РАБОТЫ С. И. ВАВИЛОВА ПО ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
РАБОТЫ С. И. ВАВИЛОВА ПО ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
С первых лет научной деятельности академик Сергей Иванович Вавилов заинтересовался явлением фотолюминесценции, изучение которой он не прекращал до конца своей жизни. Люминесценция (или, как ее иногда не совсем верно называют, холодное свечение тел) состоит в том, что под действием света некоторые твердые, жидкие или газообразные вещества испускают характерное для них излучение, называемое излучением люминесценции. При люминесценции происходит поглощение возбуждающего света и испускание света люминесценции, состав которого отличен от поглощенного. Изменение света свидетельствует о наиболее тесном взаимодействия между светом и веществом, благодаря чему изучение люминесценции позволяет раскрыть наиболее тонкие свойства и света и вещества.
Некоторые виды люминесценции — «холодное» свечение некоторых твердых тел и жидкостей — были открыты очень давно. Но несмотря на это, на протяжении нескольких веков развитие люминесценции не выходило за пределы накопления разрозненных наблюдений и опытных фактов, сопровождаемых всевозможными полуэмпирическими правилами и противоречивыми гипотезами. Достаточно сказать, что в то время, когда С. И. Вавилов начинал свою научную работу, не существовало научного определения самого понятия люминесценции, вследствие чего нельзя было ответить на вопросы о том, что такое люминесценция, каковы ее основные признаки и чем она отличается от других видов излучения.
В результате длительных исследований С. И. Вавилов дал определение люминесценции, которое теперь является общепринятым: люминесценцией называется избыток свечения тела над тепловым излучением того же тела в данной спектральной области и при данной температуре, если этот избыток имеет конечную длительность свечения, т. е. не прекращается сразу же после устранения вызвавшей его причины.
Это определение позволяет по доступным измерению признакам отделить люминесценцию от теплового излучения, рассеяния света и других световых процессов.
Элементарный акт люминесценции состоит из следующих трех частей: 1) поглощения кванта падающего света центром свечения (атомом, молекулой, группой атомов или молекул), 2) пребывания центра свечения в возбужденном состоянии и 3) излучения нового кванта при переходе центра свечения из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом, основной особенностью люминесцентных процессов является то, что поглощение и испускание света происходит здесь в двух отдельных актах, между которыми центры свечения (поглощающие и излучающие энергию) находятся в промежуточных возбужденных состояниях. Длительность возбужденных состояний, в зависимости от механизма люминесценции, заключена в пределах от миллиардных долей секунды до многих месяцев и даже лет, т. е. значительно превосходит период одного светового колебания (10?15 сек).
Введенный С. И. Вавиловым критерий длительности, являющейся основным свойством люминесценции, позволил выделить люминесценцию из большого числа различных видов излучения, по внешности весьма сходных с ней (т. е. «холодных», не определяющихся температурой светящихся тел), свечение которых прекращается за время 10?15 сек по прекращении возбуждения.
Люминесценция различных веществ чрезвычайно разнообразна по спектральному составу испускаемого излучения и по другим его свойствам (зависимость от температуры, посторонних примесей и т. д.). Поэтому единственными законами люминесценции, справедливыми для любых люминесцирующих тел независимо от их агрегатных состояний, являются законы спектрального преобразования света.
Однако длительные поиски этих законов привели лишь к установлению некоторых эмпирических правил, которые не охватывали всех основных опытных фактов и допускали значительные исключения. Примером такого правила является «закон» Стокса, согласно которому длина волны излучения люминесценции должна быть больше длины волны возбуждающего света. Так как энергия излучения прямо пропорциональна его частоте ? (и обратно пропорциональна длине волны ?), то увеличение длины волны при люминесценции свидетельствует о том, что некоторая доля энергии, поглощенной люминесцентным веществом, остается в нем, переходя в тепло. Но этот «закон» нередко нарушается на опыте.
Подлинные законы спектрального преобразования света были открыты С. И. Вавиловым в результате длительного экспериментального и теоретического исследования энергетики люминесцентных процессов. Они являются теоретической основой не только для науки о люминесценции, но и для ее технических приложений.
Большая серия работ С. И. Вавилова посвящена изучению поляризованной люминесценции. При освещении люминесцентного раствора линейно поляризованным светом свет люминесценции оказывается частично поляризованным. Изучение этого явления С. И. Вавиловым вместе с его учениками В. Л. Левшиным и членом-корреспондентом АН СССР П. П. Феофиловым проложило новые пути к выявлению природы и свойств элементарных излучателей в сложных молекулах. Исследуя у различных веществ графики зависимости степени поляризации люминесценции от длины волны возбуждающего света (Вавилов назвал их «спектрами поляризации»), можно установить, какие группы атомов в сложных молекулах этих веществ испускают или поглощают свет определенных длин волн. Благодаря этому можно получить ценные сведения о структуре сложных молекул.
Изучение тушения люминесценции растворов, произведенное С. И. Вавиловым и его учениками, привело к открытию нового вида передачи энергии в веществе — миграции энергии. При миграции энергия переносится без рассеяния на большие (сравнительно с размерами атомов и молекул) расстояния в результате особого рода взаимодействия между соседними атомами вещества. Этот вид распространения энергии играет огромную роль в концентрированных растворах органических красителей, в кристаллах, белковом веществе и разнообразных биохимических процессах.
В последние десятилетия люминесценция широко используется в различных областях науки и техники: в радиолокации и телевидении, в медицине, химии, биологии и минералогии, в металлургической промышленности — повсюду она помогает решению многочисленных практических задач. На основе люминесценции разработаны новые методы химического и сортового анализа различных веществ — так называемый люминесцентный анализ. В развитии этих практических применений люминесценции большая заслуга принадлежит С. И. Вавилову. Но особенно большое значение имеют его работы по созданию люминесцентных источников света, открывших новый этап в истории светотехники.
Электрические лампочки накаливания — основной источник света в наши дни — имеют очень крупные недостатки. Их коэффициент полезного действия не превышает 3 %. Более 90 % энергии теряется ими на создание невидимого инфракрасного излучения. Спектральный состав видимого света у этих ламп значительно отличается от солнечного света, к которому наиболее приспособлен человеческий глаз. Температура накала вольфрамовой нити в лампе 2200–2300°. Для получения света, близкого к солнечному, и увеличения светоотдачи пришлось бы поднять ее до 6000°. Однако еще задолго до этого нить лампочки расплавится или распылится.
Недостатки электрических лампочек накаливания побуждают ученых искать новые, более экономичные и удобные источники света. Такими источниками и оказались люминесцентные лампы. Люминесцентные вещества являются световыми трансформаторами. Они могут превращать один вид света в другой, например невидимые ультрафиолетовые, т. е. бесполезные в светотехническом отношении лучи, в видимые, или однородный свет — в широкие спектральные полосы самого различного состава. Трансформация света лежит в основе всех люминесцентных ламп.
С. И. Вавилов первым предложил использовать мощное ультрафиолетовое излучение ртутных ламп для получения видимого света с помощью люминесцентных веществ. Идя по этому пути, он создал люминесцентные «лампы дневного света».
Основной частью люминесцентных ламп Вавилова является газоразрядная трубка, заполненная парами ртути при низком давлении. Электроны, проходя через трубку при разряде, возбуждают ультрафиолетовое излучение ртути. Если наблюдать разряд через прозрачные стенки трубки, то можно заметить, что внутренность ее светится слабым голубым светом. Основная доля излучения ртути сосредоточена в ультрафиолетовой области. Для преобразования ее в видимый свет на внутреннюю стенку трубки наносят слой «светового трансформатора» — кристаллического люминесцентного порошка. Применяя различные порошки, можно получить свет любого цвета. Наибольший практический интерес представляют порошки, свечение которых близко к дневному рассеянному солнечному свету (например, дневному свету при облачном небе). Коэффициент полезного действия и средний срок службы таких ламп значительно больше обычных.
Люминесцентные лампы уже получили широкое распространение. Ими освещают сортировочные и колориметрические цехи текстильных фабрик, которые ранее работали всего по нескольку часов в день при дневном освещении. Они создают превосходные условия для освещения музеев и картинных галерей; благодаря полной взрывобезопасности по отношению к рудничным газам они успешно применяются в наших шахтах. Ими освещены многие станции Московского метрополитена, магазины, учреждения и т. д.