
C. Kleurwaarneming – De trichromatische theorie
Thomas Young formuleert in 1827 de hypothese dat de menselijke kleurwaarneming berust op drie receptor-types in het oog die respectievelijk gevoelig reageren op rood, groen en blauwviolet. Licht van verschillende golflengten wordt waargenomen als verschillende kleuren, terwijl de menging van deze basiskleuren alle andere kleursensaties oproept.
D. Licht als kwantumfenomeen – Het deeltje-golf dualisme
Het werk van Newton en Young legt de basis voor het hedendaagse begrip van licht. James Clerk Maxwell bewijst in 1865 dat licht een elektromagnetische golf is die geen ether nodig heeft.
Albert Einstein toont in 1905 aan dat licht ook deeltjeskenmerken bezit en introduceert het concept van het “foton” om de kwantum aard van licht te verklaren. Een foton is een lichtdeeltje – de kleinste eenheid of “kwantum” van licht – en andere elektromagnetische straling, die een bepaalde hoeveelheid energie draagt en op deze manier met materie interacteert. Afhankelijk van hoe het wordt waargenomen, vertoont het foton ofwel eigenschappen van een golf of van een deeltje – een fenomeen dat het deeltje-golf dualisme wordt genoemd.
Fotonen hebben geen vaste eigenschappen. Ze kunnen afhankelijk van het experiment ofwel als golf (bij interferentie en diffractie) of als deeltje (bij interactie met materie) verschijnen. Dit betekent echter niet dat het foton “wisselt” tussen de twee toestanden, maar dat de manier waarop het met de omgeving interacteert afhangt van hoe het wordt gemeten.
Een fascinerend aspect is dat de toestand van een foton onbepaald blijft totdat het gemeten wordt. Het waarnemingsproces kan deze toestand beïnvloeden – wat de Kopenhagense interpretatie van de kwantummechanica wordt genoemd. In zekere zin zou men kunnen zeggen dat de toestand van een foton pas wordt “vastgesteld” door de meting. Het blijft echter onduidelijk of de geobserveerde energie alleen door het meetproces zelf “ontstaat”.
Licht wordt daarom beschreven als een fenomeen dat geen vaste, klassieke eigenschappen heeft, maar zich afhankelijk van de meting anders gedraagt – een continu dynamische toestand van onbepaaldheid en interactie. Einstein gebruikt het concept van fotonen om te verklaren waarom licht met bepaalde golflengten elektronen uit een metalen oppervlak kan losmaken, terwijl licht met andere golflengten dit niet kan. De energie van een foton is direct afhankelijk van zijn golflengte: kortere golflengten (bijvoorbeeld UV-licht) dragen meer energie per foton dan langere golflengten (bijvoorbeeld infraroodlicht).
Zichtbaar licht – Het elektromagnetisch spectrum
[ Afb. 1: Tabelweergave: Golflengtebereiken in het elektromagnetische spectrum, inclusief zichtbaar licht (380–750 nm), Afb. 2: Prisma: Schematische weergave van lichtbreking en opsplitsing in spectrale kleuren, Afb. 3: Spectrum van de regenboog: Weergave van de door het oog zichtbare kleuren van blauwviolet tot rood. ]
Het bereik van zichtbaar licht
Het elektromagnetische spectrum omvat golflengten van zeer kortgolvige kosmische straling tot lange radiogolven. Het bereik van zichtbaar licht, dat door het menselijke oog waarneembaar is, vormt slechts een klein gebied tussen infrarood warmtestraling en ultravioletstraling en strekt zich uit van ca. 380 nm (blauwviolet) tot ca. 750 nm (rood).
Kleurwaarneming en golflengte
- Blauwviolet: ca. 380–450 nm (kortgolvig)
- Groen: ca. 500–570 nm
- Rood: ca. 700–750 nm (langgolvig)
Elke golflengte wordt door de specifieke prikkeling van de receptoren (zichtcellen) in het oog als een bepaalde kleur waargenomen.
Lichtbreking en spectrale kleuren
De opsplitsing van wit licht in zijn spectrale kleuren wordt zichtbaar wanneer het door een prisma of waterdruppels wordt gebroken, zoals bijvoorbeeld bij een regenboog. De spectrale kleuren zijn spectraalzuiver en kunnen niet verder worden opgedeeld.
Bij het passeren van een prisma wordt licht twee keer gebroken – eenmaal bij het binnengaan en eenmaal bij het uitgaan. Omdat verschillende golflengten verschillend sterk worden afgebogen, ontstaat een continu spectrum. Dit spectrum omvat ongeveer 300 kleurnuances, wat aantoont dat wit licht een mengsel is van alle golflengten.
Frequentiebereiken in het elektromagnetische spectrum
Van kort- naar langgolvig geordend:
- Kosmische straling
- Gammastraling
- Röntgenstraling
- Ultravioletstraling
- Zichtbaar licht (“spectrum”)
- Infraroodstraling
- Microgolven
- Ultrakorte golven
- Korte golven
- Middelgolven
- Lange golven
Samenvatting
Licht vertoont zowel deeltjes- als golfkenmerken en kan worden beschreven als een kwantumfenomeen. Kleurwaarneming is gebaseerd op de absorptie van specifieke golflengten door de receptoren in het oog en hun verwerking in de hersenen. Optica combineert fysische, fysiologische en wiskundige benaderingen om het fenomeen licht en de kleurnaam te verklaren.
– KAI
© Kai Jerzö, 7 december 2024 –
Bronvermelding
Citaat? Ja, graag, als volgt:
– Jerzö, Kai (2024): ‘Waarnemen en Vormgeven – Ontwerpvaardigheid kleur: Fysica en optica.’ 2024-12-07. In: Illustration.world-Blog, 2024-12-07. URL: https://illustration.world/design_competence_colour_3_nl/ .
