Współczesne metody badań instrumentalnych

Transkrypt

1 Współczesne metody badań instrumentalnych Wykład II Promieniowanie elektromagnetyczne Widmo promieniowania EM Oddziaływanie światła z materią, reflektancja, transmitancja, absorpcja Widzenie barwne, diagram barw

2 Literatura Jarosław Rogóż, Zastosowanie technik nieniszczących w badaniach konserwatorskich malowideł ściennych, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2009 Daniela Pinna, Monica Galeotti, Rocco Mazzeo (red), Współczesne metody badań obrazów sztalugowych, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2012 Jerzy Werner, Podstawy technologii malarstwa i grafiki, PWN, Warszawa-Kraków 1985

3 Badania materiałów i technik malarskich analiza materiałów i techniki wykonania (obejmuje również analizy stylistyczne, epokę, szkołę, etc.) datowanie i autentyczność określanie stanu degradacji dzieła określanie zakresu wcześniejszych ingerencji konserwatorskich

4 Promieniowanie elektromagnetyczne y E z O H x E wektor natężenia pola elektrycznego H wektor natężenia pola magnetycznego Fale elektromagnetyczne zaburzenie pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni. Istnienie fal elektromagnetycznych wynika z teorii Maxwella.

5 Fala elektromagnetyczna Długość fali elektromagnetycznej λ y λ z x Okres drań fali T y T z t E x, t) ( 0 2π 2π = E sin t x T λ

6 Długość fali, częstotliwość, liczba falowa Częstotliwość jest odwrotnością okresu: 1 ν =. Jednostką częstotliwości jest hertz, 1Hz = 1/s T Częstotliwość ν i długość fali λ(w próżni) są związane zależnością: c ν =, 8 c= 3 10 m/s λ gdzie cjest prędkością rozchodzenia fali elektromagnetycznej w próżni (uniwersalna stała fizyczna!). Na przykład fala elektromagnetyczna o długości jednego metra ma częstotliwość: ν = m/s 1m = 3 10 Hz = 300 MHz.

7 Długość fali, częstotliwość, liczba falowa W spektroskopii oscylacyjnej używa się wielkości nazywanej liczbą falową: ~ 1 ν =. λ Liczbę falową podawaną zwykle w cm -1 przelicza się na długość fali w µm ze wzoru: ~ ν[cm ] =. λ[ µ m] Przydatne przeliczniki W trakcie wykładu będziemy poruszać się w obszarze fal o długościach nm o µm. Dlatego warto pamiętać: oraz 1 µm = 10-6 m, 1 nm = 10-9 m, 1 Å= m 10 Å= 1 nm = 0,001 µm 1 µm = nm

8 Widmo promieniowania EM 10-4 Å 1 Å 10 nm 1 µm 100 µm 1 cm 1 km promieniowanie γ promieniowanie rentgenowskie ultrafiolet światło widzialne mikrofale podczerwień fale radiowe

9 Oddziaływanie promieniowania z materią γ X UV vis IR mikrofale fale radiowe absorpcja związana z przejściami wewnętrznych powłok elektronowych bardzo silna absorpcja związana z przejściami pomiędzy poziomami elektronowymi, efekty degradacji materiałów wskutek procesów jonizacji silniejsza absorpcja związana z przejściami oscylacyjnymi, efekty termiczne silna absorpcja związana z przejściami pomiędzy poziomami elektronowymi, powoduje efekt barwy fale radiowe przechodzą przez materiały słaba absorpcja związana z przejściami rotacyjnymi, która przyczynia się do efektów termicznych

10 Zakres widzialny promieniowania EM fiolet: nm; niebieski: nm, zielony: nm, żółty nm, pomarańczowy: nm, czerwony: nm. Wrażenie barwne zależy zarówno od długości fali świetlnej oraz amplitudy. Kombinacja wszystkich barw spektralnych daje wrażenie światła białego. Ludzkie oko rozróżnia około 10 tys. kolorów.

11 Czynniki wpływające na percepcję koloru natura światła (fala elektromagnetyczna o określonej długości i amplitudzie/natężeniu) fizjologia wzroku oddziaływanie światła z materią (absorpcja i rozpraszanie światła)

12 Źródła światła Kolor zależy od charakterystyki światła odbitego od obiektu, dlatego duże znaczenie ma charakterystyka spektralna źródła światła. Światło powstaje wskutek procesów emisji i reemisji energii. Wyróżnia się następujące procesy emisji promieniowania: inkandescencja promieniowanie termiczne. Jego charakterystyka zależy od temperatury źródła. Np. światło słoneczne (T= 5800 K), światło żarówki wolframowej (T= 2854 K) wyładowania w gazach przewodzeniu prądu w rozrzedzonych gazach towarzyszy emisja promieniowania (np. lampy sodowe, rtęciowe, ksenonowe); fotoluminescencja zachodzi w luminoforach, które absorbują i emitują promieniowanie o określonej charakterystyce (np.. świetlówki).

13 Rozkład widmowy mocy promieniowania Rozkład widmowy dotyczy długości fal elektromagnetycznych, które wchodzą w skład promieniowania emitowanego przez źródło. Chłodniejsze źródła emitują światło o większej zawartości dłuższych fal (czerwonych, żółtych), gorętsze o mniejszych (niebieskich, fioletowych). Comission Internationale de L Ecrairage,

14 Rozkład widmowy mocy promieniowania Rozkład widmowy światła dziennego i świetlówki: Obiekty oświetlone gorętszym światłem mają żywsze kolory, w chłodnym oświetleniu błękity wydają się ciemniejsze, zielenie bardziej żółte, purpury bardziej czerwone. Jest to spowodowane mniejszym natężeniem światła niebieskiego i fioletowego w widmie.

15 Fotometria Fotometria dotyczy określania właściwości źródeł światła oraz oświetlenia (pomiarów natężenia źródła światła oraz strumienia światła). Natężenie źródła światła jest odpowiednikiem energii emitowanej przez źródło światła. Mierzone jest w kandelach (cd). 1 cd jest natężeniem źródła światła, które stanowi ciało doskonale czarne o temperaturze 2046 K i powierzchni 1/60 cm 2. Strumień światła, czyli ilość światła wypromieniowywanego ze źródła mierzy się w lumenach (lm). 1 lm jest strumieniem światła wypromieniowywanym przez źródło o natężeniu 1 cd.

16 Oddziaływanie światła z materią Światło padając na obiekt oddziałuje z nim na różne sposoby w zależności od tego, czy obiekt jest przeźroczysty, półprzeźroczysty, nieprzeźroczysty, gładki, chropowaty, połyskujący. Ogólnie, oddziaływanie światła z materią polega na: częściowej transmisji; częściowym odbiciu; częściowej absorpcji.

17 Transmisja O transmisji mówimy, kiedy światło przechodząc przez obiekt nie ulega zmianie (nie zmienia się jego charakterystyka widmowa). Kiedy światło pada prostopadle do powierzchni przeźroczystego obiektu, nie zmienia się również kierunek biegu promienia świetlnego.

18 Transmisja i załamanie światła Jeżeli światło pada na przeźroczysty obiekt pod innym kątem, niż kąt prosty, ulega załamaniu. światło odbite światło przechodzące Wskutek załamania zmienia się kierunek biegu wiązki światła. Część promieniowania świetlnego ulega odbiciu.

19 Względny współczynnik załamania Załamanie promienia świetlnego na granicy dwóch ośrodków przeźroczystych charakteryzuje względny współczynnik załamania n 21. ośrodek 1 ośrodek 2 α 1 α 2 υ 1 prędkość rozchodzenia światła w ośr. 1 powierzchnia graniczna υ 2 prędkość rozchodzenia światła w ośr. 2 Prawo Snella: sin n 21 = sin α 1 = α2 υ1 υ 2 współczynnik załamania ośr. 2 względem ośr. 1 Ważne: promień padający i załamany leżą na jednej płaszczyźnie.

20 Względny współczynnik załamania

21 Bezwzględny współczynnik załamania Bezwzględny współczynnik załamania wyznacza się względem próżni. Jest on równy: c n= υ gdzie cjest prędkością rozchodzenia światła w próżni. c= m/s. Współczynnik załamania zależy od długości fali świetlnej (zjawisko dyspersji). Jest on większy dla fal krótszych, mniejszy dla dłuższych. To dlatego światło fioletowe ulega silniejszemu załamaniu niż czerwone. Przykładowe współczynniki załamania spoiw dla światła żółtego: akrylowe 1,49 olej lniany 1,46

22 Obiekty półprzeźroczyste Przy przechodzeniu światła przez obiekty półprzeźroczyste należy uwzględnić częściową absorpcję światła, która prowadzi do osłabienia natężenia wiązki i zmiany jej rozkładu widmowego. W obiektach półprzeźroczystych światło ulega odbiciu i załamaniu tak samo, jak w obiektach przeźroczystych.

23 Odbicie światła wiązka padająca wiązka odbita Kąt padania jest równy kątowi odbicia Odbicie zachodzi w przedmiotach przeźroczystych i półprzeźroczystych. Kiedy światło pada na przedmiot nieprzeźroczysty, od właściwości jego powierzchni zależy, czy będzie ono całkowicie odbite, całkowicie rozproszone, czy częściowo nastąpi jedno i drugie.

24 Rozpraszanie światła wiązka padająca r o z p r a s z a n i e Rozpraszanie jest rodzajem odbicia. Kiedy substancja posiada ziarna materiału o różnych współczynnikach załamania, to padająca wiązka światła ulega rozpraszaniu. Ilość światła rozproszonego zależy od różnicy współczynników załamania i wielkości ziaren substancji.

25 Odbicie i rozpraszanie wiązka padająca r o z p r a s z a n i e odbicie Większość przedmiotów nieprzeźroczystych nie jest ani całkowicie gładka, ani całkowicie chropowata. Wówczas zachodzi częściowe odbicie wiązki światła i częściowe jego rozpraszanie.

26 Absorpcja światła wiązka padająca wiązka odbita ś w i a t ł o z a a b s o r b o w a n e Część promieniowania może zostać zaabsorbowana w zależności od pigmentów zastosowanych do zabarwienia przedmiotu. To co widzimy jako kolor jest promieniowaniem, które nie zostało zaabsorbowane.

27 Reflektancja Tak jak widmowy rozkład mocy promieniowania jest cechą źródła światła, widmo reflektancji lub transmitancji jest cechą przedmiotu. Widmo reflektancji dotyczy ilości światła o odpowiedniej długości fali odbitego przez kolorowy przedmiot w porównaniu z ilością światła odbitego od idealnie białego przedmiotu (biały przedmiot odbija 100% światła dla wszystkich długości fal). R [%] λ[nm]

28 Transmitancja Widmo transmitancji dotyczy ilości światła o określonych długościach fal przechodzącego przez przedmiot w porównaniu z ilością światła przechodzącą przez przedmiot idealnie przeźroczysty. T [%] λ[nm]

29 Widmo reflektancji/transmitancji żółty niebieski czerwony purpurowy Przykłady widm reflektancji/transmitancji obiektów o różnych kolorach. Widma te dają przyczynek do określania kolorów.

30 Widzenie koloru źródło światła obiekt oko Światło o odpowiedniej długości odbite bądź przechodzące przez obiekt stymuluje siatkówkę, która następnie pobudza nerw wzrokowy.

31 Widzenie barwne Widzenie barwne jest wynikiem kombinacji trzech rodzajów bodźców świetlnych działających na siatkówkę oka. soczewka rogówka ciało szkliste plamka żółta siatkówka plamka ślepa tęczówka nerw wzrokowy Światło wpada do oka przez rogówkę i kierowane jest na soczewkę, która dostraja ostrość obrazu na siatkówce. Apertura (źrenica) oka regulowana jest w zależności od natężenia światła.

32 Widzenie barwne Siatkówka zbudowana jest z fotoreceptorów i zakończeń nerwowych, które przekazują bodźce wzrokowe do mózgu. Obszarem o największej koncentracji fotoreceptorów jest plamka żółta. oś optyczna oś widzenia W oku wyróżnia się dwie osie. Oś optyczna przechodzi przez środek rogówki, źrenicy i soczewki. Oś optyczna wyznacza obszar najostrzejszego widzenia. Oś widzenia przechodzi przez środek źrenicy i plamkę żółtą. Ponieważ obie te osie nie pokrywają się, obszar najostrzejszego widzenia nie pokrywa się z obszarem siatkówki o największej wrażliwości na kolory.

33 Fotoreceptory światło czopek (czuły na barwę) zakończenie jądro ciało synaptyczne do mózgu pręcik (światłoczuły) Czopki i pręciki mają długość około 40 µm i średnice około 2 µm. Proces widzenia jest wywoływany poprzez oddziaływanie pigmentów w zakończeniach komórek światłoczułych ze światłem. Bodziec wzrokowy za pośrednictwem jądra i ciała synaptycznego jest następnie przekazywany poprzez komórki nerwowe do mózgu.

34 Fotoreceptory Pręciki zawierają pigment rodopsynę, która jest światłoczuła, lecz nie jest czuła na kolor (widzenie monochromatyczne). Czopki zawierają pigmenty erytrolab, chlorolab i rodopsynę, które są czułe na czerwony (700 nm), zielony (530 nm) i niebieski (420 nm) obszar pasma widzialnego. Czopki odpowiedzialne za widzenie w tych obszarach oznaczane są zwykle literami ρ, γ, β. Pręciki (około 100 mln) są bardziej czułe na światło niż czopki (około 6 mln). Dlatego poniżej pewnego poziomu natężenia oświetlenia nie jesteśmy w stanie rozróżniać kolorów.

35 Fotoreceptory czułość widmowa widzenie fotopowe niebieski zielony czerwony widzeonie skotopowe czopki β czopki γ czopki ρ pręciki długość fali [nm] długość fali [nm] długość fali [nm] długość fali [nm] Obszary czułości widmowej czopków są stosunkowo szerokie i częściowo się pokrywają.

36 Bodźce wzrokowe widmowy rozkład mocy źródła widmo reflektancji czułość widmowa oka bodziec wzrokowy Bodziec wzrokowy docierający do mózgu jest tym, co stanowi wrażenie koloru. Składa się nań charakterystyka źródła światła, charakterystyka zdolności odbijającej obiektu oraz czułość widmowa oka.

37 Znormalizowany diagram barw CIE 1931 XYZ color space Każdą barwę można przedstawić jako sumę ważoną trzech kolorów podstawowych. Comission Internationale de L Ecrairage,

38 Zewnętrzna krzywa reprezentuje spektralne (monochromatyczne) kolory o długościach spektralnych w nm. Diagram chromatyczny jest narzędziem do określenia, jak oko ludzkie percypuje światło o określonym widmie, nie barwę obiektu. Ta zależy od również od charakterystyki źródła oświetlenia.

39 Kolory rgb

40 Kolory rgb