Основи фотографії. Фотохімічні реакції

Л.А. Логінов, багатопрофільний комплекс (гімназія-ліцей) N 109, м. Москва

Найцікавіша тема. Улюблена дітьми. Дуже сучасна. На жаль, в «базовому» підручнику їй присвячено всього один невеликий параграф. Без схем, без розповіді про сучасну кольорової фотографії. Але не грішимо ми, заганяючи цю живу тему в рамки одного параграфа? Хіба не треба хлопцям знати суть такого досягнення людства, як малюнок? Адже це і довга пам'ять, і, нарешті, все життя. Тим більше, що одинадцятикласникам багато чого можна розтлумачити на рівні основних понять, навіть основи кольорової фотографії.

Починаємо, звичайно, з загального визначення фотохімічних реакцій (ФХР) - це реакції, відбуваються тільки під дією світла або ультрафіолетового випромінювання (причина: хімічно активними стають неактивні в звичайних умовах атоми). Краще, якщо приклади ФХР хлопці підберуть самі, адже багато що їм вже відомо і з інших шкільних предметів, і з життя. Найчастіше називають фотосинтез, утворення меланіну в шкірі людини (засмага), вицвітання барвників (тканини, папери, навіть волосся), реакції хлорування алканів (одержання органічних розчинників: хлороформу (CHCl3), чотирьоххлористого вуглецю (CCl4), дихлоретан (C2H4Cl2) та ін), обробку фотоматеріалів.

Як і фотоефект, ФХР характеризуються червоним кордоном - мінімальною частотою nмін (максимальною довжиною хвилі lмакс) випромінювання, яке ще може викликати протікання реакції. Природно, що у різних речовин червона межа різна. Наприклад, тканина вигоряє не тільки на відкритому повітрі, під впливом сонячного ультрафіолету, а й у приміщенні з заскленими вікнами, під впливом видимого світла (ультрафіолет крізь звичайне скло не проходить). А меланін в шкірі (засмага) виробляється тільки під дією ультрафіолету.

Тепер зупинимося на фотографії (спочатку, звичайно, чорно-білою). Перші фотографії були отримані в 1839 р. французьким художником Луї Дагером, так що якийсь час такі зображення навіть називалися дагерротипії. Це відкриття стало можливим завдяки узагальнення результатів дослідів Нісефор Ньєпса, теж француза. Слідом за ними свій спосіб отримання фотографій розробив англієць Фокс Тальбот, а далі малюнок почала розвиватися бурхливими темпами і завоювала буквально весь світ. Незмінною залишилася тільки основа - фотохімічні реакції, що відбуваються з галогенидами срібла (AgBr, AgCl, AgI та їх суміші).

Фотоматеріал являє собою прозоре скляне (фотопластинки) або полімерне (фотоплівка) підставу, вкрите фотоемульсій, - желатином з вкрапленнями в нього мікроскопічними (порядку мікрометра) кристаликами галогеніду срібла з добавками так званих сенсибілізатора (речовин, що підвищують чутливість до світла). Перші фотопластинки не містили цих речовин і мали настільки слабку чутливість, що час експозиції доходило до півгодини. Нерухомий об'єкт сфотографувати на таку фотопластинку ще можна (фотоапарат встановлювався на штатив), але змушувати людину сидіти так довго перед об'єктивом без найменшого ворушіння було просто знущанням. Світлочутливість сучасних фотоплівок завдяки різному складом та кількістю сенсибілізатора знаходиться в межах від 50 до 1600 умовних одиниць ISO. (На практиці ми стикаємося, як правило, з плівками чутливістю від 100 до 400 одиниць ISO). Більшого числа умовних одиниць відповідає більш висока чутливість і, отже, менший час експозиції.

Якось на початку 80-х рр.. у телевікторині «Що? Де? Коли? »Знавцям показали фотографію католицького собору, зроблену в середині XIX століття. Місце там взагалі-то дуже людне, але на знімку не було жодної людини. Послідував питання: «Де люди, чому їх немає?» На жаль, знавці вирішили, що в момент зйомок людей просто попросили піти з кадру, щоб не псувати пейзаж. А правильна відповідь крився у вкрай слабкою чутливості тодішніх фотоматеріалів. За півгодини експонування люди преспокійно встигали увійти і вийти з кадру, не залишивши навіть сліду на фотоплатівці!

Отже, неекспонірованная плівка являє собою полімерну основу, покриту «Нормальним» бромистим сріблом (мал. а). Вона «боїться» світла, тому повинна перебувати в цілковитій темряві, наприклад в фотокассете. У фотоапараті плівка (теж у повній темряві) простягається за нормально закритим світловим затвором.

При експозиції затвор на дуже короткий час відкривається, так що світло (як правило, відбитий від знімається об'єкта) надходить на частину плівки (кадр). Час експозиції сучасних фотоплівок при нормальному освітленні складає від 1/30 до 1/500 с. Чим воно коротше, тим більш чітким виходить зображення, тому що тим менше рухів під час зйомки зробить об'єкт. Коли на кристалик галогеніду срібла (візьмемо для визначеності AgBr) падає світло, відбувається ФХР:

причому бром сорбується навколишнім зерно желатином, а срібло (т.зв. фотолітіческое) випадає у вигляді особливих утворень - по 1-3 атома (зауважимо, що в реакції бере участь дуже мала частина молекул, що складають кристалик зерна). Такі освіти неможливо побачити, тому їх називають центрами прихованого зображення. Світлі ділянки фотографованого об'єкта (наприклад особа) відображають більше світла і створюють більше центрів прихованого зображення, а темні - менше. Їх розподіл по фотокадру після експозиції схематично показано на рис. б.

Таким чином, зображення закладено, але воно неймовірно слабка. При прояві фотоплівки (в повній темряві) під впливом проявника (водного розчину метолом або гідрохінону) реакція відновлення засвіченого галогеніду срібла до металевого різко посилюється, реагують всі молекули засвіченого кришталика, і утворюються «великі», мікронні зерна металевого срібла, а бром виводиться в розчин (мал. в).

Якщо зараз винести плівку на світ, то можна побачити чорно-сіре зображення, яке, однак, все ще «боїться» світла, тому що в емульсії залишилися кристали незасвічені галогеніду срібла, під дією світла в них може початися ФХР, посилюється залишилися на плівці проявником (плівка-то мокра). Зображення на щойно виявленої плівці тримається

1-2 хв. Отже, треба вивести незасвічені галогеніди срібла. Для цього плівку занурюють у фіксаж, тобто закріплювач (мал. г), наприклад у водний розчин гіпосульфіту. Наступні промивку і сушку вже можна робити на світлі.

Тепер подивимося на оброблену фотоплівку. На місці засвіченого галогеніду срібла залишилися зерна металевого срібла темно-сірого кольору, на місці незасвічені - тільки прозора основа плівки. Іншими словами, фотографували ми, скажімо, біле обличчя на темному тлі, а на плівці отримали темне на світлому (прозорому) фоні, тобто зображення, протилежне по «чорноти» оригіналу, - негатив. При фотодруку, що представляє собою копіювання зображення з негативу на фотопапір (як правило, зі збільшенням), відбуваються аналогічні процеси в емульсії фотопаперу і виходить негатив негативу, тобто позитив - пряме, середнє зображення.

Але все-таки фотоемульсія плівки відрізняється від фотоемульсії папери, так само, як і процеси їх обробки. По-перше, червона межа ФХР фотоплівки припадає на прикордонну область між червоним і інфрачервоним випромінюваннями, так що реакція йде при освітленні світлом будь-якого кольору. Емульсія фотопаперу має червону кордон ФХР між червоним і помаранчевим ділянками спектру. Внаслідок цього фотопапір червоного світла «не боїться», що дозволяє виробляти фотодрук НЕ в абсолютній темряві, а при несильному червоному освітленні. По-друге, час «Порушення» реакції в емульсії фотопаперу значно більше, ніж в емульсії фотоплівки (зазвичай від півсекунди до декількох секунд, а то й до кількох десятків секунд). Це зроблено спеціально, оскільки тривалість експозиції фотопаперу визначає людина, а йому просто неможливо відміряти дуже маленькі інтервали часу, скажімо, 1/30 с.

Тепер перейдемо до кольорової фотографії. Як початкову стадію вона включає в себе чорно-білу фотографію: «звичайна» емульсія задає контури зображення і насиченість потрібного кольору майбутнього кольорового зображення. (Наприклад, чим більше металевого срібла залишиться на місці майбутнього зображення червоного кольору, тим яскравіше, насиченим буде цей червоний колір.) кольоровий На плівці є ще й три кольорових шару (так званих основних кольорів - червоного, синього і зеленого). При засвічування світлом певного кольору ФХР йде в відповідному кольоровому шарі. Складні кольори утворюються шляхом накладення в різних пропорціях один на одного основних кольорів, подібно до того, як виходить кольорове зображення на екрані телевізора. При обробці фотоплівки срібло «звичайної» чорно-білої емульсії з плівки виводиться, тому що воно свою роль зіграло.

Обробка кольорової плівки, звичайно ж, складніше, ніж чорно-білою, оскільки додаються такі стадії і процеси, як вторинна мерехтіння, кольорове прояв, відбілювання, не кажучи вже про додаткові промивки. При обробці оборотних (слайдових) плівок потрібно ще й спеціальне припинення першого (чорно-білого) прояви. Реактиви тут більш їдкі і отруйні. Більше того, треба витримувати досить строго час обробки в кожному процесі, особливо температуру розчину. Наприклад, температура кольорового проявника повинна бути 25 ± 0,25 ° С. Помилишся всього на півградуса - зображення вийде неприродного жовтого відтінку. Так що справа це дуже клопітка і вимагає акуратності, терпіння і досвіду. Недарма людська думка прийшла до автоматизації всіх цих процесів.

Структуру кольоровий фотоплівки можна продемонструвати учням за допомогою нехитрого наочного приладдя. Беремо непотрібний кольоровий слайд (позитив, але можна скористатися і негативом) і кладемо його емульсією вгору. З нього в декількох місцях зіскоблювати один, два або три шари. Самий верхній шар - червоний (на негативі - зелений). Його частинки треба акуратно приклеїти на ділянку з повністю знятою емульсією, і на просвіт буде видно, що вони темно-червоні (темно-зелені). Ніяк інакше структуру і колір верхнього шару не показати. А ось синій і зелено-блакитний (на негативі - жовтий та помаранчево-коричневий) верстви можна побачити, якщо зробити більш-менш глибокі зіскрібки на емульсії. Після підготовки кадр вставляємо в слайдову рамочку і демонструємо учням з допомогою діапроектор, як звичайний слайд.

Негатив кольорової плівки, як відомо, виходить у додаткових кольорах. Якщо учні трохи ознайомлені з теорією додаткових кольорів, то про колір, одержуваному на негативі при зйомці даного об'єкта, можна запитати і їх самих, хай подумають. Досвід показує, що обов'язково хтось у класі здогадається: те, що на Насправді червоне, на негативі - зелене, що насправді жовте, на негативі - фіолетове і т.д. Сто1іт запитати учнів, чи припустимо при кольоровому фотодруку слабке червоне освітлення. Вони зазвичай відразу ж розуміють, що ні, тому що це викличе появу на фотопапері зеленого кольору.

Тепер про роль сенсибілізатора в кольорової фотографії. Вона тут набагато більш значуща, ніж у чорно-білої фотографії, оскільки сенсибілізатора в кольорових фотоемульсія не тільки підвищують чутливість до світла взагалі, але і регулюють чутливість до кожного конкретного кольору. Іншими словами, вони відповідають і за точну передачу кольору, і за приємне поєднання кольорів. Набір сенсибілізатора в кожному конкретному типі плівки - суворий секрет фірми-виробника. І в різних фірм секрети різні. Згадаймо недавнє минуле, плівки «Свема» і «ORWO», найбільш популярні тоді в нашій країні. Зображення на плівках «Свема» завжди мали синьо-зелений відтінок, а на плівках «ORWO» - коричневий. Багато сучасні плівки дають блакитний відтінок і т.д. Одним словом, кому що подобається і в якій ситуації.

сенсибілізатора відповідають ще й за яскравість кольорів. Розглянемо такий приклад. Потрібно сфотографувати в повний зріст дорогого вам людини. Вам тут важливо все: і одяг, і вираз обличчя, і колір очей. Ви чекаєте, що плівка передасть всі, у тому числі і колір очей. Скажімо, у людини очі блакитні. Але розмір райдужної оболонки ока дуже малий у порівнянні з розміром цілого кадру, і бажану блакить плівка може або не вловити взагалі, або сильно її спотворити, колір вийде бляклим. На жаль, цим особливо «грішили» наші вітчизняні плівки. А ось фотоматеріали «ORWO» «вміли» блакить очей робити навіть більше помітною.

Описане, звичайно ж, краще за все показати на реальних слайдах або фотографіях. Особливо якщо один і той же сюжет відображений в один час на різні плівки (наприклад, зйомки одночасно виробляли двоє, кожен своїм фотоапаратом).

Учням-гуманітаріям цього вже достатньо для гарного емоційного заряду. А в медико-біологічних класах, де кількість уроків фізики побільше, можна розповісти ще й про особливості налаштування фотоапаратів для одержання знімків хорошої якості. Мова йде про регулювання так званих витримки і діафрагми. Нагадаємо, що витримкою називається час експозиції кадру, а діафрагмою -- розмір отвору в об'єктиві фотоапарата, крізь яке засвічується кадр. Ми вже говорили, що для підвищення різкості зображення фотографований об'єкт повинен бути нерухомий. Але абсолютної непорушності досягти, як правило, неможливо. Тоді намагаються зменшити витримку, а для збереження світлового потоку збільшують діафрагму.

Остання виводить на поняття сферичної аберації - одного з недоліків лінз. Суть сферичної аберації полягає в тому, що через головний фокус лінзи проходять не всі промені, які падають на лінзу паралельно головної оптичної осі, а тільки ті, які проходять недалеко від головної оптичної осі. Більше далекі промені перетинаються в інших точках, що призводить до розмивання зображення. Широка діафрагма як раз і «запускає в дію» такі промені, так що проблему нестачі світла (при вимушеної малій витримці або при тьмяному освітленні) потрібно вирішувати не збільшенням діафрагми, а вибором більш чутливою фотоплівки.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.1september.ru/