El espectro visible es la parte del espectro electromagnético que es perceptible por los humanos . El espectro se descompone en radiaciones monocromáticas mediante el paso de la luz a través de un dispositivo de dispersión (prisma o red de difracción): este es el análisis espectral .
La sensibilidad del ojo según la longitud de onda disminuye gradualmente a ambos lados en un máximo entre 495 y 555 nanómetros (nm) según el campo de visión y las condiciones de la medición. No se pueden dar límites exactos al rango de radiación visible. La Comisión Internacional de Iluminación define la visión del observador de referencia hasta un valor 50.000 veces inferior al máximo, para una longitud de onda en el vacío de 380 a 780 nm .
El espectro visible ocupa la mayor parte de la ventana óptica , un rango de longitudes de onda bien transmitidas por la atmósfera de la Tierra , que se superpone al que donde la irradiancia solar es mayor en la superficie de la Tierra . Las longitudes de onda más cortas dañan la estructura de las moléculas orgánicas, mientras que el agua, un componente abundante de los seres vivos, absorbe las más largas.
El término espectro , que significa "aparición inmaterial", "ilusión" aplicado, el XVII ° siglo, todos los fenómenos ópticos que no podían ser explicadas. Sinónimo de color accidental , se utilizó para las impresiones retinianas de contrastes simultáneos o sucesivos, así como para la iridiscencia vista en el borde de un objeto visto a través de un prisma .
Newton utiliza el término " espectro " sólo una vez para presentar sus experimentos en óptica en su artículo publicado en 1671 sobre "su nueva teoría sobre la luz y los colores" . Procediendo con cuidado, proyecta un rayo de luz solar blanca que atraviesa una persiana a través de un orificio de 6 mm de diámetro y es desviado por un prisma en una pared, y obtiene un espectro ( op. Cit. , P. 3076) aproximadamente cinco veces más largo que es ancho. Al eliminar todas las demás causas posibles, Newton concluye que la luz blanca es "una mezcla heterogénea de rayos refrangibles diferentes" ( op. Cit. , P. 3079). Los colores no son, dice, calificaciones de la luz , como se estimaba desde Aristóteles , sino propiedades originales, diferentes en cada rayo; los menos refrangibles son de color rojo, y los más refrangibles son de color púrpura oscuro, y esta combinación de propiedades no puede romperse de ninguna manera ( op. cit. , p. 3081). Las transmutaciones de colores solo ocurren cuando hay una mezcla de rayos. Son estos colores obtenidos por mezcla, y no los separados por el prisma, los que son ilusorios, fugaces y aparentes. "Los colores primarios o originales son el rojo , amarillo , verde , azul y violeta-púrpura , junto con el naranja, el índigo y una variedad indefinida de gradaciones intermedias" . De esta manera se puede explicar toda una serie de fenómenos ópticos, incluida la coloración de los objetos: así concluye sobre este punto que "los colores de los objetos naturales no tienen otro origen que éste: están constituidos de forma variable. Para reflejar un tipo de color en mayor cantidad que otros ” ( op. cit. , p. 3084). Con estas conclusiones, está claro que Newton ya no utilizará el término espectro . Los “colores prismáticos” ( op. Cit. , P. 3087) no son ilusorios ni inmateriales: los otros colores lo son.
La teoría de Newton fue adoptada inmediatamente por el público, pero los eruditos influyentes, como du Fay , dudaron. Señalan que Newton presenta como un hecho lo que en realidad es solo una hipótesis plausible , no siendo su experiencia suficiente para demostrar que el prisma no crea rayos de luz de colores, diferentes por naturaleza de la luz blanca. Voltaire defiende la teoría de Newton con una interpretación particular que transforma el espectro continuo en siete rayos principales. El jesuita Castel se opone resueltamente a lo que ve como una moda pasajera. ¿Cuáles, dice, son estos siete colores que discierne el científico inglés, en comparación con los tres que, como los pintores y tintoreros conocen desde hace mucho tiempo, son suficientes para reconstituir una infinidad de ellos?
Después de más de un siglo, intelectuales y filósofos como Goethe seguido de Schopenhauer aún disputan las construcciones de la física. Para ellos, los colores prismáticos son un "espectro", una ilusión engañosa. La explicación por causas fisiológicas, con la teoría de Young y Helmholtz , de la síntesis tricrómica de colores, resolverá la aparente contradicción entre las prácticas de los coloristas y los experimentos de los físicos.
Al principio del XIX ° siglo, los experimentos con espectáculo de luz solar que hay una radiación invisible ambos lados de él como los diferenciales de prisma fuera rayos de colores. En 1800, William Herschel descubrió que se podía calentar un termómetro exponiéndolo a la oscuridad en el lado rojo; al año siguiente, Johann Wilhelm Ritter observó que el papel empapado en cloruro de plata se oscurecía cuando se exponía a la oscuridad en el lado púrpura, más rápido que cuando se exponía al púrpura. Por lo tanto, los colores prismáticos se amplían con partes invisibles, infrarrojas y ultravioleta .
James Clerk Maxwell muestra en 1864 que la luz es una perturbación electromagnética. Se le aplica el modelo para describir fenómenos periódicos. Las fórmulas utilizadas en acústica describen vibraciones electromagnéticas; surgen del análisis de frecuencia resultante del análisis armónico desarrollado desde Joseph Fourier para cualquier fenómeno periódico . La luz no es más que un caso especial de onda electromagnética. La física adopta el término espectro , en el sentido de "descripción de una señal por las frecuencias o las longitudes de onda (o incluso las energías) que la componen" , que se obtiene de la descripción temporal por la transformación de Fourier . Por tanto, es necesario especificar el espectro visible cuando hablamos del de la luz.
Después de separar la investigación óptica de la percepción, las artes del color y la colorimetría adoptan una serie de caracterizaciones del color que les son únicas.
Desde el punto de vista de la física , la luz es radiación electromagnética . Ocupa una fracción muy pequeña del espectro de todas estas radiaciones; la relación entre la longitud de onda visible más larga y la más corta es aproximadamente 2, mientras que los extremos del espectro electromagnético están en una relación de 10 15 .
Esta pequeña región del espectro electromagnético constituye la mayor parte de la ventana óptica , un término que designa un rango de longitudes de onda que la atmósfera de la Tierra transmite bien. Se superpone con aquello donde la irradiancia solar es máxima en la superficie de la Tierra . Esta fracción del espectro solar juega un papel importante en el desarrollo de la vida; las longitudes de onda más cortas dañarían la estructura de las moléculas orgánicas, mientras que el agua, un componente abundante de los seres vivos, absorbe las más largas. El espectro visible corresponde a energías fotónicas cercanas a los 2 eV , entre las más débiles de las que pueden provocar reacciones químicas. La parte más energética se extiende a los rayos ultravioleta , mientras que la parte menos energética se extiende a los rayos infrarrojos , invisibles pero que transportan energía transformada en calor cuando se absorbe.
Es habitual, en óptica , caracterizar las radiaciones monocromáticas por su longitud de onda en el vacío ; esta magnitud es útil en varias aplicaciones. La velocidad de la luz en un material es más lenta que en el vacío . La relación de estas velocidades es el índice de refracción del material. Cuando un rayo de luz cruza oblicuamente el límite entre dos materiales de diferentes índices de refracción, sufre una desviación que depende de la relación de estos índices. En materiales dispersivos , la velocidad de propagación de la radiación, y por tanto el índice de refracción, depende de la frecuencia o energía fotónica . La desviación, al pasar por dicho medio, depende de esta diferencia de velocidad. Los componentes de una luz que contiene una mezcla de frecuencias se dispersan así. El agua es uno de esos materiales y el paso de la luz solar a través de las gotas de agua en el aire produce un arco iris . Los vidrios ópticos son más o menos dispersivos. Se pueden utilizar para descomponer la luz blanca con un prisma : es el experimento de Newton en el origen del término espectro . Una rejilla de difracción también permite, por efecto de interferencia, la dispersión de los rayos de luz según la frecuencia. Actualmente, es el método principal para el análisis del espectro.
En óptica, el espectro se describe generalmente en función de la longitud de onda de la radiación en el vacío. Al pasar por cualquier medio, la velocidad de la luz disminuye, mientras que la frecuencia y la energía fotónica equivalente permanecen iguales. Por tanto, la longitud de onda varía de un medio a otro dependiendo de la potencia de refracción . Sería más riguroso definir la radiación según la energía del fotón, pero por razones históricas y sobre todo prácticas, se habla de longitud de onda, implicando en el vacío .
La sensibilidad del ojo disminuye gradualmente con la longitud de onda y varía entre los individuos, por lo que se pueden dar varios límites al espectro visible. La Comisión Internacional de Iluminación define la visión del observador de referencia entre una longitud de onda en el vacío a partir de 380 nanómetros (nm) , percibida como un violeta extremadamente oscuro, y hasta 780 nm , correspondiente también a un rojo apenas perceptible.
En condiciones excepcionales, como la supresión del cristalino después de una cirugía de cataratas, estos límites de la percepción humana pueden extenderse hasta 310 nm en el lado ultravioleta y hasta 1100 nm en el infrarrojo cercano .
El estudio científico de los objetos basado en el análisis de la luz que emiten se denomina espectroscopia . En astronomía , es un medio esencial para analizar objetos distantes. La espectroscopia astronómica utiliza instrumentos de alta dispersión para observar el espectro a resoluciones muy altas .
En espectroscopia, el límite visible a menudo tiene poca importancia y el análisis se extiende mucho más allá del infrarrojo y el ultravioleta. La radiación a veces se caracteriza por una variante del número de onda , el inverso de la longitud de onda en el vacío. En esta escala, la parte visible del espectro se extiende aproximadamente, de rojo a azul violeta, de 1500 a 2300 cm -1 .
Fraunhofer fue el primero en detectar la existencia de líneas oscuras en la luz del sol interrumpidas por el prisma. Las líneas dan fe de la emisión o absorción de luz por elementos químicos . Su posición en el espectro proporciona información sobre la naturaleza de los elementos químicos presentes; el efecto Doppler afecta levemente a esta posición, de la cual deducimos la velocidad radial de las estrellas. El análisis del espectro de estrellas ha alcanzado una resolución tan alta que se pudieron detectar variaciones en su velocidad radial de unos pocos metros por segundo, lo que llevó a la conclusión de la existencia de exoplanetas , revelada por su influencia gravitacional sobre ellos. .
El ojo humano distingue el campo fotópico de color (día), es decir con una luminancia de 3 a 5000 cd / m 2 . Comparando el efecto de las radiaciones monocromáticas que dan la misma percepción de luminosidad, encontramos que el resplandor es mínimo para una radiación con una longitud de onda cercana a los 555 nm , que corresponde a un verde amarillento. Esta radiación, cercana a la máxima de la del sol , corresponde a la mayor sensibilidad visual.
Cada "color espectral" corresponde a una longitud de onda específica; sin embargo, el espectro de luces que se encuentran en la naturaleza generalmente incluye toda la radiación, en proporciones variables. La espectrometría estudia los procesos de descomposición, observación y medición de la radiación en bandas de frecuencia estrechas.
Espectrómetro de corriente:Un espectrómetro del espectro visible (y longitudes de onda relacionadas) se ha convertido en un instrumento bastante común, que analiza la luz en bandas de longitud de onda de 5 a 10 nm .
Tal aparato, capaz de dar cien niveles diferentes para cada una de sus cuarenta bandas, puede representar 100 40 espectros diferentes.
En algunas regiones del espectro, un ser humano normal puede distinguir ondas de longitudes de onda que difieren en menos de 1 nm y más de cien niveles de brillo. Sin embargo, la descripción de un color no necesita tantos datos como podría sugerir la espectroscopia. Los seres humanos solo tienen tres tipos de receptores en la visión diurna, y tres números son suficientes para describir un color percibido. Muchas luces mezcladas con varias radiaciones de diferentes longitudes de onda, llamadas metameros , se perciben de manera idéntica. Las luces monocromáticas no tienen metamer, excepto para usar una mezcla de dos radiaciones cercanas para dar a percibir un intermediario entre ellas.
La colorimetría describe el color percibido; pero la espectrometría tiene una gran utilidad cuando se trata de colores de superficie. Una superficie coloreada refleja parte del espectro del iluminante que la ilumina absorbiendo el resto. Cambiar el iluminante es cambiar la luz emitida por la superficie. Dos superficies pueden parecer idénticas bajo un iluminante, pero, como su reflectancia espectral es diferente, ya no serán metaméricas bajo otro. Para solucionar los problemas que esto puede crear, sin tener que experimentar con todos los iluminantes posibles, es necesario estudiar su espectro.
El término luz se usa a veces por extensión para denotar radiación ultravioleta (UV), como en la expresión “luz negra”, o infrarroja (IR), aunque esta radiación no es visible.
Aunque el espectro es continuo y no hay un límite claro entre un color y el siguiente, la siguiente tabla muestra los valores límite de los campos de color principales , con nombres y límites de longitud de onda en el vacío, indicados por la norma francesa AFNOR X080- 10 "Clasificación general metódica de colores".
La frecuencia de radiación en hercios se obtiene dividiendo la velocidad de la luz, aproximadamente 3 × 10 8 m / s , por la longitud de onda en metros . La frecuencia en THz se obtiene dividiendo 300.000 por la longitud de onda en nanómetros, o 1 × 10 −9 m .
| Longitud de onda ( nm ) | Campo cromático | Color | Comentario |
|---|---|---|---|
| 380 - 449 | Púrpura | 445 | primaria CIE 1931435,8 |
| 449 - 466 | Azul morado | 455 | sRGB primario : 464 |
| 466 - 478 | Violeta Azul | 470 | índigo entre azul y morado ( Newton ) |
| 478 - 483 | Azul | 480 | |
| 483 - 490 | Azul verde | 485 | |
| 490 - 510 | Verde azul | 500 | |
| 510 - 541 | Verde | 525 | |
| 541 - 573 | Verde amarillo | 555 | CIE 1931: 546,1; sRGB primario: 549. |
| 573 - 575 | Amarillo verde | 574 | |
| 575 - 579 | Amarillo | 577 | |
| 579 - 584 | Amarillo naranja | 582 | |
| 584 - 588 | Naranja amarillo | 586 | |
| 588 - 593 | Naranja | 590 | |
| 593 - 605 | Rojo naranja | 600 | |
| 605 - 622 | Rojo naranja | 615 | sRGB primario: 611 |
| 622 - 780 | Rojo | 650 | primaria CIE 1931: 700 |
Los colores primarios de instrumentación del CIE (1931) corresponden a líneas espectrales de mercurio , para las de 435,8 y 549 nm , y es un valor arbitrario para la de 700 nm , cuya luminancia es sólo 0, 004102 del máximo alcanzado alrededor de 555 nm . En la región roja, el umbral de discriminación entre longitudes de onda es alto y los experimentadores no necesitan definir la radiación con tanta precisión.