1. Licht en Straling

Fotonen    (4/4)

Hoe zijn we in staat om kleuren te zien? Er zijn drie types lichtreceptoren, genaamd kegelcellen, op het netvlies van het menselijk oog te vinden, die ons in staat stellen tijdens daglicht kleur te zien.

De S-kegelcellen (S voor short) nemen blauw licht waar met de hoogste gevoeligheid bij 420 nm. De M-kegelcellen (M voor medium) nemen groen licht waar, hun gevoeligheid is het hoogst bij 535 nm. De L-kegelcellen (L voor long) zijn verantwoordelijk voor het zien van rood alhoewel hun maximale gevoeligheid ergens in de gele regio ligt bij ongeveer 560 nm.

Respons van menselijke S-, M- en L-kegelcellen die gevoelig zijn voor blauw, groen en rood licht uitgezet ten opzichte van de golflengte van zichtbaar licht. De curven zijn genormaliseerd op een waarde van 1 op hun piekresponsiegolflengte. In werkelijkheid zijn de S-kegelcellen veel minder gevoelig dan de M- en L-kegelcellen. Dit zijn typische curves, de golflengtes van de piekresponsie verschilt van persoon tot persoon.

In het fotonmodel wordt licht over de verschillende kegelcellen verdeeld afhankelijk van de energie van de fotonen. Door een chemische reactie wekken de door de kegelcellen geabsorbeerde fotonen elektrische signalen op die via de gezichtszenuw naar de hersenen gestuurd worden. De hersenen ontvangen de signalen en interpreteren deze volgens het type kegelcel en wekken zo de kleurenindrukken op die we waarnemen.

Dit maakt de fysiologische kleuren die door het oog waargenomen worden anders dan het fysische kleurenspectrum dat ook in bovenstaand diagram getoond wordt. Het menselijk oog kan bijvoorbeeld niet rechtstreeks de fysische kleur ‘geel’ waarnemen die een monochromatische golflengte van 560 nm heeft, maar moet die kleur produceren door de signalen te combineren die door de M- en L-kegelcellen gezonden worden.

In het donker zien ↓ ↑

Andere receptoren op het netvlies, de zogenaamde staafcellen, stellen ons in staat om in schemerlicht te zien. Ze zijn ongeveer 100 keer gevoeliger dan de kegelcellen wat een voordeel blijkt te zijn voor het zien 's nachts. Er is echter maar één type staafcellen, de hoogste lichtgevoeligheid ligt bij 510 nm. Dus staafcellen laten ons niet toe in kleuren te zien. Daarom: Alle katten zijn grijs in het donker.

De spectrale helderheidsfuncties van dagzicht (fotopisch) met kegeltjes en nachtzicht (scotopisch) met staafjes worden weergegeven in de grafiek hieronder.

Helderheidsfuncties van dag- en nachtzicht, genormaliseerd naar een waarde van 1 op hun piekresponsgolflengte.

De zeer hoge gevoeligheid van de staafjes bij een aan het donker aangepast oog is opmerkelijk: de kegeltjes kunnen al korte lichtflitsen waarnemen die elk uit 5 tot 8 fotonen bestaan. De laatste onderzoeken geven aan dat dit al mogelijk is met enkele fotonen! (laatste toegang tot de links naar de artikelen: 03.07.2024)

Nu, hoe kunnen we energie en sterkte definiëren? In het fotonmodel is fotonenergie:

met de Planck-constante h en de lichtfrequentie f. We hebben gezien dat de fotonenergie essentieel is voor de chemische reacties zoals ze optreden, bv. in de kegelcellen van het oog bij het waarnemen van kleuren en ook voor het vrijmaken van elektronen van metalen oppervlakken, wat we aanduiden als het foto-elektrisch effect. De lichtgolflengte is niet relevant, deze staat niet in de vergelijking voor de fotonenergie.

Wat gebeurt er wanneer licht door lucht in een ander doorzichtig materiaal wordt gestuurd zoals glas of water? Het licht wordt gebroken en gedeeltelijk weerkaatst. De kleur ervan blijft echter onveranderd in het andere materiaal. De energie van de fotonen blijft ook onveranderd. Dus de kleur van licht houdt verband met de energie van de fotonen ervan!

Als uitkomst verkregen in het gedeelte over elektromagnetische golven, kregen we een verband tussen de lichtsnelheid, de frequentie en de golflengte als

In het golfmodel is de fotonenergie - zoals getoond in de bovenstaande vergelijking - verbonden met de frequentie f van licht. De energie van fotonen blijft onveranderlijk in verschillende doorzichtige materialen en daarom geldt dit ook bij de frequentie. Aangezien de lichtsnelheid c in doorzichtige materialen kleiner is dan de lichtsnelheid in vacuüm c_o, volgt:

waarbij λ de golflengte is in het doorzichtige materiaal en λ_o de golflengte in vacuüm. De golflengte van licht blijft niet constant wanneer licht in een doorzichtig medium wordt gestuurd maar neemt eerder in dezelfde mate af als de lichtsnelheid.

Dus is het nogal onnauwkeurig om kleuren te definiëren met behulp van de golflengte van licht! In plaats daarvan zou het correct zijn om foto-energieën of frequenties te gebruiken. Echter in het dagelijks taalgebruik gebruiken we altijd de golflengte.

Binnen het golfmodel kregen we hetzelfde resultaat in supplement 4 na een veel ingewikkelder berekening.