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La percezione del colore: dai fotoni ai neuroni

Abbiamo già parlato del colore e della sua importanza nel mondo dell’arte. Oggi proveremo ad indagare i fenomeni che sono alla base della percezione del colore, soffermandoci inoltre sul modo in cui il nostro cervello è in grado di riconoscerlo. 
Colore e luce sono intimamente collegati e quest’ultima è indispensabile per far sì che l’occhio umano possa percepire il colore in quanto tale. La luce è una particolare radiazione elettromagnetica le cui lunghezze d’onda sono per noi visibili grazie alla “traduzione” effettuata dal nostro cervello che, per l’appunto, trasforma queste lunghezze d’onda in segnali elettrochimici. In realtà, lo spettro del visibile è una porzione molto ristretta dell’intero spettro delle radiazioni elettromagnetiche: le lunghezze d’onda percepibili dall’occhio umano corrispondono ai colori dell’arcobaleno e vanno dai 380 ai 760 nanometri (Fig.1). 

Figura 1: Spettro della radiazione elettromagnetica visibile. Credits: matematicamente.it

Dunque, cosa determina il colore di un oggetto? La luce, incidendo su un oggetto, può essere trasmessa (ovvero l’oggetto appare trasparente alla luce), assorbita (cioè l’oggetto può trattenere alcune componenti cromatiche) o riflessa (ovvero diffusa in varie direzioni).
L’oggetto risulterà di un determinato colore a seconda della capacità della sua superficie di assorbire la luce incidente, riflettendo verso l’osservatore le lunghezze d’onda non assorbite; bisogna quindi guardare alla curva di riflessione del corpo. Un oggetto rosso avrà ad esempio uno spettro di riflessione con un picco nella zona delle lunghezze d'onda lunghe. Analogamente, se un corpo riflette tutte le lunghezze d’onda appare bianco; se assorbe tutta la radiazione elettromagnetica risulterà nero.
La responsabilità dell’assorbimento va ricercata nella struttura dell’atomo. Semplificando molto la questione, gli elettroni di un atomo possono disporsi solo a determinate energie discrete, dipendenti dal tipo di atomo, occupando dapprima gli strati più interni della struttura atomica, ad energia più bassa, fino a quelli più esterni ed energetici.
In condizioni normali gli elettroni si dispongono nello stato di minima energia. Quando la radiazione colpisce un atomo, se l'energia dei fotoni è uguale alla differenza fra l'energia dello stato eccitato e quella dello stato fondamentale, la radiazione viene assorbita e l’atomo passa allo stato eccitato. La lunghezza d’onda del fotone assorbito è determinata dalla relazione:

ΔE = hc/λ

Dove ΔE è la differenza di energia tra lo stato fondamentale e quello eccitato, h è la costante di Plank (6.626 x 10-34Js) e c la velocità della luce.

Dunque, l’assorbimento della luce nella transizione di elettroni fra livelli energetici è responsabile  della visione del colore: solamente i fotoni che permettono la transizione tra le bande energetiche degli elettroni saranno assorbiti. Ma in che modo il nostro sistema nervoso codifica i colori?
Innanzitutto, non siamo in grado di percepire le singole lunghezze d’onda bensì soltanto la loro risultante psicologico, ovvero una radiazione blu ed una rossa saranno percepire viola, senza poter distinguere i costituenti. L’intensità luminosa è invece dovuta al numero di fotoni che colpiscono il fondo dell’occhio. I recettori presenti nella retina sono di quattro tipi: i bastoncelli, sensibili alla bassa illuminazione; tre tipi di coni in grado di riconoscere ciascuno corrispondente alla percezione dei rossi, dei verdi e dei blu. La percezione del colore nel cervello è quindi articolata in tre parti: la corteccia visiva primaria, chiamata V1, valuta la lunghezza d’onda e smista l’informazione proveniente dalla retina; in V4 vengono poi valutate le tinte rispetto ai contorni e ai colori vicini, distinguendo le aree caratterizzate dalla medesima costanza cromatica. Infine, in più zone, come la corteccia temporale inferiore e l’ippocampo, avviene un controllo cromatico basato sulla memoria. 
I fotoni consentono quindi all'occhio umano di percepire milioni di sfumature cromatiche, eppure il cervello, attraverso l'informazione mediata dai neuroni, riesce a codificarne in un insieme discreto di colori.

Alessandra e Francesca
Riferimenti bibliografici:
R. Falcinelli, Cromorama, Einausi. Stile Libero Extra (2017).
Grant R. Fowles, Introduction to modern optics, Dover(1989).

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