Para o álbum musical, veja The Color Spectrum. miniatura|upright|A luz branca é dispersa por um prisma de vidro nas cores do espectro visível. miniatura|direita|A porção visível do espectro eletromagnético
O espectro visível é a faixa do espectro eletromagnético que o olho humano consegue enxergar. A radiação eletromagnética nessa faixa de comprimentos de onda recebe o nome de luz visível, ou simplesmente luz. O termo espectro óptico pode ter o mesmo sentido de espectro visível, mas alguns autores também o usam para abranger as faixas do ultravioleta e do infravermelho, que, junto com a luz visível, formam a radiação óptica.
O olho humano costuma responder a comprimentos de onda de aproximadamente 380 a 750 nanômetros. Essa faixa corresponde a frequências de cerca de 400 a 790 terahertz. Esses limites não são exatos e dependem da quantidade de luz que chega à retina e da sensibilidade do observador. Em condições experimentais específicas, conforme a idade do observador e a intensidade da fonte, a percepção humana pode se estender até 310 nm no ultravioleta e 1.100 nm no infravermelho próximo.
O espectro não contém todas as cores que o sistema visual humano consegue distinguir. Cores não saturadas, como o cor-de-rosa, e variações de púrpura, como o magenta, não fazem parte dele, pois só podem ser produzidas pela mistura de diferentes comprimentos de onda. As cores formadas por um único comprimento de onda também recebem o nome de cores puras ou cores espectrais.
A luz de comprimentos de onda visíveis atravessa a atmosfera terrestre com pouca atenuação, na região do espectro eletromagnético chamada "janela óptica" ou "janela visível". O ar limpo espalha mais a luz azul do que a vermelha, fazendo com que o céu durante o dia pareça azul. A atmosfera também tem janelas de transmissão no infravermelho próximo e em comprimentos de onda mais longos, fora da faixa visível habitual.
Comprimento de onda, frequência e energia No vácuo, o comprimento de onda e a frequência da luz se relacionam pela expressão , em que é a velocidade da luz. A energia de cada fóton é dada por , em que é a constante de Planck. Quanto menor o comprimento de onda, maiores são a frequência e a energia por fóton. Por isso, um fóton de luz violeta tem mais energia que um fóton de luz vermelha.
Ao passar do vácuo para um meio transparente, como a água ou o vidro, a luz mantém sua frequência, mas sua velocidade e seu comprimento de onda diminuem. Em um meio de índice de refração , o comprimento de onda é . Essa mudança não altera a cor da luz monocromática. Para comparar cores por seus comprimentos de onda, usam-se os valores no vácuo ou, com boa aproximação, no ar.
Cores espectrais
As cores que podem ser produzidas por luz visível em uma faixa estreita de comprimentos de onda, chamada luz monocromática, recebem o nome de cores espectrais. As faixas de cores da ilustração são aproximadas. O espectro é contínuo, sem limites nítidos entre uma cor e a seguinte.
História miniatura|Círculo de cores de Newton, publicado em Opticks em 1704, com as cores que ele relacionou às notas musicais. As cores espectrais, do vermelho ao violeta, são divididas pelas notas da escala musical a partir de ré. O círculo completa uma oitava, de ré a ré. Nele, o vermelho de uma extremidade do espectro fica ao lado do violeta da outra. A mistura de luz vermelha e violeta produz tons de púrpura que não pertencem ao espectro.
No século XIII, Roger Bacon propôs que os arco-íris se formavam por um processo semelhante à passagem da luz pelo vidro ou pelo cristal.
No século XVII, Isaac Newton descobriu que os prismas podiam decompor a luz branca e recompô-la, e apresentou esse fenômeno em seu livro Opticks. Em um artigo publicado em 1672 sobre seus experimentos de óptica, empregou a palavra spectrum nesse sentido, termo latino que significa "aparência" ou "aparição". Newton observou que, quando um feixe estreito de luz solar atingia obliquamente a face de um prisma de vidro, uma parte era refletida e outra atravessava o vidro, saindo em faixas de cores diferentes. A luz vermelha sofria um desvio menor por refração que a violeta, produzindo um espectro de cores.
miniatura|upright=1.35|Observação de Newton das cores produzidas por um prisma, em uma ilustração de David Brewster, de 1855 Newton dividiu o espectro em sete cores, vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta, relacionando-as às notas da escala musical. A separação do anil como cor própria foi questionada por autores como Isaac Asimov, que o entendia como uma tonalidade de azul ou violeta. Os termos "anil" e "azul" usados por Newton não correspondem aos sentidos que essas palavras têm na nomenclatura das cores. Ao comparar sua observação das cores produzidas por prismas com uma imagem colorida do espectro visível, o "anil" corresponde ao que se chama azul, e seu "azul" corresponde ao ciano.
Johann Wolfgang von Goethe escreveu sobre os espectros ópticos em sua Teoria das cores, publicada em 1810. Goethe usou a palavra Spektrum, equivalente a "espectro", para designar uma pós-imagem de aspecto fantasmagórico, assim como Schopenhauer em Sobre a Visão e as Cores. Para Goethe, o espectro contínuo era um fenômeno composto. Newton estreitava o feixe de luz para isolar o fenômeno. Goethe observou que uma abertura mais larga produzia bordas amarelo-avermelhadas e azul-ciano, com branco entre elas. O espectro só se formava quando essas bordas estavam próximas o suficiente para se sobrepor.
No início do século XIX, o conceito de espectro visível ficou mais preciso com a descoberta e a caracterização de radiações fora da faixa visível. Entre os pesquisadores estavam William Herschel, que descobriu o infravermelho, Johann Wilhelm Ritter, que descobriu o ultravioleta, Thomas Young e Thomas Johann Seebeck. Em 1802, Young foi o primeiro a medir os comprimentos de onda de diferentes cores da luz.
Thomas Young e Hermann von Helmholtz investigaram a relação entre o espectro visível e a visão de cores no século XIX. A teoria de Young–Helmholtz propôs que a visão de cores depende de três tipos de receptores, correspondentes aos três tipos de cones da retina humana.
Limites da faixa visível
miniatura|upright=1.5|Funções de eficiência luminosa da visão fotópica, em preto, e da visão escotópica, em verde. O eixo horizontal apresenta o comprimento de onda em nanômetros.
O espectro visível se limita aos comprimentos de onda que conseguem chegar à retina e desencadear a fototransdução visual, excitando uma opsina visual. A insensibilidade à luz ultravioleta geralmente decorre da limitação de sua passagem pelo cristalino. No caso do infravermelho, ela decorre das funções de sensibilidade espectral das opsinas visuais. A sensibilidade à luz é medida por métodos da psicofísica e expressa pela função de eficiência luminosa, que leva esses fatores em conta. Nos seres humanos, há uma função para cada um de dois sistemas visuais. A visão fotópica, usada à luz do dia, depende dos cones, e a visão escotópica, usada com pouca luz, depende dos bastonetes. Entre esses dois regimes está a visão mesópica, em que cones e bastonetes atuam em conjunto.
Nas funções padronizadas pela Comissão Internacional de Iluminação, a sensibilidade máxima ocorre em 555 nm na visão fotópica e em 507 nm na visão escotópica. Com a adaptação à pouca luz, a maior sensibilidade se desloca para comprimentos de onda mais curtos.
Transmissão atmosférica A faixa de luz disponível aos animais depende da transmissão pela atmosfera, que limita sobretudo a porção ultravioleta do espectro. Ao atravessar a atmosfera, toda a radiação UVC solar e a maior parte da UVB são absorvidas. A radiação UVA é menos atenuada, e o ozônio absorve parte da radiação ultravioleta. A luz de fontes terrestres próximas, como a produzida por bioluminescência, não atravessa esse filtro da alta atmosfera.
Transmissão ocular miniatura|upright=1.5|Espectros de transmissão cumulativa da luz ao atravessar os meios oculares. Em azul, após a córnea. Em vermelho, antes do cristalino. Em cinza, após o cristalino. Em laranja, antes da retina. As linhas contínuas correspondem ao olho de uma pessoa de 4,5 anos. A linha laranja tracejada corresponde a um olho de 53 anos, e a pontilhada, a um de 75 anos. A diferença entre elas mostra o efeito do amarelamento do cristalino.
Antes de chegar à retina, a luz precisa atravessar a córnea e o cristalino. A córnea filtra a maior parte da luz UVB, de comprimentos de onda inferiores a 315 nm, e o cristalino filtra a maior parte da luz UVA, entre 315 e 400 nm. O cristalino também fica amarelado com a idade, reduzindo a transmissão principalmente na região azul do espectro. A percepção das cores, porém, pode se adaptar à mudança gradual da luz que chega à retina. Pessoas com afacia não têm cristalino, o que permite que a luz UVA chegue à retina e excite as opsinas visuais. Isso amplia a faixa de sensibilidade ao ultravioleta. Após a remoção de um cristalino amarelado, a visão pode adquirir temporariamente um tom azulado, chamado cianopsia, até que ocorra a adaptação.
Absorção pelas opsinas Cada opsina tem uma função de sensibilidade espectral que determina a probabilidade de absorver um fóton de cada comprimento de onda. As respostas dos cones, junto com a transmissão pelos meios oculares, determinam a sensibilidade espectral da visão fotópica. Mudanças nos pigmentos dos cones alteram essa sensibilidade e a discriminação das cores. Na protanomalia, uma forma de daltonismo, os dois pigmentos sensíveis a ondas médias e longas geralmente têm picos de sensibilidade mais próximos entre si. Na protanopia, falta uma classe funcional de cones L, o que reduz a sensibilidade à luz vermelha.
Diferentes definições Não há um ponto de corte fisiológico preciso para o espectro visível. As convenções para delimitar essa faixa variam conforme a área de aplicação. Algumas áreas adotam limites práticos mais restritos, de 420 a 680 nm. Outras adotam faixas mais amplas, com limites de 380 a 750 nm ou até de 380 a 800 nm. No infravermelho próximo, a sensibilidade visual é muito baixa, mas não apresenta um ponto de corte abrupto. Em condições experimentais, fontes intensas podem produzir uma sensação visual.
Visão fora do espectro visível Em condições de laboratório, é possível perceber luz infravermelha com comprimentos de onda de pelo menos 1.064 nm. Uma fonte contínua nesse comprimento de onda pode produzir a sensação de vermelho. Lasers pulsados no infravermelho próximo também podem produzir a sensação de verde. Nesse caso, a absorção de dois fótons pode desencadear a isomerização do cromóforo do pigmento visual, permitindo a percepção de comprimentos de onda fora da faixa visível habitual.
Pessoas jovens também podem perceber comprimentos de onda ultravioletas de até cerca de 310–313 nm. A detecção de luz abaixo de 380 nm, porém, pode resultar da fluorescência dos meios oculares, sem absorção direta da luz ultravioleta pelas opsinas. Quando o cristalino e a córnea absorvem luz UVA, podem emitir luz por fluorescência, com energia menor e comprimento de onda maior, que então pode ser absorvida pelas opsinas. Por exemplo, quando o cristalino absorve luz de 350 nm, o espectro de emissão por fluorescência se concentra em torno de 440 nm.
Detecção de luz sem formação de imagens Além dos cones e bastonetes, a retina humana tem células ganglionares fotossensíveis que contêm melanopsina. Esse pigmento participa da regulação do ritmo circadiano e de respostas como o reflexo pupilar. Embora essas funções não dependam da formação de imagens, os sinais da melanopsina também participam da percepção do brilho.
Em outros animais