Беседы о физике и технике

15. Холодный свет

Лампы дневного света! Они так прочно вошли в нашу жизнь, что мы их просто не замечаем. А ведь применяют их не так уж давно (какие-то 40–50 лет они были редкостью), а до этого люди мало что знали о принципах и физических основах «холодного» свечения веществ.

С древнейших времен люди наблюдали, что различные жучки-светлячки, мелкие морские животные, насекомые, рыбы, моллюски, гниющее дерево излучают свет без огня; свет, который «светит, но не греет». Автор всем известной сказки «Конек-Горбунок» русский поэт П. П. Ершов использовал эти наблюдения крестьян за естественным природным свечением.

Вот как он описывает волшебное перо Жар-птицы, которое светит необыкновенным светом: «Чудный свет кругом струится, но не греет, не дымится… Шапок с пять найдется свету, а тепла и дыма нету; эко чудо-огонек!».

С холодным свечением тел мы встречаемся и в других случаях. Существуют газы, жидкости и твердые кристаллические вещества, которые светятся «холодным» светом после того, как они побывают на свету.

НО ВЕДЬ УЧЕНЫЕ УЖЕ ДАВНО ЗАИНТЕРЕСОВАЛИСЬ ЭТИМ ЯВЛЕНИЕМ?

В науке «холодное» свечение принято, как известно, называть люминесценцией (от латинского «люмен» — свет).

Еще великий Ломоносов изготовил светящийся шар (прообраз рекламной трубки), разреженный воздух в котором под действием тока высокого напряжения светился мерцающим светом. М. В. Ломоносов из этого опыта сделал весьма смелое по тому времени заключение о тождественности образования полярных сияний и появления света, мерцающего в шаре под действием электричества на газы.

Люминесценция привлекала к себе внимание таких гигантов мысли, как Р. Бойль, Г. Галилей, И. Ньютон, но более 300 лет она считалась одним из наиболее необъяснимых явлений природы, так как в сознании людей издавна утвердилось представление о возникновении света только от нагревания тел.

И лишь немногим более ста лет назад выдающимися физиками англичанином Г. Стоксом и французом Л. Беккерелем были начаты систематические количественные исследования нового вида свечения. Эти исследования позволили Стоксу установить важнейшие свойства люминесценции, но массового практического применения она достигла только в последние десятилетия.

Понимание же сущности явлений люминесценции стало возможным лишь после того, как в начале нашего столетия возникли новые представления о процессах поглощения и излучения света на основе квантовой теории.

В ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ВНЕСЛИ ВКЛАД И СОВЕТСКИЕ УЧЕНЫЕ?

Выдающийся советский ученый и организатор науки акад. С.И.Вавилов (1891–1951) создал отечественную школу физиков, работающих в области люминесценции. В 1945–1951 гг. С.И.Вавилов был президентом Академии наук СССР, одним из главных редакторов Большой Советской Энциклопедии первого и второго изданий, первым председателем общества «Знание».

«Результаты всех трудов Сергея Ивановича Вавилова стали одним из основных фундаментов современного учения о люминесценции. На базе этого фундамента стало возможным одно из важнейших открытий современной физики — открытие излучения заряженных частиц сверхсветовой скорости». Эти слова принадлежат академику, лауреату Нобелевской премии П. А. Черенкову. Под «важнейшим открытием современной физики» он имеет в виду открытие в 1934 г. эффекта, получившего название эффекта Вавилова — Черепкова, при исследовании явления люминесценции. За открытие этого эффекта П. А. Черенкову в 1958 г. (акад. С.И.Вавилов к этому времени уже умер) была присуждена Нобелевская премия.

ОДНАКО МЕХАНИЗМ ЭФФЕКТА ВАВИЛОВА — ЧЕРЕНКОВА ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ?

Суть эффекта состоит в том, что при движении электронов в веществе со скоростью, большей скорости света в данной среде, возникает излучение, которое С. И. Вавилов, проанализировав опыт, поставленный его аспирантом П. А. Черенковым, сразу же отделил от подразумевавшейся люминесценции. Именно здесь проявились богатая эрудиция и глубокие знания в области люминесценции С. И. Вавилова, так как даже крупнейшая в то время парижская школа физиков прошла мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию (в том числе П. Кюри и М. Склодовская-Кюри).

СНАЧАЛА ВСЕ ЖЕ НАДО ВЫЯСНИТЬ, ЧТО ТАКОЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ…

В результате длительных исследований С. И. Вавилов дал определение люминесценции, которое теперь является общепринятым: люминесценцией называют 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 отделить люминесценцию от теплового излучения, рассеянного света и других световых процессов.

Следовательно, люминесценция возникает при преобразовании в свет энергии, поглощенной атомами, молекулами или ионами некоторых веществ.

Элементарный акт люминесценции состоит из трех частей:

1) поглощения энергии центром свечения (атомом, молекулой, группой атомов или молекул);

2) пребывания частиц люминесцентного вещества в возбужденном состоянии;

3) испускания люминофором кванта энергии при переходе излучателя из возбужденного состояния в нормальное.

Длительность возбужденных состояний в зависимости от механизма люминесценции находится в пределах от 1∙10^-9 с до нескольких месяцев и даже лет, т. е. значительно превосходит период одного светового колебания (10^-15 с).

Необходимую для возбуждения свечения энергию частицам люминесцентного вещества можно сообщить разными путями: можно направить на люминофор поток электромагнитного излучения (видимого или ультрафиолетового), достигнуть возбуждения ударами электронов (пропусканием через газы электрического тока), вызвать химическую реакцию и т. д.

КЛАССИФИКАЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПРОВОДИТСЯ ИМЕННО ПО СПОСОБУ ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ ЛЮМИНОФОРА?

Из многочисленных видов люминесценции нас будут интересовать лишь некоторые, а именно те, которые имеют наибольшее техническое применение (фотолюминесценция и катодолюминесценция). Напомним, что фотолюминесценцией называют свечение, возникающее под действием электромагнитного излучения (света), а катодолюминесценцией — свечение твердых тел, в частности специальных кристаллических порошков в разрядных трубках под действием потока быстрых электронов.

Искусственно приготовленные синтетические неорганические вещества, имеющие кристаллическую структуру и способные светиться под действием внешнего источника возбуждения, называют кристаллофосфорами. Их свечение столь своеобразно, а значение для техники так велико, что его следует рассмотреть более подробно.

КОГДА ПОЯВИЛИСЬ ПЕРВЫЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ?

В конце XIX в. В это время в Англии для освещения жилищ пытались применять газоразрядные трубки. В трубки были впаяны металлические электроды, воздух из них откачивали, а перед запайкой в них впускали небольшое количество какого-либо газа: кислорода, оксидов азота, углекислого газа, неона, аргона и т. д.

Однако такие осветители для бытовых нужд не годились, потому что требовали высокого напряжения (до 30 тыс. В), они не безопасны для жизни, сильно мерцали, имели свет, непривычный для глаз.

Подобные газоразрядные трубки используют и до настоящего времени для рекламы или сигнализации. Если трубку заполнить неоном, то она светится красным светом, аргоном — голубым.

При смешении газов в разных пропорциях и при разных давлениях можно получать самые разнообразные цвета. Хотя газоразрядные трубки весьма экономичны по сравнению с обычными лампами накаливания, но их мерцающий свет неудобен для освещения.

Примерно 50 лет назад появились новые источники «холодного» света — ртутные лампы, в которых излучение газов заменялось излучением паров ртути. Они не требовали высокого напряжения — достаточно было напряжения городских электростанций (127 или 220 В).

Волосок в ртутной лампе в отличие от волоска обычной электролампочки покрыт тонким слоем бария, который при небольшом нагревании легко теряет электроны. Вылетевшие электроны возбуждают атомы ртути и они начинают испускать синевато-зеленый свет. Однако свет их непривычен: лица людей при этом свете кажутся зелеными, а губы — черными. Эти лампы испускают сильное ультрафиолетовое излучение, под действием которого начинают светиться окружающие тела, а также зубы, волосы, хрусталик глаза, ногти и даже кожа человека, а помещение кажется наполненным голубоватым туманом.

Несмотря на указанные недостатки ртутных ламп, не позволяющие применять их для бытового освещения, они помогли разрешить главную проблему освещения: создать источники света, дающие излучение, близкое по спектральному составу к лучам Солнца, т. е. люминесцентные лампы.

Обилие ультрафиолетового излучения, даваемого ртутными лампами, делают последние незаменимыми в медицине. Изготовленные не в стеклянном, а в кварцевом баллоне, они именуются кварцевыми лампами (сокращенно просто «кварцем») или «горным солнцем».

А ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЮТ ЛАМПЫ ДНЕВНОГО СВЕТА.

В настоящее время наша промышленность выпускает лампы «дневного», «белого» и «тепло-белого» света.

Лампы дневного света испускают свет, по составу близкий к тому, который мы наблюдаем на открытом месте в облачный день, лампы «тепло-белого» света дают более мягкий, близкий к свету в вечернее время.

Люминесцентные лампы значительно экономичнее ламп накаливания. Они дают света в 4–5 раз больше, чем лампы накаливания той же мощности, и служат в 3–6 раз дольше обычных электрических лампочек.

КАК РАБОТАЕТ ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА?

Современная люминесцентная лампа представляет собой газоразрядную трубку, не содержащую воздуха, но наполненную парами ртути. Внутренние стенки трубки покрывают тонким слоем люминофора, придающего трубке матовый цвет.

При работе лампы температура ее стенок не превышает 40–50 °C. Для облегчения разряда в лампу (рис. 54) вводится небольшое количество аргона. С обеих сторон трубки 2 имеются электроды 4, представляющие собой металлические спирали, по которым при зажигании лампы через стартер 1 пропускается переменный ток, накаливающий эти спирали. Электроны, испускаемые разогретыми спиралями, ускоряются электрическим полем и возбуждают пары ртути и аргона.

Рис. 54. Простейшая схема включения люминесцентной лампы:

_{1 — пусковой стартер, 2 — стеклянная трубка, 3 — слой люминофора, 4 — электроды, 5 — дроссель, 6 — источник переменного напряжения (220 В)}

Переменный ток, которым мы питаем лампу, меняет свое направление 50 раз в секунду. Поэтому электроды в трубке становятся то катодом, то анодом. Ударяясь об электроды, электроны дополнительно разогревают их. И через 1–2 с оба электрода так нагреваются, что дальнейший их разогрев электрическим током не является необходимым. В этот момент прекращается подача тока стартером на разогревание электродов, и ток теперь идет не по спирали электродов, а прямо через трубку от одного электрода к другому. Возбужденные атомы аргона и ртути при переходе в основное невозбужденное состояние испускают в основном ультрафиолетовое излучение. Оно попадает на кристаллы люминофора 3 (кристаллофосфора), находящиеся на внутренней поверхности трубки, и заставляют их испускать видимый свет, ярко освещающий пространство вокруг лампы.

В качестве покрытия применяют различные люминофоры. Это галофосфаты — соединения типа апатитов, активированных сурьмой и марганцем; фосфоры, состоящие из силикатов цинка и бериллия, активированных марганцем, и др.

От количества тех или иных химических элементов в люминофоре, от самого химического состава люминофора будет зависеть прежде всего тот или иной тип дневного света.

ГОВОРЯТ, ЧТО НА ЛАМПЫ ДНЕВНОГО СВЕТА СМОТРЕТЬ НЕЛЬЗЯ?

Всегда необходимо помнить, что непосредственное наблюдение любого источника света приводит к резкому утомлению глаз, и это, безусловно, вредно. Хотя люминесцентные лампы имеют сравнительно невысокую поверхностную яркость (~ 1∙10⁴ нит), все же недопустимо располагать их в открытом виде на уровне глаз. Их следует группами помещать в закрытые светильники; это предохранит глаза от переутомления и обеспечит равномерную цветность. Напомним, что наименьшая яркость, воспринимаемая глазом, составляет 1∙10^-6 нит, а наибольшая, вызывающая болезненные ощущения, — около 10⁵ нит (металлический волосок лампы накаливания дает яркость в (1,5–2)∙10⁶ нит, поверхность Солнца — 1,5∙10⁹ нит, а поверхность экрана в кинотеатре — около 20 нит). При люминесцентном освещении также недопустима и низкая освещенность помещений и рабочих мест, так как она соответствует освещенности в пасмурную погоду, что отрицательно влияет на нервную систему и, следовательно, уменьшает производительность труда.

ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЕ КРАСКИ ТОЖЕ ОТНОСЯТСЯ К НАШЕМУ РАЗГОВОРУ?

Конечно. Люминесцентные порошки, возбуждаемые ультрафиолетовыми лучами, используют для создания декораций и картин особого вида живописи — декоративной живописи. При освещении скрытыми от зрителей источниками ультрафиолетового излучения — ртутными лампами — краски начинают светиться и переливаться различными цветами.

Чтобы зрителям не был виден синевато-зеленоватый цвет подсветки, ртутные лампы-прожекторы прикрывают светофильтрами — темными стеклами, содержащими оксид никеля. Такие стекла не пропускают видимого света, но хорошо пропускают невидимое ультрафиолетовое излучение.

Никого уже сейчас не удивляют люминесцентные рекламы, дорожные и указательные знаки, шкалы измерительных приборов, освещение люминесцентными лампами помещений магазинов, промышленных предприятий, станций метро. Они удобны в сортировочных и колориметрических цехах текстильных фабрик. Это позволило в них ввести трехсменную работу вместо укороченной односменной, связанной с естественным освещением.

ЧТО ТАКОЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ?

Люминесцентный анализ — метод исследования различных объектов, основанный на наблюдении их люминесценции. Для люминесцентного анализа можно использовать как собственную люминесценцию исследуемых объектов, так и люминесценцию специально для этого применяемых люминесцирующих красителей — флуорохромов.

Ввиду того что люминесценция непосредственно связана с излучающим веществом, его составом и структурой, по спектральному составу излучения и его длительности в ряде случаев можно определить излучающее вещество. Это и составляет содержание качественного люминесцентного анализа.

Количественный анализ основан на том, что при соблюдении определенных условий интенсивность люминесценции пропорциональна концентрации люминесцирующего вещества. Для измерения интенсивности люминесценции при люминесцентном анализе пользуются фотометрами различного типа.

Химический люминесцентный анализ превосходит по точности обычный химический анализ, позволяя обнаруживать стомиллиардные доли грамма искомого вещества.

Существенно, что при этом анализе исследуемое вещество не подвергается изменению.

В наши дни широко применяют сортовой люминесцентный анализ.

Он основан на том, что различные сорта сходных объектов (стекла, семян и т. п.) под действием ультрафиолетовых лучей светятся по-разному.

В зависимости от цвета свечения и производится их сортировка. Этот принцип лег в основу способа сортировки оптических стекол, разработанного под руководством С. И. Вавилова.

Вынуждающее свечение при люминесцентном анализе обычно производят с помощью ртутно-кварцевых ламп, как наиболее мощных и испускающих наибольший поток ультрафиолетового излучения. Такие лампы обычно применяют с фильтрами из специального увиолевого стекла. Эти стекла с добавкой оксида никеля пропускают длинноволновое ультрафиолетовое излучение (300–400 нм), являющееся биологически безвредным. Схема установки для люминесцентного анализа приведена на рис. 55. Здесь 2 — ртутная лампа в кожухе 3, 1 — светофильтр, который пропускает на исследуемый препарат 4 только ультрафиолетовое излучение. Его люминесценцию наблюдают глазом или регистрируют специальной аппаратурой.

Научные исследования люминесценции ведутся весьма интенсивно.

Рис. 55. Схема установки для люминесцентного анализа в ультрафиолетовом свете

КАКОВЫ ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА?

В производстве и в народном хозяйстве люминесцентный анализ применяют для исследования чистоты продуктов и обнаружения в них иногда ничтожных примесей.

В фармацевтической промышленности его используют для установления чистоты лекарственных веществ, в химической промышленности — для установления качества исходного сырья, в геологии — для определения состава горных пород, в пищевой промышленности — для определения качества продуктов, их зараженности и т. д.

Люминесценция окрашенных срезов тканей различных органов позволяет изучить их строение. По составу излучения выделений различных органов человека можно судить о правильности их функционирования, определять характер заболеваний. Люминесценция особенно хорошо определяет грибковые заболевания кожи и устанавливает появление инфекции на коже, волосах и т. д. В криминалистике по свечению незаметных пятен можно определить их природу и происхождение. При ультрафиолетовом облучении обнаруживаются незаметные надписи, подделки банкнотов и деловых бумаг.

В ультрафиолетовом свете прочитывается стертый текст, попорченные надписи на старинных документах, проявляются рисунки под позже нанесенным слоем краски и т. д.

Люминесцентный анализ внедрен для изучения состава нефти, битумов и минеральных масел, а также для поисковых целей. Люминесценция кернов из скважин и вытяжек из них, а также вод скважин помогает геологам судить о характере и условиях залегания того или иного полезного ископаемого.

Трудно указать (ввиду их многочисленности) другие области науки и техники, где применяют люминесцентный анализ. Укажем лишь, что это почвоведение, текстильная промышленность (для изучения структуры волокон), химическая промышленность (определение качества препаратов и реактивов), палеонтология, археология, биология и многие другие. Люминесцентные микроскопы, радиолокационные установки, рентгеновские экраны (в том числе усиливающие действие рентгеновских лучей на фотоэмульсию пластинок), трубки катодных осциллографов с люминесцирующим экраном, телевизионные трубки — вот далеко не полный перечень физических приборов, без которых невозможны современная техника и быт человека.

Еще одно интересное применение люминесценции — это люминесцентная дефектоскопия. Часто на металлических изделиях в процессе отливки и дальнейшей их механической обработки появляются мельчайшие, невидимые глазом трещины и раковины.

На поверхность такого изделия наносят люминофор (в растворе или в порошке), который заполняет трещины. Спустя некоторое время люминофор удаляется (смывается или стирается) с поверхности изделия и оно облучается ультрафиолетом. Оставшийся в трещинах люминофор под действием ультрафиолетовых лучей «покажет» наличие дефекта изготовленной детали (рис. 56). В металлургии люминесцентную дефектоскопию широко применяют для стопроцентного контроля изделий механических, термических, литейных цехов и, что особенно важно, для изделий из немагнитных сплавов (литье из алюминиевых, магниевых сплавов, аустенитных сталей и т. д.), т. е. тех изделий, которые благодаря сложности своей конфигурации исключают другие виды дефектоскопии (рентгеновский, ультразвуковой).

Рис. 56. Дефектоскопия металлических деталей. Видны люминесцирующие трещины

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И РАДИАЦИЯ — ЕСТЬ ЛИ МЕЖДУ НИМИ СВЯЗЬ?

В науке и технике большое значение имеет обнаружение быстродвижущихся частиц вещества — электронов, протонов, осколков ядер и др. В некоторых случаях это удается сделать с помощью люминесцентного экрана, на который попадают невидимые частицы, вызывая вспышки свечения, или сцинтилляции. Люминесцентные вещества, применяемые для получения сцинтилляций, называют сцинтилляторами. Такие вспышечные экраны (помимо специальных счетчиков или в совокупности с ними) составляют основу специальных приборов для определения полученной дозы вредных радиации — дозиметров. Дозиметры отзываются на рентгеновские и γ-кванты, β-излучение (поток быстрых электронов), а-частицы (ядра гелия) и другие частицы, образующиеся в результате радиоактивного распада в естественных условиях, в ускорителях и на атомных электростанциях.

Итак, если еще недавно слово «люминесценция» было знакомо только физикам, теперь оно стало широко распространено, как слова «электричество», «радио», «телевидение», «космос», «атомная энергия». А без самого явления люминесценции и его использования мы не можем себе представить не только современной науки и техники, но и быта современного человека.