Wykład II

Współczesne metody badań instrumentalnych

• Promieniowanie elektromagnetyczne

• Widmo promieniowania EM

• Oddziaływanie światła z materią, reflektancja, transmitancja, absorpcja

• Widzenie barwne, diagram barw

Literatura

• Jarosław Rogóż, Zastosowanie technik nieniszczących w badaniach konserwatorskich malowideł ściennych, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2009UMK, 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

Badania materiałów i technik malarskich

analiza materiałów i techniki

datowanie i autentyczność

określanie stanu degradacji dzieła

określanie zakresu wcześniejszych techniki

wykonania (obejmuje również analizy stylistyczne, epokę, szkołę, etc.)

wcześniejszych ingerencji konserwator-skich

Promieniowanie elektromagnetyczne

x

y

O

E

Fale elektromagnetyczne – zaburzenie pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni. Istnienie fal elektromagnetycznych wynika z teorii Maxwella.

zH

E – wektor natężenia pola elektrycznegoH – wektor natężenia pola magnetycznego

Fala elektromagnetycznaDługość fali elektromagnetycznej λ

Okres drań fali T

λ

T

xz

y

Okres drań fali T T

tz

y

−= xt

TEtxE

λππ 22

sin),( 0

Długość fali, częstotliwość, liczba falowa

Częstotliwość jest odwrotnością okresu:

.1

T=ν Jednostką częstotliwości jest hertz, 1Hz = 1/s

Częstotliwość ν i długość fali λ (w próżni) są związane zależnością:

,λ

νc

= m/s103 8×=cλ

gdzie c jest prędkością rozchodzenia fali elektromagnetycznej w próżni (uniwersalna stała fizyczna!).

Na przykład fala elektromagnetyczna o długości jednego metra ma częstotliwość:

MHz.300Hz103m1

m/s103 88

=×=×

=ν

Długość fali, częstotliwość, liczba falowaW spektroskopii oscylacyjnej używa się wielkości nazywanej liczbą falową:

.1~λ

ν =

Liczbę falową podawaną zwykle w cm-1 przelicza się na długość fali w µm ze wzoru:

.00010

]cm[~ 1 =−ν .]m[

00010]cm[~ 1

µ=−

λν

Przydatne przelicznikiW trakcie wykładu będziemy poruszać się w obszarze fal o długościach nm o µm. Dlatego warto pamiętać:

1 µm = 10-6 m, 1 nm = 10-9 m, 1 Å = 10-10 m

oraz

10 Å = 1 nm = 0,001 µm 1 µm = 1 000 nm

Widmo promieniowania EM

10-4 Å 1 Å 10 nm 1 µm 100 µm 1 cm 1 km

promie-niowanie

γpromie-niowanierentge-nowskie

ultra-fiolet

światło widzial-

nepodczer-

wień

mikro-fale fale

radiowe

Oddziaływanie promieniowania z materią

γ X UV vis IR mikrofale fale radiowe

fale radiowe przechodzą

przez silniejsza absorpcja

związana z przejściami

absorpcja związana z przejściami przez

materiały

słaba absorpcja związana z przejściami

rotacyjnymi, która przyczynia się do

efektów termicznych

związana z przejściami oscylacyjnymi, efekty

termiczne

silna absorpcja związana z przejściami pomiędzy

poziomami elektronowymi, powoduje efekt barwy

bardzo silna absorpcja związana z przejściami pomiędzy poziomami elektronowymi, efekty degradacji materiałów

wskutek procesów jonizacji

z przejściami wewnętrznych

powłok elektronowych

Zakres widzialny promieniowania EM

fiolet: 380-450nm; niebieski: 450-490nm, zielony: 490-560nm, żółty 560-590nm, pomarańczowy: 590-630 nm, czerwony: 630-780 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.

Czynniki wpływające na percepcję koloru

natura światła (fala elektromagnetyczna o określonej długości i amplitudzie/natężeniu)

fizjologia wzroku

amplitudzie/natężeniu)

oddziaływanie światła z materią (absorpcja i rozpraszanie światła)

Źródła światła

• inkandescencja – promieniowanie termiczne. Jego charakterystyka zależy od temperatury źródła. Np. światło słoneczne (T = 5800 K), światło żarówki wolframowej (T =

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:

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).

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, http://www.cie.co.at

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.

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 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 cm2.

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.

http://dba.med.sc.edu/price/irf/Adobe_tg/color/

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: Ogólnie, oddziaływanie światła z materią polega na:

• częściowej transmisji;

• częściowym odbiciu;

• częściowej absorpcji.

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.

Transmisja i załamanie światła

Jeżeli światło pada na przeźroczysty obiekt pod innym kątem, niż kąt prosty, ulega załamaniu.

światło odbite

światło przechodząceświatło przechodzące

Wskutek załamania zmienia się kierunek biegu wiązki światła. Część promieniowania świetlnego ulega odbiciu.

Względny współczynnik załamaniaZałamanie promienia świetlnego na granicy dwóch ośrodków przeźroczystych charakteryzuje względny współczynnik załamania n21.

α1

ośrodek 1

ośrodek 2powierzchnia graniczna

υ1 – prędkość rozchodzenia światła w ośr. 1

υ – prędkość rozchodzenia światła w ośr. 2

α2

ośrodek 2

2

1

2

121 sin

sin

υυ

αα

==n

υ2 – prędkość rozchodzenia światła w ośr. 2

współczynnik załamania ośr. 2 względem ośr. 1

Ważne: promień padający i załamany leżą na jednej płaszczyźnie.

Prawo Snella:

Względny współczynnik załamania

Bezwzględny współczynnik załamaniaBezwzględny współczynnik załamania wyznacza się względem próżni. Jest on równy:

υc

n =

gdzie c jest prędkością rozchodzenia światła w próżni. c = 3 × 108 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

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.

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.

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.

Odbicie i rozpraszanie

wiązka padająca

odbicie

r o z p r a s z a n i e

Większość przedmiotów nieprzeźroczystych nie jest ani całkowicie gładka, ani całkowicie chropowata. Wówczas zachodzi częściowe odbicie wiązki światła i częściowe jego rozpraszanie.

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.

ReflektancjaTak 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]590 610 630

50

100

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]400 420 460

50

100

Widmo reflektancji/transmitancji

żółty niebieski czerwony purpurowy

Przykłady widm reflektancji/transmitancji obiektów o różnych kolorach. Widma te dają przyczynek do określania kolorów.

http://dba.med.sc.edu/price/irf/Adobe_tg/color/

Widzenie koloru

źródło światła

obiekt

oko

Światło o odpowiedniej długości odbite bądź przechodzące przez obiekt stymuluje siatkówkę, która następnie pobudza nerw wzrokowy.

Widzenie barwne

Widzenie barwne jest wynikiem kombinacji trzech rodzajów bodźców świetlnych działających na siatkówkę oka.

plamka żółta

soczewka

rogówkaciało szkliste

plamka ślepa

tęczówka

siatkówka

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.

Widzenie barwne

oś optyczna

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.

Fotoreceptory

czopek (czuły na barwę)

pręcik (światłoczuły)

ciało synaptycznezakończenie jądroświatło

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.

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

ρ γ βwidzenie 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.

Fotoreceptory – czułość widmowa

czopki β czopki γ czopki ρ pręcikiniebieski zielony czerwony

widzeonieskotopowe

widzenie fotopowe

długość fali [nm] długość fali [nm] długość fali [nm] długość fali [nm]

Obszary czułości widmowej czopków są stosunkowo szerokie i częściowo się pokrywają.

http://dba.med.sc.edu/price/irf/Adobe_tg/color/

Bodźce wzrokowe

widmowy rozkład

mocy źródła

widmo reflektancji

czułość widmowa

oka

bodziec wzrokowy

http://dba.med.sc.edu/price/irf/Adobe_tg/color/

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.

Znormalizowany diagram barwCIE 1931 XYZ color space Każdą barwę można

przedstawić jako sumę ważoną trzech kolorów podstawowych.

Comission Internationale de L’Ecrairage, http://www.cie.co.at

Zewnętrzna krzywa reprezentuje spektralne (monochromatyczne) kolory o długościach spektralnych w nm.

Diagram chromatyczny jest narzędziem do określenia, jak oko ludzkie

http://en.wikipedia.org/wiki/CIE_1931_color_space

określenia, jak oko ludzkie percypuje światło o określonym widmie, nie barwę obiektu. Ta zależy od również od charakterystyki źródła oświetlenia.

Kolory rgb

Kolory rgb