Světlo aneb nástroj každého fotografa - 2. díl

Spektrografie, obecné informace pro zvědavce

Na úvod článku je třeba zmínit, že je vcelku velmi odborný, někdy však i zdánlivě zbytečně složité věci pomohou pochopit tu nejjednodušší myšlenku. Považujeme světlo a spektrum za něco přirozeného, avšak netušíme, co a jak doslova funguje. Nyní si zmíníme malé technické minimum pro orientaci a rozšíření obzorů. Spektrografie není prakticky příliš využitelná, avšak její teorie nám pomáhá pochopit další souvislosti nejen ve fotografii.

Druhy a teorie spekter

Spektrografie je postup, kterým zhotovujeme fotografii spektra. Těžko však říct, do jaké míry je chápáno slovo barva jako vnímatelná část, obecně je barvou nazývána vlastnost světla, kterou lze zachytit lidským okem. V lidském oku jsou senzory barvy, tzv. čípky, které jsou schopny zachytit tři základní barvy (tedy RGB). Spekter existuje několik druhů. Světlo můžeme rozdělit lomem, buď pomocí optického hranolu, nebo ohybem pomocí optické mřížky. Dle toho dělíme spektra na hranolová a mřížková. Podle vzhledu je můžeme rozdělit také. Dle tohoto dělíme spektra na plynulá, kde barvy přecházejí jedna v druhou, pásová tvořená ohraničenými pásy, a čárová, složená z ostře ohraničených monochromatických čar různé intenzity.



Spektra můžeme dle jejich vlastností a charakteristik rozdělit. Podle vzniku dělíme spektra na spektra emisní, získaná rozložením světla vycházejícího přímo ze zdroje, nebo absorbční, získaná rozkladem světla, které prošlo nějakým prostředím. Zdrojem záření, ať vlnového (fotonového), tak hmotného, jsou molekuly a atomy. Přestavba atomů a molekul nebo jejich rozpad je doprovázen změnou energetického obsahu. Změny v chování molekul (vibrační a rotační kmity molekul látek zdrojů) mohou mít za následek vysílání zářivé energie o malém kmitočtu, tedy dlouhé vlny záření infračerveného, nebo viditelného. Atom nebo molekula se stává zdrojem záření, když se mění dráhy vnějších elektronů vzhledem k atomovému jádru. Normálně zaujímá vnější elektron nejbližší možnou dráhu. Na energeticky vyšší dráhu může být převeden jen přiměřeným kvantem energie, přivedené zvenčí. Tím je atom energeticky obalen, vzbuzen, čili excitován. Je to však stav nestálý a elektron se vrací zpět na svou původní dráhu. Přitom uvolní a vyzáří energetický rozdíl drah ve formě zářivého kvanta čili fotonu. Fotonům odpovídá ve spektru určitá čára. Např. ve spektru vodíku nacházíme pět čar (červenou, zelenou, modrou a dvě fialové). Tak vznikají spektra čárová, zatímco kmitáním molekul a atomů spektra spojitá. Záření zdrojů vzniká tedy v elektrických oscilátorech atomárních rozměrů, kmitáním elektricky nabitých částic.

Fotograficky se můžeme přesvědčit o existenci spektrálních čar i mimo viditelnou oblast spektra, ultrafialovou a blízkou infračervenou. Z uvedeného poznání vzniku optického spektra vyplývá, že atom každého prvku vysílá určité charakteristické spektrum, protože má svou zcela určitou elektronovou strukturu. Tento poznatek je základem tzv. Spektrální analýzy.

Praktický význam spektrografie

Spektrální analýza je založena na dvou skutečnostech:
a) Každý prvek má své charakteristické spektrum, což ho určuje kvalitativně.
b) Intenzita spektrálních čar je úměrná množství sledovaného prvku, což ho určuje kvantitativně.

Při emisní spektrografii vyšetřujeme světlo vysílané vyšetřovanou látkou, zahřátou na vysokou teplotu a převedenou do plynného stavu, aby záření vysílala. Proto se tento způsob hodí pouze pro látky anorganické(kovy a jejich sloučeniny).
Každému prvku ve vyšetřované látce odpovídá charakteristické spektrum a toto spektrum zůstává nezměněno, i když je prvek ve sloučeninách. Lze tedy jedním postupem provést současný rozbor všech přítomných složek. Spektrální rozbor je způsob velmi citlivý a velmi přísně selektivní.

Absorbční spektrální rozbor vychází z poznatku, že projde-li vyšetřovanou látkou světlo bílé, obsahující všechny délky vlny, pohltí z nich látka jen určité délky vlny a tyto zjistíme ve spektru jako černé čáry nebo pásy. Jejich poloha charakterizuje látku, jejich intenzita a šíře její množství.

Podrobnější informace pro spektrografii pak dále sahají už opravdu za rámec použitelných, tudíž pokračování se bude vyvíjet spíše odlehčeně. Typické pozorování důsledků vlastností světla a spektrometrie zde napsaných lze pozorovat například při dešti, kdy svítí slunce a vzniká duha, jedná se o celkovou kombinaci poznatků získaných zde i v předešlém dílu. Sluneční světlo procházející oblačnými nebo dešťovými kapičkami může vytvářet zajímavé úkazy.

Pozorovatel odvrácený od Slunce může vidět duhu vznikající na padajících dešťových kapkách jako výsledek složité cesty slunečního paprsku atmosférou. Světlo procházející vodní kapkou se rozptyluje do jednotlivých barev spektra. Část záření se ve vodní kapce odráží a pozorovatel vidí různé barvy vytvářející duhu.


Pro zpestření je zde malý návod pro zvědavce, jak si vyrobit vlastní malou duhu.
Demonstrační pokus: Hlavní a vedlejší duha
Potřeby: zahradní hadice připojená ke zdroji vody; Slunce jako zdroj světla.

Za slunečného počasí můžeme studentům ukázat duhu reálně, např. na dvoře školy. Stoupneme-li si ke Slunci zády a budeme-li rozprašovat vodu vytékající pod tlakem z hadice (např. prstem), uvidíme hlavní (popřípadě i vedlejší) duhu vznikající na rozprášených kapkách vody. Podobně vzniká duha např. na vodní tříšti vodopádů nebo na vodotrysku.

Možnosti použití spektrografie v oblastech fotografie

Fotografie v oblasti infračerveného záření
infrčervené záření obejvil roku 1800 William Herschel, když měřil teplotu v jednotlivých oblastech slunečního spektra, vytvořeného optickým hranolem. Infračervené záření je zářením vlnivým a zaujímá ve stupnici elektromagnetického záření širokou oblast. Navazuje na červený konec spektra, počíná asi vlnovou délkou 760 nanometrů a bylo do roku 1960 sledováno až do vlnové délky 2 500 000 nanometrů. Oblast infračerveného záření je tedy téměř jedenáctkrát rozsáhlejší než oblast světla. Infračervená fotografie je citlivá převážně pro červené barvy. V dnešní době je fotografování infračerveného spektra nepříliš obvyklé, ale není zas až takovým problémem, poněvadž dnešní digitální fotoaparáty jsou vybaveny čipy citlivými i pro infračervené světlo. Jelikož v infračervené fotografii můžeme vyfotografovat krajinu i bez mlžného oparu, který se povaluje v údolí. Vybrat však správný fotoaparát pro infračervenou fotografii není snadné, ale tom snad jindy. Proto se požívají také filtry.

Dále si povíme něco málo o fotografii v oblasti dalšího spektra.

Možnosti použití fotografie v oblasti ultrafialového záření

Mezi délkou vlny 380 nanometrů a 400 nanometrů, na fialovém konci spektra, začíná oblast našim očím neviditelná, oblast ultrafialového záření. Dosud byla prozkoumána až do délky 10 nanometrů , takže zaujímá něco přes 5 oktáv elektromagnetického spektra. Ultrafialové záření bylo objeveno roku 1802 (záhy po objevení záření infračerveného) fyziky W.Ritterem a W.H.Wollastonem, nezávisle na sobě. Promítali sluneční spektrum na vrstvičky chloridu stříbrného a pozorovali, že za fialovým koncem spektra chlorid stříbrný ztemněl, ačkoliv tam žádné viditelné paprsky nedopadaly. Proto nazvali toto neviditelné záření temnými chemickými paprsky. A.E.Becquerel roku 1842 je nazval ultrafialové záření.

Ultrafialové záření je charakteristické krátkou délkou vlny, tedy velkým kmitočtem, má tedy velké, energeticky velmi účinné fotony a velké izolační účinky.

Ohledně fotografie je ultrafialové záření zcela dostupná záležitost. Vyfotografovat si jej můžeme na téměř každém lepším digitalním fotoaparátu a to změnou nastavení vyvážení bílé. Pro představu je přiložena fotografie.