Солнечный луч

О природе света

Все, что говорится в этом разделе, имеет прямое отношение не только к видимому свету, но и к его невидимым соседям по спектру электромагнитных волн — законы геометрической и физической оптики одинаковы для всего спектра.

Первые, самые простые представления о свете возникли у людей в результате наблюдения. Любой источник света — пламя костра, свечи или свет фонаря — дает тень. Чем ближе к источнику света непрозрачный предмет, тем больше размер его тени, очертания которой всегда совпадают с контуром предмета. Такого рода наблюдения позволили сформулировать закон прямолинейного распространения света в однородной сфере (в данном случае — в воздухе).

Находя блестящие кристаллы минералов, научившись полировать металлы, люди обратили внимание на отражение света, образование так называемых солнечных «зайчиков». В III в. до н. э. великий геометр Древней Греции Эвклид в своей книге «Оптика» так описал закон отражения света: независимо от характера отражающей поверхности, природы и силы света, угол, под которым луч отражается от зеркала, равен углу падения луча.

Если на пути луча оказывается предмет с плоской гладкой поверхностью, то отраженный луч, изменив направление, останется тем же пучком света. Если поверхность, с которой встретился поток лучей, сферическая вогнутая (т. е. близкая к внутренней поверхности шара), то отраженные от нее лучи соберутся в одной точке, соответствующей центру шара,— фокусе. Наоборот, если поверхность предмета близка к наружной поверхности шара, то отраженные от нее лучи будут двигаться расходящимся пучком (как если бы они исходили опять-таки из центра шара). Во всех этих случаях мы имели дело с отражением. Но если освещенный Солнцем предмет имеет неправильную, шероховатую поверхность (что и бывает чаще всего), то к каждой точке этой поверхности падающие лучи подойдут под разным углом. Соответственно и отразятся эти лучи под такими же углами. Этот вид отражения света носит название рассеяния.

Какая-то часть рассеянных лучей попадет в наш глаз, и это будет означать, что мы увидели предмет, от поверхности которого эти лучи отразились. Правда, каждый из нас неоднократно видел своими глазами даже не отраженный, а падающий мимо луч света. Солнечный луч, прошедший сквозь окно, или луч киноаппарата в темном зале виден потому, что он проходит не через идеальную среду, а сквозь воздух. Мириады пылинок, танцующих в нем, рассеивают часть света, и какая-то доля рассеянных лучей попадает в наш глаз и дает нам право утверждать, что мы видим проходящий мимо луч. Но если пучок света проходит через прозрачную камеру, воздух которой освобожден от пылинок, то мы увидим его только перед вхождением в камеру и после выхода. Внутри же он невидим.

Наблюдая прохождение солнечных лучей из воздуха в спокойную и прозрачную воду, рассматривая предметы в воздухе и под водой, люди познакомились с явлением преломления света на границе двух прозрачных сред. Опустите в стакан с водой чайную ложку. Вам покажется, что ложка сломана, искривлена и что излом совпадает с поверхностью воды. Когда же ложка вынута из воды, вы убедитесь в своей ошибке. Видимость излома на границе двух сред объясняется тем, что лучи, отраженные от подводной части предмета, выходя в воздух, изменяют свое направление, преломляются, а лучи, отраженные от надводной части, не испытывают такого преломления.

Луч Солнца, входящий в комнату через оконное стекло, изменяет свое первоначальное направление дважды. Сначала он преломляется на границе воздух — стекло, в толще стекла идет под углом к своей прежней траектории и, наконец, на границе стекло — воздух подвергается обратному преломлению. В итоге этого двойного поворота луч лишь несколько смещается (разумеется, если стекло не слишком толстое, и обе грани, поверхности его параллельны), не меняя первоначального направления. Поэтому сквозь стекло мы видим предметы там, где они находятся на самом деле.

Зато попытка оценить на глаз глубину реки или озера, расстояние до дна обычно дает ошибочные результаты. Толщина прозрачного слоя здесь несравненно больше, и соответственно больше кажущееся смещение предметов, расположенных на дне. Для глаза, смотрящего прямо вниз, ошибка составляет примерно четверть действительного расстояния: дно кажется нам ближе, чем в действительности.

В силу преломления солнечных лучей в атмосфере мы видим восход светила несколько раньше, а заход — чуть позже, чем это имеет место в действительности. Когда мы видим, что нижний край Солнца коснулся горизонта, на самом деле оно уже зашло.

Первое упоминание о свойстве преломления света на границе двух прозрачных сред содержится в трудах древнегреческого философа Аристотеля (IV век до н. э.). Птолемей (II век н. э.), изучая преломление света небесных светил на границе атмосферы, пришел к неправильному выводу о пропорциональности угла преломления углу падения. Закон преломления света математически был сформулирован в 1630 г. французским физиком и философом Р. Декартом: соотношение углов преломления и падения зависит от состава сред, образующих границу раздела, и определяется формулой sina/sinb = n, где a — угол падения луча; b — угол преломления; n — постоянная величина, характеризующая преломляющие свойства граничащих сред,— показатель преломления.

Законы распространения, отражения и преломления света, составляющие сущность так называемой геометрической оптики, были выведены на основании наблюдений и простых опытов. Но эти законы по существу ничего не говорят о физической природе света, его происхождении, источниках получения.

Зрительные образы характеризуются прежде всего яркостью и цветом. Насыщенность окраски, цвета зависит от примеси белого цвета, который как бы «разбавляет» основной цвет. Но и яркость, и цвет — понятия субъективные. Физический смысл яркости света, если отвлечься от субъективности восприятия, обусловлен интенсивностью излучения энергии светящимся телом, источником — плотностью светового потока, исходящего из единицы поверхности источника. Распространяясь во все стороны, световые лучи попадают на другие поверхности, лишенные собственного излучения, и освещают их. Освещенность поверхности — еще одна объективная физическая характеристика — зависит как от яркости источника света, так и от расстояния до него. Поскольку лучи от источника распространяются по всем направлениям прямолинейно, на поверхность падает тем больше лучей, чем ближе к источнику она располагается. Расчеты и измерения показали, что освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.

Что касается цвета, то И. Ньютон в 1665—1666 гг. впервые перевел субъективные качества цвета на объективный, точный язык меры, числа, физического закона. Пропустив через отверстие в ставне окна пучок солнечных лучей на трехгранную стеклянную призму, он получил на экране разноцветное, радужное изображение отверстия. Подобные опыты ставились и до Ньютона. Но величие гения в том и состоит, что он умеет по-новому взглянуть на старые, известные многим факты, дать им более глубокое истолкование. Ньютон пришел к выводу, что стеклянная призма разлагает белый солнечный свет на простые составные цвета. Как проверить это предположение? Может быть, выделить у радужного веера призмы один простой луч, например красный, и снова пропустить его через другую призму? Опыт был поставлен, и оказалось, что нового разложения цветов не произошло. Следовательно, выделенные призмой из белого цвета отдельные лучи действительно простые. После смешения разделенных призмой лучей можно снова получить исходный белый цвет. Свой вывод Ньютон сформулировал так: «Белизна и все серые цвета, между белым и черным, могут быть составлены из цветов, и белый солнечный цвет составлен из всех первичных цветов, смешанных в должной пропорции» [И. Ньютон. Лекции по оптике. Цит. по: С. И. Вавилов. Исаак Ньютон. М., Изд-во АН СССР, 1981, с. 84.].

Пока все цветные лучи распространяются одним общим пучком, мы их не различаем, воспринимаем как белый цвет, который кажется нам простым. Но когда они преломляются в стеклянной призме, или в капельках влаги после дождя в атмосфере, или в луже около автомобильной стоянки, покрытой радужной пленкой бензина, каждый цветной луч преломляется по-своему, сильнее или слабее. Призма как бы развертывает компоненты белого луча в виде цветного веера. Это явление в оптике носит название дисперсии.

В веере лучей, выходящих из стеклянной призмы, порядок цветов тот же, что в радуге: красный цвет сменяет оранжевый, желтый, зеленый, далее идет голубой, синий и фиолетовый цвета. Мнемоническая фраза «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» помогает запомнить этот порядок. Из лучей, входящих в состав солнечного света, зеленые, синие и фиолетовые преломляются сильнее, чем красные, оранжевые и желтые. Поэтому первый луч Солнца при восходе зеленый или синий, так же как и последний, прощальный луч заходящего Солнца. Однако зеленый луч виден только при очень чистом и спокойном однородном воздухе, когда вплоть до горизонта отсутствуют конвекционные восходящие токи в атмосфере. Поэтому лучше всего наблюдать зеленый луч, когда Солнце встает из спокойного моря.

Пространственное разделение простых цветов дало в руки ученых первый объективный признак, лежащий в основе восприятия цвета. Другой классический опыт Ньютона раскрыл еще более удивительные свойства света. Когда ученый на стеклянную пластинку помещал линзу с очень небольшой выпуклостью, а затем освещал ее белым светом, вокруг точки соприкосновения линзы с пластинкой появлялось несколько концентрических радужных колец. Еще более удивительную картину он обнаружил после того, как осветил линзу одним из простых лучей (красным, синим и др.). В этом случае вокруг точки соприкосновения линзы со стеклом образовались концентрические светлые (красные, синие) и черные кольца. Чем дальше от центра, тем теснее прилегали кольца друг к другу. Измерив радиусы черных колец, Ньютон установил, что они относятся друг к другу, как квадратные корни из целых четных чисел: 2, 4, 6, 8 и т. д.

В этом опыте удивительным и необъяснимым было наличие черных колец, несмотря на равномерное освещение линзы падающим светом, что давало основание предположить существование какой-то скрытой периодичности свойств светового потока. Необходимым условием появления обнаруженных Ньютоном колец было наличие тонкого зазора между стеклом и линзой. Ньютон рассчитал, что отношение толщин зазора для светлых (красных, синих и др.) и темных (черных) колец соответствует последовательным целым числам (1, 2, 3, 4 и т. д.). Для разных простых лучей ширина колец, так же как и ширина зазора, различна. Последняя может служить лучшей количественной оценкой простого цвета, чем показатель преломления, величина которого зависит от преломляющей среды. Величина, соответствующая ширине первого зазора между стеклом и линзой, получила позднее название длины волны данного простого луча К. Волны лучей видимого света имеют очень малую длину — миллионные доли миллиметра и меньше. Наименьшая она у фиолетовых лучей, наибольшая — у красных. Но об этом подробнее — в специальном разделе, посвященном цвету.

Современник Ньютона астроном Рёмер определил другую характеристику света — его скорость. Согласно расчетам, скорость света в вакууме составляет 300 тыс. км/сек. Самые последние измерения дали для этой важнейшей физической константы значение 299.792.456,2±1,1 м/сек. В космическом пространстве и в пустоте скорость света одинакова для лучей всех длин волн. В веществе скорость света, наоборот, зависит от длины волны. Именно поэтому происходит разложение света Солнца при прохождении через стеклянную призму. Скорость света обратно пропорциональна показателю преломления среды, т. е. в известной степени зависит и от свойств среды.

Есть еще одна важная характеристика света, на которую свойства вещества не влияют. Это так называемая частота колебаний. Чем меньше длина волны, тем больше ее частота, т. е. количество колебаний в единицу времени. Частота световых колебаний , где с — скорость света; — длина волны. Для оранжевого цвета, например, с длиной волны 6000 А имеем: = 0,5·10¹⁵ гц. Очевидно, именно частота в наибольшей степени характеризует то качество лучей, которое воспринимается человеком как ощущение цвета.

Воззрения на природу света развивались по мере прогресса науки. Первое общее представление о свете пытался сформулировать Декарт. Описывая общую механическую картину мира, Декарт предположил, что свет представляет собою мгновенную передачу давления от источника света через эфир — среду тонкого строения, заполняющую все мировое пространство. В отличие от Декарта, голландский ученый X. Гюйгенс представлял себе распространение света как процесс упругих колебаний мирового эфира, без быстрого перемещения его частиц. Однако волновая теория света Гюйгенса была недостаточно разработана. Ее дальнейшему развитию помешала популярность выдвинутой Ньютоном теории корпускулярной природы света.

Ньютон предполагал, что в процессе излучения света нагретое тело отдает часть своего вещества, частицы которого (корпускулы) несутся прямолинейно во все стороны с огромной скоростью, вызывая попеременные разрежения и сжатия эфира. Этим он пытался объяснить образование описанных выше колец. Ньютон не противопоставлял свою теорию волновой, но его последователи и ученики превратили корпускулярную теорию в антипод волновой. На протяжении почти 200 лет в науке господствовала корпускулярная теория света. Однако к концу XIX в. в физике накопилось немало фактов, объяснить и понять которые можно было только исходя из признания волновой природы света.

Прежде всего это относится к явлению дифракции света. Встречающиеся в природе волны способны при определенных условиях огибать препятствие, заходить в область тени. При этом, чем меньше размер препятствия, тем легче огибает его волна. Когда длина волны и размер препятствия становятся соизмеримыми, волна как бы «не замечает» преграды. Способность волн огибать препятствия и получила название дифракции волн. Отсутствие дифракции света в обыденных наблюдениях может иметь следующее объяснение: либо свет — процесс не волновой, а корпускулярный (частицы, как известно, движутся прямолинейно), либо длина волны света столь мала, что наблюдаемые предметы неизмеримо велики по сравнению с нею.

Эту проблему можно решить лишь опытным путем. Глаз человека перестает различать предметы, если величина их меньше десятых долей миллиметра. Лупа, а затем микроскоп в десятки, сотни раз повысили возможность глаза различать предметы. Однако увеличение больше, чем в 1 — 1,5 тыс. раз, уже не повышает разрешающую способность глаза. Наличие предела разрешения — это и есть искомое нами доказательство дифракции света и, следовательно, его волновых свойств.

Другое доказательство волновой природы света связано с опытом Ньютона — образованием радужных колец. Если от двух источников колебаний бегут волны, то частицы колеблющегося тела участвуют в обоих колебательных процессах. Если частота колебаний и, следовательно, длина волны одинаковы, происходит странное на первый взгляд явление: на поверхности среды, например воды, в некоторых местах частицы колеблются особенно сильно. Между этими местами волнение частиц ослаблено или совершенно отсутствует. Это явление, получившее название интерференции, происходит в результате наложения волн друг на друга. В точках встречи волн в одинаковых фазах (например, двух гребней или двух впадин) они взаимно усиливают друг друга, дают максимум эффекта. Между областями максимумов, где сталкиваются волны, находящиеся в противоположных фазах (например, гребень и впадина), из-за взаимного уничтожения волн образуются минимумы эффекта. Кольца Ньютона, радужная окраска пленок бензина или масла, мыльных пузырей — все это частные случаи интерференции световых волн.

В начале XIX в. английский физик Т. Юнг и французский физик О. Френель в своих работах доказали волновую природу света. Юнг истолковал явление цветных пленок с позиций интерференции, высказав мысль о том, что свет представляет собой поперечные колебания. Френель разъяснил сущность дифракции. Учитывая явления дифракции и интерференции, ученые сумели точно вычислить длину волн лучей разного цвета, их частоту и дать строго математическую и физическую характеристику цвета.

Волновая природа света проявляет себя еще в одном интереснейшем физическом явлении. Его в отличие от других свойств света невозможно непосредственно увидеть или измерить. Узнали о его существовании, изучая прохождение света через прозрачные кристаллы некоторых минералов. Это свойство — поляризация света.

В 1678 г. Гюйгенс писал: «Из Исландии... был привезен кристалл или прозрачный камень, весьма замечательный по своей форме и другим качествам,— но более всего по своим странным преломляющим свойствам» [Цит. по: У. Брэгг. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967, с. 131.]. Гюйгенса поразило, что, за исключением особых случаев, каждый луч, входящий в кристалл, разделяется на два луча, которые внутри кристалла распространяются по разным направлениям. По выходе из кристалла лучи принимают прежнее направление, но остаются двумя самостоятельными лучами, идущими параллельно друг другу. Если через кристалл шпата взглянуть на точку или букву, видны две точки или буквы (рис. на вклейке). Гюйгенс установил, что при вращении кристалла исландского шпата одно из изображений остается на месте, а второе вращается вокруг первого; его положение зависит от формы и положения кристалла. Иначе говоря, один луч ведет себя нормально, следуя законам преломления. Второй — необычно: его преломление зависит от положения кристалла, т. е., очевидно, скорость распространения этого луча в веществе кристалла различна в разных направлениях.

Явление поляризации света нашло полное и убедительное объяснение с позиций представления о свете как поперечных колебаниях эфира. В каждом конкретном случае, в каждом элементарном акте излучения колебание распространяется в одной определенной плоскости. Но в обычном потоке излучения плоскости колебаний не совпадают, а распределяются хаотически. Так происходит потому, что в нагретом теле отдельные элементарные акты излучения совершаются независимо друг от друга. Свет таких источников не поляризован. В поляризованном же свете плоскости колебаний лучей совпадают или близки.

Наиболее близкую аналогию явлению поляризации представляет распространение колебаний по шнуру, один конец которого закреплен, а другой — в руке. Встряхивая шнур, можно имитировать поперечные колебания в любой плоскости. Если два колышка забить близко друг к другу таким образом, что шнур окажется между ними, то условия для распространения волн в разных плоскостях, проходящих через шнур, станут неодинаковыми. В плоскости, параллельной колышкам, колебания смогут распространяться по-прежнему беспрепятственно. В направлениях, значительно отличающихся от этого, волны распространяются лишь до колышков, а далее гасятся.

Нечто подобное происходит в кристаллах исландского шпата и некоторых других минералов. Оптические свойства этих кристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это явление называется оптической анизотропией. Кристаллическая решетка их атомов, подобно колышкам в нашей модели, пропускает лучи, электромагнитные колебания, распространяющиеся лишь в определенных плоскостях. В кристалле исландского шпата гасятся все световые колебания, кроме распространяющихся перпендикулярно его оси,— это так называемый обыкновенный луч. Световые колебания, плоскость которых перпендикулярна плоскости обыкновенного луча, образуют второй луч, отличающийся некоторыми особенностями. Оба луча оказываются поляризованными.

Свет поляризуется не только при прохождении через анизотропные прозрачные кристаллы, но и при отражении от поверхности прозрачных тел. Лучше всего отражается свет, колебания которого параллельны поверхности стекла.

Глаз человека не в состоянии отличить поляризованный свет от неполяризованного. Однако свойства поляризованного света нашли довольно широкое и разнообразное применение в технике. При пропускании поляризованного света через прозрачные (например, пластмассовые) модели промышленных изделий удается обнаружить распределение в них напряжений: при механическом сжатии или растяжении изменяются условия и скорость распространения волн, и поляризованный свет позволяет обнаружить участки, подвергающиеся наибольшей деформации, и оценить заранее поведение изделия, внести, если нужно, поправки в технологию.

Поляризованный свет находит также применение в архитектуре, стереокино и т. п.

Поляроидные очки, пропускающие лишь световые колебания, распространяющиеся в одной плоскости, гасят блики — отражения от разнообразных прозрачных и блестящих поверхностей, что бывает весьма важно и для водителей автотранспорта, и для работающих на производстве.

Представление о волновом характере распространения света не могло обойти вопрос о природе колеблющейся среды. Гипотеза о мировом эфире — тончайшей материальной среде, заполняющей мировое пространство, оставалась недоказанным предположением. Ведь если эфир материален, его неизбежно должна увлекать Земля во время ее стремительного движения по орбите (со скоростью 30 км/сек); на противоположных точках земного шара скорость распространения света должна быть несколько различной. Однако даже самые точные опыты не выявили таких различий. Сомнения в существовании эфира и в реальности опирающейся на него волновой теории света высказывал еще И. Ньютон: «Что такое эфир? Я не могу ни видеть, ни чувствовать, ни осязать, ни нюхать его. Остается, ли он неподвижным или «дует», подобно ветру? Обладает ли он трением? Если обладает, то что удерживает Землю и другие планеты, вращающиеся и движущиеся в нем, от замедления, наподобие вращающегося волчка?» [Цит. по: А. Меркулов. За пределами зримого. М., «Машиностроение», 1971, с.]

Через 200 лет, в 1865 г. шотландский физик и математик Дж. Максвелл, развивая идеи М. Фарадея, создал учение об электромагнитном поле, объяснив природу света электромагнитным волновым процессом. Электромагнитные волны представляют собой поперечные колебания, они могут распространяться и в пустоте. Представление о мировом эфире было отброшено. В конце XIX в. работами П. Н. Лебедева, Г. Герца, А. С. Попова и других ученых было доказано, что свет обладает всеми свойствами электромагнитных волн. Видимый свет представляет собой ничтожный по величине участок спектра электромагнитных колебаний, расположенный где-то в его середине.

Однако волновая теория света недолго праздновала свою победу. Не прошло и пяти лет со времени открытия радиосвязи (1895), как выяснилось, что свет поглощается молекулами вещества отдельными порциями. На рубеже XX в. немецкий физик М. Планк, анализируя спектры излучения и поглощения атомов и молекул, пришел к выводу, что в этих процессах свет выступает как прерывная, дискретная реальность, как поток отдельных сгустков Энергии, которые он назвал квантами. Сам Планк считал гипотезу квантов не более чем удобным допущением. Но последующее развитие физики показало ее реальный смысл.

Наиболее существенный вклад в развитие квантовой теории света был внесен А. Эйнштейном. По его предложению, кванты света получили название фотонов. Величина и энергия фотона возрастают при увеличении частоты и уменьшении длины волны света

Е = h,

где Е — энергия кванта; h — коэффициент, так называемая постоянная Планка, имеющая значение 6,6·10²⁷ эрг/сек; — частота световых колебаний.

Лучи света, падая на поверхность некоторых металлов, выбивают из нее электроны (фотоэлектрический эффект). Количество выбитых электронов уменьшается по мере ослабления интенсивности падающего света. Но одни лучи при любой интенсивности света дают фотоэффект, другие, более длинноволновые, не дают его даже в том случае, если мощность их потока увеличена во много раз. Объяснить эти явления волновая теория не могла. Зато представление о свете как о потоке корпускул оказалось очень удобным для объяснения: одни частицы света достаточно велики для того, чтобы вызвать фотоэлектрический эффект, другие, меньшие по размерам, не могут выбить из атома электрон. Реакция, как установил Эйнштейн, идет по такому типу: одна световая частица — один выбитый электрон; при изменении интенсивности света изменяется количество элементарных реакций. Когда же величина корпускулы недостаточна для выбивания электрона, этот «недостаток» света нельзя восполнить увеличением его интенсивности.

Чтобы примирить «новорожденную» квантовую теорию с явлениями дифракции и интерференции света, находившими дотоле чисто волновое объяснение, Эйнштейн предположил, что световые волны очень слабы («волны-призраки»). Роль их сводится к переносу и распределению фотонов в пространстве, что и отражается в явлениях дифракции и интерференции света. Эта гипотеза в дальнейшем (1923—1924 гг. и 1951 —1952 гг.) была развита французским физиком Луи де Бройлем и существует поныне как один из вариантов объяснения единства волновой и корпускулярной (квантовой) природы света. Согласно этой гипотезе, световая волна очень малой амплитуды ведет и направляет частицу, или квант, представляющую собой область волны с высокой концентрацией энергии.

Другое, статистическое объяснение единства волновых и корпускулярных свойств света, выдвинутое немецким физиком Максом Борном и развитое датчанином Нильсом Бором, немецким физиком Вернером Гейзенбергом, пользуется в наши дни большим признанием Это направление начало свое триумфальное развитие с создания Н. Бором в 1913 г. теории строения атома.

Лучи, исходящие от раскаленных твердых и жидких тел или от газов под высоким давлением, образуют непрерывный спектр в виде сплошной полосы, в котором лучи с волнами различной длины непрерывно переходят один в другой. Иной вид имеют спектры светящихся газов. Они состоят из отдельных резких линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками. Эти спектры, называемые линейчатыми, образуются при излучении света отдельными атомами. Очевидно, атомы каждого элемента излучают свет лишь некоторых частот, т. о. кванты определенной величины.

Если в пламя газовой горелки внести крупинку вещества, то в результате сгорания, испарения, нагрева оно даст свой характерный линейчатый спектр. В широких масштабах опыты такого рода впервые были проведены немецкими учеными Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом. Они установили, что каждый химический элемент при излучении дает свой, индивидуальный, набор спектральных линий.

Следовательно, по характеру спектра неизвестного вещества можно определить его химический элементарный состав. Для этого достаточно сфотографировать исследуемый спектр и сравнить его со спектрами известных химических элементов. Если же вещество содержит в своем спектре линии, не похожие на линии известных элементов, это означает, что с помощью метода спектрального анализа открыт новый, дотоле неизвестный науке химический элемент. Именно таким способом Кирхгоф и Бунзен открыли легкие металлы рубидий и цезий, а другие ученые — таллий, индий, галлий.

С развитием квантовой механики спектроскопия приобрела прочную теоретическую базу. Спектральный анализ стал точным и наиболее совершенным методом исследования качественного состава и строения вещества.

Нет таких областей в современной науке, где не нашел бы себе применения этот изящный, глубокий и бесконечно содержательный канал связи с микромиром, уводящий нас в самые глубины материи и в бесконечные холодные бездны Вселенной. Мощь современных спектральных приборов такова, что астрофизик с их помощью улавливает, раскладывает в миниатюрную радугу и фотографирует излучение невидимых простым глазом, невообразимо далеких от нас звезд. Пространствовав по космическим далям многие тысячи и миллионы лет, этот свет доносит до нас правдивую и точную информацию о далеких, но близких нам по своей природе звездах, о бесконечно разнообразных мирах. Частокол светлых и темных линий, запечатленных в спектре-негативе, рассказывает о химическом составе атмосферы звезды — стоит лишь сопоставить его с атласом спектров — энциклопедией спектроскопии. Сегодня мы знаем, что какими бы необъятными пространствами Вселенной ни был отделен от нас этот далекий мир, состоит он из тех же атомов, из таких же химических элементов, как и наша Земля. Материальное единство мира доказывается методом спектрального анализа просто, логично и убедительно. Степень почернения линий спектра безмолвно говорит опытному глазу о температуре звезды, а ничтожное смещение спектральных линий к красному концу (так называемое доплеровское смещение) — о скоростях разлетающихся галактик.

В геологии спектральный анализ помогает по мельчайшим, ничтожным примесям к горным породам находить кратчайший путь к месторождениям ценнейших ископаемых, облегчает всестороннее исследование геологических проб, доставленных в лабораторию.

В медицине микроскопически малые пробы крови и тканей на языке спектров рассказывают о едва уловимых, но очень многозначительных сдвигах в содержании меди или кобальта, кальция или марганца, цинка или магния, развивающихся под влиянием болезней и помогающих разобраться в картине болезни, в ее причинах. Спектральный анализ взят на вооружение и криминалистикой, и судебной медициной. Много других, больших и малых проблем науки и практической деятельности человека решается с помощью этого незаменимого и универсального метода.

Немецкий физик И. Фраунгофер, наблюдая с помощью спектроскопа сплошной спектр Солнца, обнаружил на нем большое количество темных линий. Фраунгофер доказал, что эти линии, названные впоследствии его именем, не случайны: они расположены в спектре Солнца всегда на одних и тех же, строго определенных местах. Происхождение линий Фраунгофера установил Кирхгоф. Пропуская свет лампы накаливания через сосуд с парами натрия (спираль лампы дает сплошной спектр), он заметил, что спектр перерезан двумя узкими черными линиями, расположенными на тех же местах, где обычно находятся хорошо известные желтые линии паров натрия. То, что натрий поглощает лучи из непрерывного сплошного спектра только в своей области излучения, позволило Кирхгофу сформулировать закон: линии поглощения атомов точно соответствуют линиям их испускания.

Следовательно, линии Фраунгофера представляют собой не что иное, как спектры поглощения элементов, которые в виде газов и паров содержатся в атмосфере Солнца и звезд над излучающей поверхностью. Линии же гелия впервые были обнаружены в спектрах хромосферы и короны Солнца (отсюда «солнечное» имя этого элемента: в переводе с греческого гелиос — значит Солнце). Позже гелий был найден на Земле, в частности в атмосферном воздухе.

Итак, стало ясно, что атомы разных элементов испускают и поглощают энергию сообразно законам, одинаковым для всех условий. Линии атомных спектров дали возможность установить существование определенной закономерной зависимости между ними.

На рис. 10 показана серия спектральных линий самого простого химического элемента — водорода (так называемая серия Бальмера), относящихся к видимой области спектра. Расположение отдельных линий таково, что даже без математического анализа дает основание предположить существование какой-то скрытой закономерности. Анализ этой, а также других серий водорода (Лаймана и Пашена), расположенных соответственно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, позволил вывести общую формулу частоты спектральных линий

где R — постоянный коэффициент; n и m — последовательные целые числа, имеющие значение m >= n+1; для серии Лаймана n = 1, для серии Бальмера n = 2 и для серии Пашена n = 3.

Спектры других элементов труднее поддавались анализу, но и для них были установлены соответствующие закономерности. Объяснить законы излучения и поглощения света веществом с помощью волновой теории не представлялось возможным. Зато в рамках квантовой теории эти явления получили естественное объяснение и их открытие способствовало торжеству квантовомеханических представлений.

Атомы каждого элемента могут иметь только определенные энергетические состояния, квантовые уровни, переходы между которыми совершаются благодаря излучению и поглощению энергии строго определенными порциями — квантами. Из многих квантов света, падающих на данный атом, поглощаются только те, которые по величине своей энергии соответствуют разности энергий его квантовых уровней. Поглотив такой квант, атом переходит на высший энергетический уровень. Но в этом состоянии он неустойчив, поэтому мгновенно совершается обратный процесс — высвечивание поглощенного кванта энергии и возвращение атома в исходное, невозбужденное, состояние. Перейти на более высокий энергетический уровень атом может также в результате нагрева. Высвечивание и в этом случае происходит по описанному выше закону. Низшее энергетическое состояние атомов, в котором газ не светится, является наиболее устойчивым, основным (рис. 11).

Что же это за гипотетические уровни энергии? Существуют ли они только в нашем представлении или внутри атомов действительно есть какие-то энергетические ступеньки?

Чем ближе к ядру расположен электрон, тем ниже его собственная энергия и тем больше нужно приложить усилий, чтобы выбить его или перевести на более далекую орбиту. Превращения, происходящие с внешними электронами атома, требуют меньшего количества энергии, т. е. квантов меньших энергий. Испускание же рентгеновских лучей связано с внутренними электронными оболочками атомов.

В ходе развития атомной физики гипотеза энергетических квантовых уровней, как и гипотеза существования квантов, нашла полное подтверждение. Новейшие открытия позволили проникнуть во многие сокровенные тайны строения вещества, раскрыли физическую природу света. Волновая теория отлично объясняет явления дифракции и интерференции. Возрожденная корпускулярная теория дает объяснение законам испускания и поглощения света. Выходит, как это ни удивительно, что свету присущи и волновые, и корпускулярные свойства. Природа вещества, состоящего из атомов, которые, в свою очередь, построены из протонов, нейтронов и электронов, казалась более понятной, чем двойственная природа света, соединяющего в себе свойства волны и материальной частицы.

Фотоны обладают удивительными свойствами. В сильном электрическом и гравитационном поле атомных ядер квант света может распадаться на две элементарные частицы, несущие противоположные заряды — электрон и позитрон. А при других условиях возможен и обратный процесс. Ученые сумели получить мощные потоки быстро летящих элементарных частиц (электронов, протонов) и установили, что при встрече с небольшими преградами или отверстиями частицы вещества дают такую же дифракционную картину, как и свет, т. е. они обладают волновыми свойствами.

Свет исходит из вещества, рождается в нем и, поглощаясь, исчезает в веществе. Их встреча всегда приводит к взаимодействию. С одной стороны, вещество отражает, преломляет, поглощает свет. С другой стороны, свет, встречаясь с веществом, может оказывать на пего разнообразное действие. Фотоны — снаряды солнечной артиллерии — давят на материальные тела. Механическое давление света Солнца на перпендикулярно поставленную и абсолютно поглощающую поверхность составляет около 0,5 мг/м². Лучистая энергия может вызывать химические изменения в веществе: процесс фотосинтеза, почернение фотографической пластинки, ощущение света в сетчатке глаза, образование загара. Под действием излучения происходит фотоэлектрический эффект. Нередко при прохождении светового потока через вещество последнее начинает светиться (явление фотолюминесценции). Наконец, поглощаясь веществом, свет нагревает его.

Выявленное в ходе развития физики и оптики противоречие волновых и корпускулярных свойств световых явлений — проявление реально существующего единства противоположностей. С точки зрения классической физики представления о непрерывных волнах и прерывных частицах исключали друг друга. Физика XX в. для объяснения наблюдаемых фактов берет на вооружение диалектико-материалистическое представление о материи как о единстве прерывного и непрерывного, вещества и света, массы и поля, волн и частиц, рассматривая эти свойства как взаимно дополнительные.

Кванты и жизнь

Величина механического давления света на вещество настолько мала, что оно сказывается лишь на поведении мельчайших частиц космической пыли и газа, попадающих в сферу влияния Солнца, например на хвосты комет, приближающихся к Солнцу. Кометные хвосты состоят преимущественно из паров и газов, образующихся при испарении вещества ядра кометы. Пройдя точку наибольшего приближения к Солнцу, комета начинает удаляться от него. Хвост кометы и при приближении к светилу, и при удалении от него направлен радиально в сторону от Солнца. Есть все основания предполагать, что образование хвостов комет происходит в результате механического давления света на частицы паров, газов и пылинки кометного вещества.

Казалось бы, эффект светового давления не имеет и не может иметь значения для развития жизни на Земле. Однако по представлениям новой науки — экзобиологии, изучающей жизнь вне пределов Земли, существенную роль в переносе микроорганизмов может играть световое давление.

Выдающийся шведский ученый С. Аррениус почти 100 лет назад высказал мысль, что, возможно, простейшие живые организмы, возникшие на одной из планет, токами воздуха могут заноситься в очень высокие слои атмосферы, а затем переноситься на другие планеты. Предположение о населенности космического пространства живыми организмами, получившее название теории панспермии, подверглось суровой критике со стороны биологов-материалистов. Одни видели в ней попытку косвенно опровергнуть теорию возникновения жизни на Земле в ходе органической эволюции. Другие утверждали, что в космосе отсутствуют элементарные условия, необходимые для существования самых простых организмов: температура, близкая к абсолютному нулю (—273° С), космический вакуум, мощные потоки излучений мало благоприятствуют существованию даже простейших форм жизни. Кроме того, трудно представить, каким образом одноклеточные живые организмы могут преодолеть гигантские космические пространства, отделяющие одну планету от другой. Теория Аррениуса, не давшая ясных ответов на эти вопросы, постепенно потеряла значение.

Сейчас на новой научной основе вновь возникло предположение о принципиальной возможности переноса некоторых форм жизни через пространства космоса. В самом деле, споры некоторых грибков и бактерий, живущих в верхних слоях земной атмосферы, имеют достаточно толстую оболочку из веществ, поглощающих ультрафиолетовые лучи, и обладают удивительной устойчивостью к действию ионизирующей радиации в огромных дозах. Многие споры хорошо переносят отсутствие кислорода и температуру, близкую к абсолютному нулю, самые большие разрежения (до 10^-10 — 10^-11 мм рт. ст.), создаваемые в земных лабораториях.

Таким образом, существуют формы жизни, способные переносить воздействие факторов космического пространства, сохраняя жизнеспособность. Благодаря очень малым размерам споры грибков и бактерий могут заноситься восходящими токами воздуха в высокие слои атмосферы, а преодолеть притяжение планеты и просторы космоса им помогут кванты солнечного света. Солнечный ветер — поток протонов, выбрасываемых Солнцем, постоянно дующий сквозь орбиты планет — может, по расчетам американского астрофизика К. Сагана и некоторых других современных ученых, также способствовать переносу простейших форм жизни из внутренних областей солнечной системы к внешним.

В научной печати последних лет появились сообщения о том, что в некоторых падающих на Землю метеоритах (углистых хондритах) найдены образования, весьма напоминающие микроорганизмы. Неопровержимых доказательств космического, а не земного происхождения этих организмов пока нет. Если они будут получены, значит, существует еще один путь переноса живых существ через космическое пространство. Возможно, что, ступив на почву одной из ближайших к нам планет (например, Марса), человек найдет там некоторые знакомые формы жизни.

Принципиальная возможность путешествия некоторых живых существ с одних небесных тел на другие, по-видимому, обоснована. В реализации этой возможности не последнюю роль играет солнечное давление.

Сила светового давления в наши дни перекочевала из книг фантастов на страницы серьезных научных проектов. Нельзя ли использовать эту силу для разгона космических кораблей вместо ракетных двигателей? Оказалось, можно! Уже разрабатываются конструкции космических яхт с гигантскими парусами-отражателями. Их наполняет солнечный ветер. И гонимые этой неощутимой, но постоянно создающей ускорение силой, отважные космонавты полетят к Юпитеру, Сатурну, навстречу неведомому.

Что такое цвет

Свойство тел вызывать определенные ощущения в зависимости от спектрального состава отраженного или испускаемого телами света называется цветом. Ощущение цвета возникает в сетчатке глаза под влиянием световых волн, подобно тому, как ощущение звука возникает во внутреннем ухе под влиянием звуковых колебаний определенной частоты.

Наблюдаемые в природе и видимые глазом цвета разделяются на две группы: ахроматические и хроматические. К ахроматическим относятся белый, серый и черный цвета. Они различаются лишь количеством отраженного света — коэффициентом отражения. Средний человеческий глаз различает в гамме ахроматических цветов около 300 оттенков. Хроматические цвета — это цвета и оттенки, различаемые нами в спектре.

Границы видимого глазом спектра, так же как и границы отдельных цветов, люди воспринимают по-разному. Советский ученый Пинегин установил, что в определенных условиях глаз человека способен различать световое излучение в диапазоне от 3020 до 9500 А. Но все же на основании обследований сотен людей удалось установить,) что ощущению каждого цвета соответствуют волны определенной длины. Изменение цвета при изменении длины волны происходит неравномерно (табл. 1). Наиболее узкий спектральный пучок образуют желтые лучи.

Все хроматические лучи характеризуются тремя основными параметрами: цветовым тоном, насыщенностью и яркостью. Тон определяется длиной волны (обозначается греческой буквой ). Количество оттенков хроматического цвета, различаемых глазом, достигает 1000—1500. По длине волны в спектре видимого цвета выделяют три участка: длинноволновый (красный и оранжевый цвета), средневолновый (желтый и зеленый цвета) и коротковолновый (голубой, синий, фиолетовый цвета).

Таблица 1

Спектральные пределы видимых глазом цветов

Насыщенность, или чистота света (Р) зависит от степени «разбавления» спектрального цвета белым. Наконец, яркость хроматического цвета (В) связана с интенсивностью падающего на окрашенный объект общего светового потока.

Обычно в наш глаз поступает лучистый поток смешанного состава, содержащий лучи различной длины воли, разных цветов спектра. Глаз воспринимает смесь лучей как некий новый цвет, отличающийся от лучей, входящих в его состав. В этом состоит принципиальное отличие зрения от слуха: в сложном аккорде, состоящем из нескольких звуков разной высоты, отчетливо слышится каждый звук, и опытный музыкант точно назовет все ноты, прозвучавшие одновременно. Для глаза все волны видимой части спектра сливаются в единый цвет (белый), в котором не выделяются отдельные слагающие его цвета. Выделить их можно лишь с помощью призмы, развертывающей пучок белого солнечного света в разноцветную радужную полосу — спектр.

Смешение двух простых цветов может дать разные результаты. В одних случаях образуется белый цвет (при смешении оранжевого и голубого, желтого и синего); такие пары цветов называются дополнительными. В других случаях при смешении возникает третий простой цвет (например, зеленый из смеси голубого и желтого). Возможно появление также цвета, отсутствующего в спектре (например, пурпурного при смешении красного и фиолетового). Таким образом, с точки зрения различения лучей глаз — весьма несовершенное орудие познания окружающего нас мира, уступающее по своим способностям органу слуха и даже обоняния.

Лучи видимого света, дающие ощущение различных цветов, могут возникать и в процессе так называемого холодного свечения, или люминесценции. Но главным источником излучения служат нагретые тела.

Законы испускания света разработаны применительно к излучающему телу, полностью поглощающему лучи. В природе не существует абсолютно черного тела. Но представление о нем позволило математически осмыслить закономерности излучения света.

Согласно первому закону излучения (закону Стефана — Больцмана), мощность потока лучей, испускаемых абсолютно черной поверхностью,

E_т = T⁴

где Т — температура поверхности в градусах Кельвина; — постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,7·10^-5 эрг·см²/град^-4.

Таким образом, нагретое тело как бы «испаряет» световые кванты тем энергичнее, чем выше его температура. Количество излучаемых квантов пропорционально четвертой степени температуры тела.

Второй закон излучения (закон смещения Вина) характеризует спектральный состав излучения при изменении температуры излучающего тела. При повышении температуры высвечивание усиливается на всех длинах волн. Максимум излучения перемещается в сторону более коротких волн (рис. 12). Закон Вина гласит: произведение длины волны, лежащей в области максимумов излучения _макс, и температуры тела Т есть величина постоянная, т. е. _максT = A

Представим себе, что в кузнечном горне мы раскаляем кусок металла. Пока температура его не превысит 1000° С, максимум излучения лежит в далекой инфракрасной области. С повышением температуры в спектре последовательно появляются красные, оранжевые, желтые, зеленые лучи; максимум приближается к красной границе спектра. При 2000° С светится весь видимый спектр, а излучение приобретает белый цвет (белое каление). По мере достижения температуры 3500—7500° С максимум интенсивности излучения проходит через всю видимую часть спектра, удаляясь в ультрафиолетовую область.

Таким образом, экономически наиболее выгодным был бы источник видимого света с температурой 6000— 7000° С. Современная техника пока не в состоянии создать такой источник. Но в природе он существует — это Солнце. Глаз человека приспособился к восприятию определенного диапазона электромагнитных колебаний не случайно, а в силу того, что он лежит в зоне максимума солнечного излучения.

Спектр излучения Солнца воспринимается глазом как белый свет. Но окружающие нас предметы не кажутся нам однотонными. Значит, в природе действуют какие-то еще не рассмотренные нами факторы, которые в ясный солнечный день придают зеленую окраску листьям деревьев, желтую — головкам подсолнухов, красную — макам, хотя они собственного видимого света не излучают.

Чем же объяснить существование столь разнообразной окраски у окружающих нас предметов? Вероятно, здесь существенное значение имеет состав света, освещающего предметы. При вечернем освещении синий цвет кажется черным, а желтый и зеленый выглядят более тусклыми, чем днем. Почему?

Если перед щелью, через которую на призму падает пучок белого света, поставить красное стекло, то красный участок спектра не усилится: зато все остальные цвета спектра, кроме красного, исчезнут. Таким образом, красное стекло лишь выделяет, сохраняет красный участок спектра, поглощая все другие лучи видимого света, а не превращает в красный остальные цвета спектра. Если вместо красного стекла поставить желтое, спектр почти не меняется; на месте остаются все лучи, за исключением крайнего синего и фиолетового участка. Керосиновая лампа и лампа накаливания дают желтоватый свет, в котором, как мы теперь знаем, практически отсутствуют синие и фиолетовые лучи: температура источника света слишком низка, чтобы излучать в этой коротковолновой области. Синее сукно на солнечном свету кажется синим потому, что поглощает все лучи, кроме синих; они-то и попадают в наш глаз, давая соответствующее ощущение. Свет же искусственных источников, лишенных синих лучей, сукно поглотит полностью и будет казаться поэтому черным. Желтых и зеленых лучей в спектре ламп накаливания также относительно меньше, чем в солнечном свете. Не удивительно, что соответствующие тона при вечернем освещении кажутся более тусклыми, чем днем.

Чтобы «дополнить» свет искусственных источников недостающим коротковолновым излучением, используют ртутные лампы, ультрафиолетовое излучение которых превращают в видимое с помощью смеси светящихся веществ — люминофоров. Так устроены, в частности, лампы дневного света, спектр которых почти повторяет солнечный.

Однако не только состав падающего света влияет на восприятие цвета глазами. Подавляющее большинство окружающих нас предметов собственного света не излучает. Лучи, которые достигают глаз и информируют нас о форме, величине, цвете предметов, расстоянии до них,— это отраженные лучи. Они возникли в источнике света, достигли предмета, отразились от него и попали на сетчатку глаза. Представим себе, что рассматриваемый нами предмет — абсолютно черное тело, что он полностью поглощает все падающие на него лучи. Очевидно, при этом ни один квант света не отразится от предмета и не попадет в глаз. Такое абсолютно черное тело мы попросту не увидим, оно будет казаться нам чем-то вроде черного провала в потоке света.

Рассмотрим противоположный случай. Предмет, попавший под лучи Солнца, не поглощает их. В этом случае, если предмет совершенно прозрачен, лучи проследуют своим путем, а предмет окажется невидимым для глаза (таковы воздух, вода, стекло в относительно тонких слоях). Когда же предмет окажется непрозрачным для лучей, но и не будет поглощать их, он полностью отразит лучи в окружающее пространство.

В реальной природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно прозрачных тел. Подавляющее большинство предметов на Земле одновременно и поглощает, и отражает, и рассеивает, и пропускает свет. По отношению к лучам с различными длинами волн одно и то же тело ведет себя по-разному. Зеленый лист, например, поглощает свет в красной и синей областях спектра, а в зеленой отражает. Отраженные лучи, попадая на сетчатку глаз, и дают ощущение зеленого цвета.

Предметы, особенно их поверхностные слои, избирательно поглощают из падающего лучистого потока определенные лучи, остальные отражают и рассеивают. Именно отраженные и рассеянные лучи в совокупности и дают ощущение цвета предмета. При этом вовсе не обязательно, чтобы отражался какой-то один чистый спектральный цвет. Ведь сочетание двух, трех и больше цветов дает ощущение одного цвета, которое мы и воспринимаем как цвет данного предмета. Если же предмет кажется нам белым или серым, значит, он отражает лучи разных длин волы более или менее равномерно.

Таким образом, состав вещества или во всяком случае состав поверхностных слоев предметов, обусловливая избирательное поглощение, отражение и рассеяние падающих на него лучей, оказывает значительное, нередко решающее влияние на цвет предмета. Предметам живой и неживой природы придают окраску, цвет особые химические вещества, обладающие свойством избирательного поглощения лучей, называемые красящими веществами — красителями, или пигментами. Таковы хлорофилл — пигмент, действующий в процессе фотосинтеза, родопсин и йодопсин — зрительные пигменты.

Наконец, остановимся на роли рассеяния света. В древние времена люди считали небо действительно существующим голубым куполом, опирающимся на плечи титана Атланта. Небесный свод фигурировал в качестве библейской «тверди» и «небесных сфер» в древних геоцентрических системах мира. Средневековые схоласты спорили о характере материала, из которого он изготовлен. Одни из них склонялись мыслью к стеклу и хрусталю, другие — к драгоценным камням синего цвета (сапфиру и др.).

Правильное представление о небе было дано великим ученым эпохи Возрождения Леонардо да Винчи: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху темнотой». Сейчас гениальное предвидение философа подтверждено экспериментально. Космонавты, пройдя плотные слои атмосферы, видели над собой абсолютно черное небо, на котором одновременно сияли Солнце, Луна и звезды.

Научное объяснение голубого цвета неба было дано в работах английского физика лорда Рэлея (Дж. У. Стретта) в 1871 г. Оказалось, что молекулы газов воздуха, точнее их конгломераты, рассеивают лучи Солнца. Чем короче волны лучей, тем сильнее они рассеиваются. Синие и фиолетовые лучи рассеиваются вдвое интенсивнее, чем красные. Поэтому, когда мы смотрим на небо, мы видим рассеянные лучи, среди которых преобладают голубые, синие и фиолетовые. Зато диск Солнца по мере приближения к закату становится все более красным: чем длиннее путь света в атмосфере, тем относительно больше в его составе красных и оранжевых лучей.

Чем выше поднимается человек над поверхностью Земли, тем гуще, синее становится окраска неба. Крупные частицы вещества (пылинки, капельки воды) рассеивают все лучи одинаково. В случае, когда этих частиц много, синий цвет неба становится бледным. Поэтому интенсивность окраски небесного свода может быть мерилом чистоты воздуха. Благодаря рассеянию солнечного света воздухом смена дня и ночи происходит не мгновенно, а постепенно. В пасмурные дни освещение создается рассеянной радиацией. Ее существование обеспечивает поступление света к растениям, находящимся в тени. Это явление играет немалую роль в жизни на Земле.

Цвет в живой природе

В жизни организмов цвет играет огромную роль: помогает им находить пищу, прятаться от врагов, сохранять потомство. Яркая окраска ягод и плодов, так же как их сладкий вкус, привлекает к себе птиц и животных, которые затем распространяют со своим пометом семена растений. Очень яркая, пестрая окраска некоторых растений и животных служит как бы сигналом их несъедобности, поэтому ее называют отпугивающей. Но есть и совершенно безвредные животные и растения, которые могут приобретать окраску, очень похожую на отпугивающую. Весьма распространена в природе и так называемая покровительственная окраска, благодаря которой животное сливается по цвету с окружающим ландшафтом. Такую окраску имеют, например, гусеницы, кузнечики, заяц, лев, тигр и другие животные.

Умение слиться с землей, растительностью, корой дерева, исчезнуть, раствориться в окружающем, чтобы избегнуть встречи с хищником или, наоборот, напасть на жертву неожиданно,— важнейшая потребность, необходимое качество многих животных. Законы светотени, цветового контраста играют в этом первостепенную роль. Чтобы сделать собственную тень менее заметной, бабочки столь точно ориентируются по Солнцу, что тень от их крыльев в полете превращается в незаметную линию. «Противотеневая» окраска характерна для рыб, ящериц, змей, многих птиц. В условиях господствующего направления солнечных лучей сверху вниз верхняя, освещенная поверхность тела равномерно окрашенных животных может контрастировать с нижней, остающейся в тени. Если же нижняя часть тела окрашена светлее, то тень как бы выравнивает окраску и делает животное менее заметным. Особенно эффективно в этом смысле сочетание противотеневой окраски с расцветкой, которая приближается к цвету фона (земли, листвы и т. п.).

Однако однотонная окраска все же не очень надежна: фон редко бывает совершенно одноцветным, да и животные, двигаясь, попадают в несколько различные условия освещения, расцветки, яркости. Поэтому надежная маскировка может быть обеспечена лишь при каком-то разнообразии в окраске тела, если оптически расчленить его на несколько участков. Вот почему на шкуре жираф, леопардов, в оперении многих птиц, на коже хамелеонов и других пресмыкающихся имеется контрастный неправильный рисунок — пятнистый, сетчатый, полосатый. Отдельные части общего рисунка настолько привлекают внимание, что истинные контуры животного теряются.

Именно таким образом исчезают из поля зрения наблюдателя огромные тела жираф. Пятна, полосы, рисунки особенно часто используются в мире животных для маскировки глаз.

Наконец, умение изменять окраску кожи применительно к фону, характерное для хамелеонов и многих других пресмыкающихся, а также насекомых, амфибий, рыб, моллюсков, объясняется наличием в коже особых пигментных клеток — хроматофоров. Пигмент в них либо распределяется по всей площади, либо собирается в одной точке. В зависимости от этого кожа светлеет или темнеет. Тело кальмаров и осьминогов, например, способно чернеть или бледнеть прямо на глазах, почти мгновенно. А камбалы в бассейне с дном из чередующихся белых и черных плиток превращаются в настоящие живые шахматные доски.

Все великолепное разнообразие окрасок, цветов и расцветок, которым щеголяют многие представители животного мира, создается не только за счет присутствия в их коже, шерсти, перьях или чешуе красящих веществ. Цветовые эффекты в животном мире очень часто основаны на законах отражения, поглощения, спектрального разложения белого солнечного света, на явлениях интерференции и дифракции. Богатство окраски крохотных колибри основано на присутствии в их оперении всего одного-двух пигментов. Все остальное — это игра света в крохотных капельках жидкости, расположенных между бородками оперения и играющих роль бесчисленных призмочек. Разнообразие и яркость цветов оперения павлинов, петухов и некоторых других птиц создается в определенной мере за счет дифракции и интерференции света на волоконцах-бородках перьев и за счет взаимного отражения двух по-разному окрашенных поверхностей, прилегающих друг к другу. Богатство оттенков, возникающих при этом, практически неисчерпаемо.

Еще одним источником разнообразия цветов и оттенков в живой природе, воспринимаемых нашим глазом, служит явление цветового контраста. На цветовом фоне белый или слабоокрашенный предмет приобретает окраску, дополнительную по отношению к окраске фона. Дело в том, что однородный цветовой фон утомляет глаз. Одновременно повышается чувствительность колбочек к дополнительному цвету. И если соответствующие лучи содержатся в свете, отраженном от интересующего нас предмета, глаз выделит их, как бы подчеркнет дополнительную окраску.

Если идти лугом или зеленым редколесьем при ясном небе и высоко стоящем Солнце, тропинка и стволы деревьев кажутся красноватыми. Серый дом кажется красноватым, если смотреть на него через зеленую штору. Ночью глаз после оранжевого пламени костра или пожара воспринимает свет Луны как голубоватый. Зеленый цвет морских волн подчеркивает пурпурный оттенок тени. Все эти наблюдения были сделаны еще И. В. Гете в его «Учении о цветах». Большое количество примеров цветового контраста приведено также в книге М. Миннарта «Свет и цвет в природе» (1956).

Цвет в деятельности человека

В практике человека, например в военном деле, иногда приходится прибегать к маскировке, т. е. искусственно менять цвет военных объектов, чтобы они полностью терялись в окружающем ландшафте. Самая совершенная маскировка создается подбором окраски, которая обеспечивает такое же отражение для всех длин волн, как и окружающий фон. Практически добиться этого в полной мере очень трудно. Обычно ограничиваются подбором цветов, у которых величина коэффициента отражения близка лишь для области лучей, главным образом лежащих в желто-зеленой части спектра,— к ним глаз особенно чувствителен. Но на фотопластинку наиболее сильно действуют не желто-зеленые, а фиолетовые и ультрафиолетовые лучи. При различной величине коэффициента отражения объекта и фона фотопластинка выявит дефект маскировки, а глаз — нет.

Специальным подбором цветов, освещенностей, окрасок можно добиться неожиданных эффектов. На сцене, например, путем сочетания цветных декораций, белого и многоцветного освещения можно показать голубое небо, темные горы, синие моря, зеленые леса. Освещая ярким красным светом колеблющуюся ткань или другой материал, декораторы создают иллюзию пламени. Благодаря темноте в зрительном зале с помощью источника небольшой освещенности легко создать на сцене впечатление яркого солнечного дня. И наоборот, используя на сцене в качестве фона черный занавес, в «театрах иллюзий» демонстрируют всевозможные «чудеса».

Цвет — важнейшее изобразительное средство во всех видах искусства; даже в музыке цветовые аналогии почти неизбежны при восприятии и анализе самых глубоких и сложных программных симфонических произведений. Но, разумеется, в живописи роль цвета переоценить невозможно. Роль эта всегда была выдающейся, но она, как и живопись в целом, прошла немалый исторический путь, хотя восприятие цвета человеческим глазом за последние 100 тыс. лет практически не изменилось (в физическом и физиологическом смысле).

Родилось изобразительное искусство где-то далеко в палеолите (древнекаменном веке), десятки тысяч лет назад, началось с контурных наскальных рисунков, лишенных цвета. Лишь постепенно первобытные художники овладевали цветовой гаммой, медленно обогащая свою палитру. Многочисленные данные палеонтологии, археологии, этнографии свидетельствуют, что порядок освоения цветов в истории человечества не был случайным. Выдающийся советский ученый академик А. Е. Ферсман писал: «Исторические исследования привели к выводу, что освоение цветов человечеством шло в такой последовательности: желтый, красный, зеленый и синий. Первыми цветами, которые осваиваются ребенком и малокультурными народами, являются желтый и красный. Синий цвет воспринимается значительно позднее». По свидетельству Н. Н. Миклухо-Маклая, у папуасов Новой Гвинеи, живущих в гуще зеленых джунглей, отсутствует способность различать зеленый цвет. Специалисты, проанализировавшие гомеровский эпос древней Эллады, не нашли в нем прилагательного «синий» даже в применении к морю. Но уже в VI—V вв. до н. э. греческие скульпторы использовали синий краситель для раскрашивания своих статуй. В последующие столетия цвет все шире используется живописцами, скульпторами, архитекторами. Но рельефные, пластические возможности цвета долго остаются неиспользованными.

Лишь в эпоху Возрождения такие титаны науки и мастера живописи, как Леонардо да Винчи, Альбрехт Дюрер, Леон Альберти, приоткрыли тайну связи цвета и перспективы. Игра светотени, мастерское использование оттенков цвета бесконечно обогатили палитру живописцев, сделали возможной передачу объема, глубины, перспективы. Это нашло свое практическое воплощение в полотнах Тициана, Веронезе, Тинторетто. Мастерам Возрождения были уже известны и эффекты многократного взаимного отражения. Так, Леонардо да Винчи в своем «Трактате о живописи» утверждал: «Отраженные цвета имеют гораздо большую красоту, чем природный цвет этих тел, как это видно на открывающихся складках золотых тканей..., когда одна поверхность отражается в другой, стоящей напротив, а эта в ней, и так последовательно до бесконечности».

Использование цветового контраста позволяет «подчеркивать» или, наоборот, изменять оттенок цвета благодаря нанесению по соседству мазков другой окраски. Импрессионисты в 60—70-х годах XIX в. начали широко использовать дополнительные цвета. Переход к «пленеру» — живописи на открытом воздухе — обогатил палитру, сделал цветовую гамму картин более разнообразной и в то же время более естественной. Знание законов восприятия цветов позволило заменить смешивание красок на палитре нанесением разноцветных точек непосредственно на полотно. (Это направление получило название пуантилизма.)

Большое значение для полного и правильного восприятия картины имеют особенности ее освещения. Любой искусственный источник света вносит в это восприятие определенные искажения. Очевидно, в идеале картина должна освещаться светом той же интенсивности и того же состава, что в момент ее написания.

В художественной литературе цвет присутствует как одно из важнейших выразительных средств, несет даже тройную нагрузку: смысловую (характеризуя, например, достоинство бумажных денег или болезненное состояние персонажа), описательную (обеспечивая образность, «картинность» происходящего) и эмоциональную. Писатели нередко используют цветовые эпитеты для характеристики настроения и состояния своих героев. Для рассказов и повестей А. Грина характерны яркие, чистые, насыщенные цветовые гаммы, выражающие солнечно-ясные мысли и чувства его сказочных героев и возбуждающие такие же яркие и светлые эмоции у читателя.

Широкое использование цветовых эпитетов характерно для тех писателей и произведений, которые преимущественно рисуют события, процессы, предметы внешнего мира. Писатели же и произведения, раскрывающие бездны мира внутреннего, отличаются экономным использованием цвета. В творчестве некоторых писателей (Л. Н. Толстого, А. С. Пушкина) можно проследить процесс постепенного вытеснения цвета по мере перехода к зрелому творчеству.

У некоторых деятелей искусства отмечается пристрастие, почти болезненное, к отдельным цветам. Так, у Ф. И. Достоевского, очень редко пользующегося цветом, сравнительно много желтого: желтые обои, желтью цветы, желтая мебель... Тот же желтый цвет на полотнах Ван Гога играет совершенно особую, необычайно выразительную роль, приобретает поистине колдовскую силу.

Велико значение цвета и в трудовой деятельности человека. Бесспорно, что в подавляющем большинстве случаев оптимальным решением было бы использование естественного, солнечного освещения. Но как впустить Солнце в громады современных цехов, как осветить его лучами каждое рабочее место, каждый станок? Возможно ли это? Обычное решение состоит в том, что в потолочных перекрытиях длинных и широких заводских цехов делают стеклянные фонари. Они, конечно, пропускают свет Солнца. Но конструкция перекрытия удорожается и усложняется. Наклонные стекла фонарей покрываются пылью и грязью, а мыть их очень неудобно. А главное,— хорошего освещения фонари не создают. Яркие блики отражаются от металлических поверхностей, слепят. Летом прямые лучи Солнца вынуждают забеливать фонари, по при этом теряется до 60% света.

Принципиально новая идея была предложена за рубежом. Вместо дорогостоящих, неудобных и неэффективных фонарей в потолке особые призматические стекла устанавливаются вертикально в наружных стенах. Одна сторона их гладкая, вторая — пилообразная, зубчатая. Такие стены как бы объединяют, собирают и направляют внутрь цеха солнечные лучи. Но призматические стекла не только преломляют лучи, но и разлагают их, превращая внутренность цехов в радужную какофонию цвета. Предложение московского инженера А. Мотулевича позволяет устранить этот недостаток: нужно лишь превратить зубчатую поверхность стеклянной стены в волнистую. При этом разделенные спектральные цвета вновь смешиваются, проходя через волнистую внутреннюю поверхность, давая внутри цеха белый цвет. Применение волнистых стекол увеличивает глубину проникновения солнечного света в цеха в 1,5—2 раза.

Недостаточная освещенность предъявляет повышенные требования к органу зрения, вынуждает глазные мышцы напрягаться и влечет за собой раннее переутомление, а в определенных условиях труда может повлечь и аварию, несчастный случай. Гладкие металлические поверхности, отражая свет, дают блики, оказывают более или менее выраженное слепящее действие и также влекут за собой утомление глаза. Поэтому наряду с обеспечением достаточной освещенности все отражающие поверхности следует делать матовыми, рассеивающими свет.

Совершенно необходимо также, чтобы источник света находился вне поля зрения. Монотонная окраска предметов, окружающих рабочее место, особенно серая или черная, утомляет глаз, лишенный светового и цветового контраста. Поэтому важно в разумных пределах разнообразить окраску машин, станков, оборудования, выделить цветом детали разного функционального назначения. Это не только дает необходимый отдых глазу, но и облегчает сознательную и автоматическую ориентировку при выполнении привычной последовательности трудовых операций. В конечном счете это выражается в повышении производительности труда.

Монотонная окраска машин, отсутствие цветового контраста до сих пор остается одной из наиболее важных причин несчастных случаев на производстве. Рабочий не замечает движущегося крана, автопогрузчика и т. п., окрашенных, как и станки, стены, перекрытия цеха, в монотонный серый цвет и не несущих сигнальных огней и сигнальной окраски. А крановщик, водитель автокара, погрузчика может не заметить человека, если его спецодежда серого цвета и не контрастирует с фоном.

Вот почему столь важное значение приобретает окраска кранов, автокаров, лобовой части автомобилей, железнодорожных локомотивов, стрел экскаваторов и подъемников в яркие сигнальные цвета (красный, оранжевый, желтый), использование цветной сигнальной спецодежды путевыми рабочими (оранжевые жилеты), ремонтниками, верхолазами, монтажниками и т. п., а в последнее время — космонавтами (что облегчает задачу их отыскания после приземления). По-видимому, целесообразно введение цветной спецодежды и для некоторых групп сельскохозяйственных рабочих, сигнальной окраски — для многих сельхозмашин. Статистика утверждает, что автомашины желтого цвета гораздо реже оказываются замешанными во всякого рода дорожных происшествиях.

Совершенно неожиданное применение нашел оранжевый цвет в авиации. Птицы и летучие мыши — одна из причин аварий самолетов при взлете и посадке. Их привлекает к аэродромам яркий свет прожекторов. Австралийские специалисты-экологи установили, что оранжевый цвет влечет насекомых (а значит, и охотящихся на них птиц и летучих мышей) гораздо меньше, чем белый. После установки оранжевых светофильтров на прожекторах количество птиц в окрестностях аэродрома сократилось на 30-40%.

Окраска стен и перекрытий в заводских цехах в яркие и теплые цвета — желтый, оранжевый, бежевый, желто-зеленый — субъективно создает ощущение большого простора. На тех производствах, где рабочие имеют дело с окрашенной продукцией (производство красителей, тканей, окрашенных деталей, машин), окраска стен в дополнительный цвет дает желанный цветовой контраст и отдаляет наступление утомления. На одном из шотландских предприятий перекраска стен, ранее черных, в зеленый (нижняя часть стен), желтый (верхняя часть стен) и светло-желтый (потолки) цвета создала впечатление простора и света; резко уменьшилось число случаев головной боли, ссор между работницами, улучшилась дисциплина и техника безопасности. Производительность труда выросла.

Перекраска рабочих столов и машин на обувных фабриках в светлые тона, создав заметный контраст с темной обувью, обеспечила повышение производительности труда на 14%. По данным, полученным учеными ГДР, рациональная окраска рабочих мест, наряду с разнообразием цветовой гаммы производственных помещений, обеспечивает увеличение производительности труда до 25—30% и снижение потерь рабочего времени на 32 %.

Больше утомляют глаз цвета, относящиеся к крайним областям спектра,— красные и сине-фиолетовые. Желтый и зеленый цвета, расположенные в середине спектра, утомляют значительно меньше. Зеленая окраска зелени, стен, предметов дает глазу желанный отдых, способствует снижению внутриглазного давления. Устойчивость цветоразличения и контрастная чувствительность глаза наиболее высоки при использовании желтого, зеленого или белого цвета в качестве фона; красный и синий фон дает обратные результаты.

Быстро развивающаяся молодая наука — техническая эстетика — разрабатывает на основе данных физики, физиологии и психологии зрения, производственного опыта рекомендации, инструкции, технические указания для предприятий разных отраслей промышленности. Некоторые из рекомендаций по использованию цвета на производстве, особенно в целях техники безопасности, принимают форму ГОСТ'ов (государственных общесоюзных стандартов) — своего рода промышленных законов.

Сигнальные цвета, принятые на разных производствах и на транспорте, разделяются на основные и вспомогательные. Основные сигнальные цвета — красный, желтый и зеленый. Красный цвет, действующий возбуждающе, повышает артериальное давление и ассоциируется рефлекторно с огнем и кровью. Он используется как сигнал непосредственной опасности, требующий немедленной реакции. Желтый цвет, не вызывающий столь сильной эмоциональной реакции, обозначает возможную опасность. Зеленый цвет снижает давление, ассоциируется с зеленью и покоем и всегда используется как сигнал безопасности.

Огромное значение играет окраска стен, потолков, полов, парт и классных досок в школах. Использование черного, темно-коричневого и серого цветов как наименее марких — чрезвычайно распространено. Между тем опыт передовых школ, в которых контролировалась связь между цветом и успеваемостью, поведением, аппетитом и состоянием здоровья школьников, недвусмысленно свидетельствует против этих цветов. Переход к светлой окраске стен не только не увеличил опасности их загрязнения, но, наоборот, повысил внимание и аккуратность школьников. Улучшение освещенности в светлоокрашенных классах благоприятно сказывается на напряжении глаз, уменьшает процент близорукости среди учащихся, улучшает аппетит и существенно повышает успеваемость.

Освещение классов должно быть достаточным, рассеянным и хорошо распределенным. Светлая окраска стен увеличивает долю рассеянного освещения, повышает общую освещенность и делает ее более равномерной. Белый цвет нежелателен, так как может вызвать неприятный блеск. Черный и коричневый цвета поглощают много света и угнетают настроение детей. Красный цвет слишком возбуждает и потому также утомляет. Стены, окрашенные в желтый и бледно-зеленый цвета, создают хорошее настроение для работы, улучшают процесс обучения, не слишком возбуждая детей. В то же время желтый цвет стен, по многочисленным наблюдениям, в меньшей степени вызывает у школьников желание пачкать стены, рисовать на них, чем другие цвета. Для учебных помещений и классов рекомендуются также бежевый, кремовый, светло-желтый цвета. Для приемных, актовых и спортивных залов — более холодные — голубой, зеленый цвета. Потолки рекомендуется оставлять белыми. Доску и парты рекомендуется окрашивать в зеленый цвет, доску — несколько более насыщенным цветом. Писать на такой доске лучше желтым или оранжевым мелком.

Специальные исследования показали, что дети предпочитают писать на белой бумаге при дневном свете. Свет же ламп накаливания заставляет их предпочесть светло-голубую, а также светло-зеленую бумагу. При решении контрольной работы по арифметике количество верных ответов на зеленой бумаге было на 21,3% выше, а на красной — на 19% ниже, чем на белой.

Таблица 2

Отражательная способность стен в зависимости от их окраски и цвета обоев

Проблема цвета играет сегодня все более значительную роль при оформлении интерьеров гостиниц, ресторанов, музеев, общежитии, жилых квартир, салонов самолетов, автобусов, теплоходов и т. п. Специальные службы американских авиационных компаний установили, например, что на фоне коричневой и желтой окраски стен в салоне самолета у пассажиров чаще возникает тошнота; зеленый и синий цвета ее предупреждают. Разумеется, причиной тошноты цвет не может быть. Но психофизиологическое действие света, его влияние на настроение, эмоциональную сферу человека бесспорно.

Исследования показали, что при свете обычных ламп накаливания в гостиных, ресторанах и т. п. можно использовать зеленый и голубой цвета для окраски стен. Люминесцентное освещение в помещениях с такой окраской делает лица людей бледными, нездоровыми, пищу — мало аппетитной. При люминесцентном освещении следует предпочитать желтый, оранжевый, розовый цвета стен.

При оформлении интерьеров жилых комнат рекомендуется при ориентации окон на юг и хорошем освещении использовать для окраски стен холодные цвета (голубой, зеленоватый), а при северной ориентации — более теплые (желтый, оранжевый). Нет возражений и против модного «биколоризма» — окраски стен комнаты двумя цветами, со сменой окраски по вертикали (верхняя и нижняя часть стен) или по горизонтали (две стены окрашивают в одни цвет, две другие — в иной). Следует избегать лишь крайностей, дурного вкуса и плохо совместимых цветов. Единых рецептов здесь, разумеется, быть не может. В кухне используются преимущественно белый и серебристый тона. В гостиной рекомендуется избегать больших белых поверхностей (за исключением потолка), использовать светлые тона, гармонирующие с мебелью. В спальне рекомендуется чередовать голубовато-серые или бледно-зеленые поверхности с оранжевыми или розовыми декоративными элементами. Яркие, веселые тона (желтый, кремовый, розовый и др.) можно использовать в холлах, комнатах игр, детских.

В больницах целесообразно использование ярких цветов при входе, в залах ожидания и свиданий. Коридоры следует окрашивать в светлые тона, палаты — более веселыми и менее монотонными расцветками (используя персиковый, светло-желтый, телесный, кремовый, слоновой кости и т. п. цвета). В операционных рекомендуется от белого перейти к мягким, не слишком светлым цветам, что облегчает сосредоточенность.

Итак, цвет — могучее и еще не вполне освоенное и изученное средство воздействия на психику и эмоциональную сферу человека, а через них — на производительность труда, настроение, аппетит, самочувствие и здоровье. Здесь еще непочатый край для поисков, раздумий, рекомендаций.

О красителях и фотосенсибилизаторах

В подавляющем большинстве случаев окраска предметов — результат поглощения некоторых цветов из смеси, какой является свет Солнца или ламп накаливания. Эту задачу выполняют красители — вещества органической или неорганической природы, избирательно поглощающие лучи видимого света (рис. 13). Но свет есть энергия, следовательно, красители в мастерской природы служат мощными приемниками энергии света, превращающими ее в иные формы. Сама возможность жизни на Земле связана с поглощением и использованием энергии Солнца природными красителями, в первую очередь хлорофиллом.

Смесь органического или минерального красителя со связующим веществом — олифой, клеем, лаками называется краской. Соответственно различают масляные, эмалевые, клеевые краски и т. п. Окрашенные вещества, не растворимые в воде или органических растворителях, но применяемые для крашения, называются пигментами. Минеральные пигменты — главным образом соединения металлов переменной валентности — в качестве краски несравненно более стойки, чем органические красители. Благодаря их стойкости мы имеем возможность любоваться искусством великих художников древности, эпохи Возрождения. Свежесть и сочность красок древних мастеров вызывают удивление. К сожалению, много секретов приготовления минеральных красок ныне утеряно.

Принято считать, что крашение изобретено в Индии и Китае, где этот способ обработки тканей начали применять 4 тыс. лет назад. В Египте и Финикии, судя по раскопкам, красильни для тканей существовали примерно 3,5 тыс. лет назад. Для изготовления красок применяли только естественные органические красители. Тайна их получения и технологии приготовления была государственной или частной монополией и строго охранялась.

Один из самых распространенных и поныне естественных красителей — синий индиго получают из листьев тропических растений. В XVI—XVII вв. индиго очень высоко ценился на европейском рынке. Индиго не растворим в воде — в этом причина его стойкости. Но для окраски тканей индиго подвергают специальной обработке, вводя в его молекулу по два атома водорода, после чего краситель приобретает растворимость. Одновременно резонансные свойства молекул изменяются так, что краситель обесцвечивается. После пропитки ткани индиго на воздухе постепенно теряет водород; одновременно возвращается окраска, но уже фиксированная на волокнах ткани.

Другой знаменитый краситель древних греков и римлян — пурпур — добывался из улитки багрянки. Из десяти тысяч улиток можно получить всего около 1 г красителя. Не удивительно, что ценился он в то время дороже золота. В Древнем Риме только император и его семья имели право носить багряницу — ткань, окрашенную пурпуром.

Красный краситель крапп получают из корня растения марены. Красящим веществом марены является ализарин, который дает красную окраску только после протравы солями алюминия. В древности для этой цели применялись алюминиевые квасцы. С солями железа ализарин Дает фиолетовую окраску, с солями хрома — коричневую. Красный краситель кошениль добывают из насекомых, паразитирующих на кактусах. Кошениль была составной частью дани, которой Кортес обложил ацтеков после завоевания Мексики.

Не простой проблемой с давних времен было отбеливание тканей — устранение присущего им желтоватого цвета. В античном мире с этой целью использовали окуривание серой, разрушающей природные пигменты. Неплохо отбеливали ткани также лучи Солнца. В XIX в. для отбелки тканей стали пользоваться хлором по предложению великого французского химика К. Бертолле. Однако самый простой и рациональный способ — подсинивание — был открыт простой прачкой королевы Елизаветы Английской. Сегодня мы знаем, что синеватый оттенок, будучи дополнительным к природному желтоватому цвету полотна, «съедает» его.

В растительном мире придают красную, лиловую, пурпурную и синюю окраску цветам антоцианы — фенольные красители, почти так же широко распространенные, как хлорофилл, каротиноиды, ксантофиллы. Безвредные и даже обладающие Р-витаминной активностью, антоцианы ныне используются в качестве пищевых красителей. Для окраски тканей они не используются из-за нестойкости.

С увеличением производства тканей обеспечить их крашение старыми способами стало невозможно. Начались поиски заменителей естественных красителей. В 1856 г. английский химик Перкин в результате окисления анилина получил первый синтетический краситель. Через несколько лет были изготовлены различные анилиновые краски. Но получение красителей с заранее заданными свойствами стало возможным после того, как трудами выдающегося русского химика А. М. Бутлерова была создана теория строения химических соединений.

В настоящее время существует много тысяч синтетических красителей. Основным структурным элементом большинства красителей является шестичленное бензольное кольцо:

(Ниже структурные элементы красителей будут показаны условно в виде «скелетов» — без обозначения двойных связей и атомов углерода и водорода.)

Бензольное кольцо (I) обычно повторяется в скелете красителя несколько раз, сочетаясь с другими кольцами: пиридиновым (II), азиновым (III), оксазиновым (IV), пиррольным (V). Встречаются и более сложные структуры из двух колец: нафталиновая (VI), хинолиновая (VII), бензопиррольная (VIII) и др.:

Циклические структуры в молекуле красителя связаны между собой с помощью центрального атома или цепочки, например, азогруппы —N = N—, полиметиновой цепочки —СН = СН—СН = СН— и т. д. В результате замещения атомов водорода в кольцах группами СН₃—, —С₂Н₅—, атомами хлора, брома, йода, аминогруппами —NH₂, сульфогруппами —S0₃H получено огромное количество разнообразных красителей.

Наиболее известные синтетические красители представляют собой солеобразные соединения, т. е. это заряженные молекулярные ионы. Приобретению молекулой заряда способствуют так называемые ауксохромные группы: —NH₂ (аминогруппа) и —ОН (гидроксильная). Включение этих групп в молекулу выявляет или усиливает цвет исходного соединения, способствует проявлению его красящих свойств.

Все сказанное о структуре относится не только к синтетическим, по и к естественным красителям, в частности к антоцианам, основным элементом которых являются все те же бензольные кольца, а введение гидроксильных групп, кислотных или основных группировок изменяет цвет красителя. Калиевая соль антоциана, обладающая щелочными свойствами, придает синий цвет василькам (I). В результате присоединения кислотной группы к основному антоциану образуется краситель, придающий красный цвет розам (II). Молекула индиго (III) после присоединения двух атомов водорода становится бесцветной, но приобретает растворимость (IV).

Для соединения атомов углерода и водорода, кислорода, азота, серы, из которых построены молекулы красителей, типична ковалентная связь, которая осуществляется парой электронов, общих для обоих связанных атомов. В качестве грубой схемы можно представить себе, что каждый электрон описывает вокруг обоих атомов сложную орбиту — восьмерку. Чтобы возбудить образующие такую связь сигма-электроны, нужна очень большая энергия. Соединения, содержащие одинарные, насыщенные связи, способны поглощать только большие фотоны коротковолновых ультрафиолетовых лучей. Как красители они не пригодны: они поглощают свет в области, далекой от видимой области спектра.

Иное дело — молекулы ненасыщенных соединений, содержащие двойную связь. Электроны, образующие вторую связь

,

легко возбуждаются. Для перехода на более высокий энергетический уровень таким электронам (их называют пи-электронами) требуется гораздо меньше энергии. Но и вещества с двойными связями поглощают только ультрафиолетовые лучи, а потому они не окрашены. Особенно подвижны пи-электроны в соединениях с сопряженными, правильно чередующимися двойными связями. Таковы, например, полиметиновые и азометиновые цепи атомов, а также замкнутые, главным образом шестичленные кольца и их агрегаты. Во всех этих структурах пи-электроны настолько слабо связаны со своими двумя атомами, что свободно перемещаются по всей структуре молекулы. Такие делокализованные электроны особенно легко возбуждаются квантами небольшой величины. Вещества, содержащие де-локализованные пи-электроны, способны поглощать фотоны света в видимой области спектра, т. е. они окрашены.

В структуре красителей основные элементы молекул (кольца и цепочки) представляют собой системы сопряженных связей с делокализованными пи-электронами. Именно эта особенность структуры и делает их красителями. Удлинение системы сопряженных связей, переход бензольных колец в хиноидную форму (с образованием дополнительных двойных связей) облегчают возбуждение и сдвигают максимум поглощения света в сторону более длинных волн.

Аналогично действует включение в молекулу красителя ауксохромных групп (—NH₂; —ОН), увеличивающих заряд и поляризацию молекулы.

Процесс поглощения энергии молекулами красителя очень важен для живых организмов, в теле которых большую роль играют красящие вещества — пигменты. Важен он и для практической деятельности человека, будь то крашение тканей, применение красителей в качестве лекарственных препаратов или добавок к пищевым продуктам.

Молекула, поглотившая фотон света, не может долго оставаться в возбужденном состоянии. В течение стомиллионных долей секунды она отдает свою избыточную энергию, а возбужденный электрон скачком возвращается на место. Отдача электронной энергии возбуждения происходит несколькими путями.

Первый путь носит название резонансного излучения. Знакомство с ним помогает глубже понять механизм возникновения цветов. Поставим рядом на стол два камертона, настроенных на одинаковую частоту, на одну и ту же ноту. Если один из камертонов заставить звучать о помощью смычка или молоточка, а затем остановить пальцем, то станет слышно звучание второго камертона, хотя мы к нему не прикасались. Но если изменить частоту колебаний второго камертона, прилепив к нему кусочек пластилина, резонанса не будет.

Нечто аналогичное происходит в радиоприемнике. Из огромной массы разнообразных радиоволн он улавливает и поглощает только одну. Если каждая радиостанция излучает в эфир волны своей частоты — своего «цвета», то радиоприемник, подобно красителю, поглощает один из этих цветов. Вращением тумблера мы плавно изменяем частоту электрических колебаний в его конденсаторах и катушках до тех пор, пока она не совпадет с частотой волн передающей станции. Следовательно, в этом случае можно изменять «краску» до поглощения нужного нам «цвета». Радиоприемник поглощает радиоволны, а краситель — более короткие световые волны.

Но камертон не только поглощает волны определенной частоты, но и излучает их вновь — резонирует. То же происходит и с красителем. Его молекулы, подобно крошечным камертонам, поглощая световые колебания определенной частоты, начинают резонировать, т. е. излучать свет той же частоты. Но каждый такой крохотный резонатор посылает волны света во всех направлениях. В прежнем же направлении, по которому распространялся свет от источника, колебания резонансной частоты будут распространяться во много раз слабее, чем без встречи с резонатором-красителем. Это явление мы и воспринимаем как поглощение света определенных частот — как появление окраски.

Циклические молекулы, в которых правильно чередуются одинарные и двойные связи между атомами углерода, и являются идеальными резонаторами, легко поглощающими и излучающими лучи видимой части спектра. Они-то и придают окраску окружающему нас земному миру, его живым обитателям и неживым предметам.

Нарисованная нами картина — это идеальный случай, который, как и все идеалы, воплощается в жизнь обычно не полностью ввиду вмешательства побочных факторов. Важнейший из этих факторов в данном случае — потеря части световой энергии при ее поглощении молекулами, при возбуждении пи-электронов и последующей отдаче поглощенной энергии излучением. Один из важнейших законов физики — второе начало термодинамики — утверждает, что при всякого рода энергетических переходах какая-то часть энергии переходит в тепловую, т. е, в энергию беспорядочного колебания и вращения молекул.

Это второй путь превращения энергии электронного возбуждения, вызванного поглощением кванта лучистой энергии. Обычно в тепловую энергию превращается лишь часть поглощенной энергии света. Мощный поток видимых лучей вызывает значительный нагрев кожи человека, повышение температуры кожи и как реакцию на это прилив крови к коже, покраснение ее и усиление потоотделения. Однако действие такого лучистого тепла на организм непродолжительно и поверхностно.

Избыточная энергия может быть отдана атомом или молекулой в том же виде, в каком она была поглощена,— в виде кванта излучения. Этот третий путь отличается от идеального — резонансного тем, что за короткое время существования возбужденного состояния часть энергии электрона успевает превратиться в тепловую, и величина излучаемого кванта меньше поглощенного, а свет флуоресценции (вторичного излучения) более длинноволновый, чем поглощенный.

Таково правило Стокса, применимое ко всем красителям. Спектр испускания красителей всегда несколько сдвинут в длинноволновую сторону по сравнению со спектром поглощения.

Спектр поглощения любого красителя имеет максимум, соответствующий определенной длине волны света. В обе стороны от максимума поглощение уменьшается. Интересно, что спектр флуоресценции — вторичного излучения красителя — также представляет собой кривую — зеркальное отражение кривой поглощения (рис. 14). Это правило зеркальной симметрии было опытным путем установлено советским физиком-оптиком В. Л. Левшиным. Третье правило флуоресценции состоит в том, что монохроматический свет любой длины волны (в пределах спектра поглощения данного красителя) вызывает вторичное свечение во всей полосе флуоресценции, причем распределение интенсивностей в полосе свечения точно такое же, как в том случае, когда краситель облучается белым светом.

Как показано на рис. 14, кривые поглощения и высвечивания каждого красителя частично пересекаются. Поэтому можно выбрать свет, длина волны которого лежит на этом рисунке правее оси симметрии (изображенной вертикальной штриховой линией), но еще в пределах области поглощения (кривая а). Если светом такой длины волны осветить краситель, то флуоресцировать он будет, как обычно, в пределах всей полосы высвечивания (кривая б). При этом часть излучения флуоресценции окажется более коротковолновой, чем свет поглощенный. Эта так называемая антистоксова флуоресценция — исключение из первого правила вторичного высвечивания — не противоречит закону сохранения энергии. Хотя антистоксово излучение отличается квантами большей энергии, чем поглощенный свет, но общий энергетический выход флуоресценции несколько меньше, чем поглощенная энергия света (за счет перехода части ее в тепло).

Наконец, четвертый путь превращения лучистой энергии, поглощенной красителем,— переход в энергию химического взаимодействия молекул. Наличие избыточной энергии делает возбужденную молекулу более активной. Она вступает в такие химические реакции, в которые в невозбужденном состоянии вступать не может. Энергия активации большинства химических реакций лежит в пределах 20—100 ккал/моль. Как видно из данных табл. 3, энергии квантов видимого света достаточно для возбуждения реакций. Благодаря участию энергии квантов поглощенного света такие реакции называются фотохимическими.

Таблица 3

Длина волны и энергия квантов света

Круг возможных реакций увеличивается по мере приближения к фиолетовому концу спектра. Основные типы фотохимических реакций рассмотрены ниже.

Фотораспад осуществляется преимущественно под влиянием ультрафиолетовых лучей. Некоторые наиболее легко возбудимые молекулы способны распадаться и под влиянием видимого света, главным образом фиолетового. Схематически реакция может быть изображена так:

АВ* -> А + В,

где АВ* — фотовозбужденная сложная молекула.

Фотоперегруппировка. В этом случае часть энергии электронного возбуждения расходуется на изменение геометрической конфигурации молекулы, на перенос атомов или связей внутри молекулы. Реакции этого типа также чаще наблюдаются под влиянием ультрафиолетовых (иногда даже фиолетовых) лучей. Схема реакции

АВ* -> ВА.

Фотоприсоединение. За счет избыточной энергии молекула способна соединяться с такими группировками, которые в невозбужденном состоянии она присоединить не может

АВ* + С -> АВС.

Частным случаем этой реакции является фотоди-, или полимеризация, соединение двух одинаковых молекул

АВ* + АВ -> АВАВ.

Весьма важный вид реакции фотоприсоединения — реакция присоединения кислорода — имеет большое биологическое значение.

Фотоперенос электрона. Эта реакция, как и предыдущие, осуществляется главным образом под влиянием ультрафиолетовых лучей. Проявляется эффект в увеличении проводимости или в появлении окраски, свойственной положительному иону красителя.

Фотосенсибилизация. Если молекулы красителя в растворенном или адсорбированном, твердом состоянии, перемешаны с молекулами вещества, не поглощающего свет, они могут быть своеобразными переносчиками энергии лучей — фотосенсибилизаторами. Такую функцию в растениях выполняет хлорофилл. Поглотив световой фотон и перейдя в возбужденное состояние, молекула красителя может затем вступить во взаимодействие с молекулой неокрашенного вещества таким образом, что состояние возбуждения передается второй молекуле.

После этого частица красителя возвращается в нормальное, невозбужденное, состояние и способна поглотить новый фотон.

Схематически два основных этапа реакции фотосенсибилизации можно изобразить так:

A + hv -> А*,

где А — молекула красителя; А* — та же молекула в возбужденном состоянии; hv — энергия кванта света;

A* + M -> A + M*,

где М — молекула неокрашенного соединения; М* — та же молекула в возбужденном состоянии. Именно этот второй этап и есть, собственно, реакция фотосенсибилизации. Обе реакции фотохимические, так как состоят в поглощении фотона, поэтому они почти не зависят от температуры среды.

Молекула М*, обогащенная энергией, может вступать в такие реакции, которые недоступны ей в обычном состоянии. В живом организме это в основном реакции окисления. В каждой живой клетке обязательно присутствует растворенный кислород. Значит, реакции окисления возникают в живом теле очень легко, как только появляются пригодные для них молекулы.

Третий этап процесса фотосенсибилизации, начатого с поглощения фотона молекулой фотосенсибилизатора А, можно изобразить в следующем виде:

М* + 0₂ + М -> М0₂М, или М* + 0₂ -> М0₂.

В этом случае в процессе окисления между двумя молекулами вещества М образуется мостик, своего рода «сшивка», или окисляется сама возбужденная молекула. В обоих случаях процесс необратим, и окисленные молекулы выходят из строя, перестают выполнять свою функцию в клетке. Молекула — переносчик энергии света в процессе фотосенсибилизации не пострадала. Она одна может окислить большое количество молекул вещества М и нанести организму большой ущерб.

Свойства фотосенсибилизации присущи многим красителям (эозину, эритрозину, бенгальскому розовому, риванолу, метиленовому синему, акридину, флуоресцеину и др.), а также каменноугольной смоле, дегтю, в больших дозах некоторым медикаментам (йоду, хинину, сульфаниламидам), канцерогенным веществам (химическим веществам, вызывающим при длительном воздействии образование опухолей).

Реакцию фотосенсибилизации легче всего наблюдать в крови. Фотосенсибилизатор проникает внутрь красных кровяных телец — эритроцитов — и передает поглощенную энергию света белковым молекулам их оболочки. Проходит некоторое время, и оболочка начинает разрушаться, красящее вещество крови — гемоглобин — выходит в плазму. В организме, которому ввели большую дозу фотосенсибилизатора и на который падает мощный поток света эффективной длины волны, процесс разрушения эритроцитов (гемолиз) идет быстро, развивается малокровие — анемия, почечные канальцы переполняются вышедшим в плазму гемоглобином и перестают выделять мочу. В более тяжелых случаях наступает смерть.

При некоторых болезнях печени и желудочно-кишечного тракта из-за недостатка витаминов группы В иногда нарушается процесс образования гемоглобина, в организме накапливается известное количество фотосенсибилизатора гематопорфирина. Это заболевание называется порфирией. После пребывания на свету у больных эритроциты частично разрушаются. Но солнечные лучи не проникают в тело человека глубоко. Поэтому у людей, страдающих гематопорфирией, при освещении наибольшей пасности подвергаются клетки кожи: образуются плохо заживающие сильные ожоги, воспаления, язвы. Поскольку гематопорфирин поглощает главным образом лучи с длиной волны 3500—4200 А, т. е. фиолетовые и ближние ультрафиолетовые, то особенно опасен прямой солнечный свет, содержащий ультрафиолетовые лучи. Свет Солнца, прошедший через оконное стекло, так же, как и свет ламп накаливания, не опасен для больного.

По роду своих занятий человек соприкасается с тысячами красящих веществ, и многие из них он изготовляет своими руками. Не могут ли они вызвать одну из описанных выше реакций в организме, которые объединяются названием «фотодинамический эффект»? Такая опасность действительно существует. Если краситель длительное время всасывается через кожу, то при несоблюдении мер предосторожности под лучами Солнца на коже образуются долго незаживающие язвы, экземы, воспаления. Так действуют, например, применяемое в парфюмерии бергамотовое масло, которое добывают из кожуры цитрусовых, зеленое мыло, некоторые синтетические продукты. Из числа естественных красителей фотодинамическое действие оказывают растительные соединения — фурокумарины псорален, ангелицин, бергаптен, ксантотоксин и др.

Все канцерогенные вещества обладают свойствами фотосенсибилизаторов. Поэтому не исключено, что их способность поглощать и передавать лучистую энергию благоприятствует злокачественному перерождению клеток.

Некоторые болезни домашних животных вызываются попавшими в организм фотосенсибилизаторами растительного происхождения. Такова, например, болезнь овец, проявляющаяся в сильном возбуждении, беге, судорогах (в народе она называется вертячкой), когда растительный корм овец содержит фотосенсибилизатор гиперицин. В Южной Африке у больных овец появляются желтуха, отек кожи на голове. Виновником заболевания оказывается продукт частичного разрушения хлорофилла — филлоэритрин, образующийся в кишечнике овец. При нормальном состоянии он всасывается в кровь и затем выводится с желчью. Но если отток желчи нарушен, филлоэритрин, накапливаясь в организме, вызывает болезнь.

Таким образом, некоторые красители в результате фотодинамического эффекта могут оказывать вредные воздействия на организм. Но иногда с их помощью удается получить и полезный, даже лечебный эффект. Например, гематопорфирин в малом количестве, в виде препарата гемофирина, успешно применяется при пониженном кровяном давлении, угнетенном состоянии, депрессии, некоторых психических заболеваниях. Он повышает жизненный тонус, улучшает настроение, работоспособность.

Существует также кожное заболевание витилиго, при котором отдельные участки кожи лишены пигмента, не загорают и выделяются на фоне пигментированных участков. Длительная (в течение 1—2 месяцев) обработка этих участков растворами фурокумаринов и псоралена в ряде случаев дает хороший эффект, обеспечивает пигментацию кожи.

Фотосенсибилизация — это только один из типов фотохимических реакций, в которых участвуют молекулы красителей, поглотившие свет. Важнейшее значение ее состоит в том, что с помощью особых веществ — фотосенсибилизаторов — организм получает возможность утилизировать энергию фотонов видимого света, которая сама по себе слишком мала, чтобы вызвать значительный фотохимический эффект. «Посредническая» роль в этом процессе красителей-фотосенсибилизаторов, и в первую очередь хлорофилла, весьма велика.

Послесвечение и свечение

Одним из естественных путей отдачи энергии света, поглощенной красителями, является излучение. Возбужденный электрон скачком возвращается на свое место в атоме, а избыточная энергия высвечивается в виде кванта излучения. Вторичное излучение, называемое флуоресценцией,— одна из разновидностей послесвечения. Как ни мала длительность возбуждения электрона (10^-7—10^-9 сек), часть электронной энергии успевает за это время рассеяться в виде энергии вибрации молекул. Поэтому излученный квант обычно немного меньше поглощенного, а длина волны излучаемого света — несколько больше (правило Стокса).

При некоторых обстоятельствах длительность послесвечения составляет десятые доли секунды и даже целые секунды. Это явление было названо фосфоресценцией, так как оно казалось похожим на свечение фосфора. В действительности же фосфор светится по совершенно другим причинам. Что же касается фосфоресценции, то физическую природу этого явления раскрыл выдающийся советский физик С. И. Вавилов. Он обратил внимание на то, что фосфоресценция лучше выражена при низких температурах или в жестких, стеклообразных средах, т. е. в условиях, когда подвижность молекул ограничена. Чтобы понять природу процесса фосфоресценции, рассмотрим более подробно схему возбужденного состояния атома.

Когда электрон возвращается с высокого энергетического уровня на исходный, иногда происходит «заминка». Если до разрядки электрон успевает растратить значительную часть своей энергии, он оказывается на промежуточном уровне. Вернуться на исходную, основную орбиту электрон теперь не может. Чтобы выбраться из «ямы», электрон должен приобрести растерянную им часть энергии, подняться на уровень возбуждения, а затем скачком вернуться в исходное состояние. Такой сложный путь требует времени для выполнения, поэтому метастабильное возбужденное состояние сохраняется значительно дольше обычного. При высокой температуре раствора недостающая для разрядки метастабильного состояния энергия может быть легко получена за счет теплового движения молекул. Но при низкой температуре или стеклообразном состоянии раствора разрядка затруднена, поэтому метастабильное состояние и фосфоресценция сохраняются особенно долго.

Рассмотренные нами виды послесвечения имеют различную физическую природу, но внешне сходны. В отличие от рассмотренного в одном из предыдущих разделов этой главы температурного свечения, спектральный состав которого зависит от температуры источника и с ростом ее изменяется в соответствии с законом Вина, флуоресценция и фосфоресценция должны быть отнесены к холодному свечению, или люминесценции [Люминесценция (от греческого «люмен» — свет) — это всякого рода надбавка над температурным свечением источника.], и носят общее название фотолюминесценции, ибо причиной их возникновения является поток фотонов — свет.

Фотолюминесценция широко используется на практике. Улицы наших городов, многие общественные здания и учреждения освещаются лампами дневного света, работающими по принципу фотолюминесценции. Находящиеся в электрическом поле пары ртути испускают главным образом ультрафиолетовые лучи. Если на внутреннюю поверхность стеклянной трубки предварительно нанесен слой люминофора — вещества, превращающего кванты ультрафиолета в меньшие по величине фотоны видимого света в соответствии с правилом Стокса, такая лампа при одинаковой мощности потребляемого тока дает в 3—4 раза больше света, чем обычная лампа накаливания. Путем подбора люминофоров ученые добиваются приближения спектра излучения люминесцентных ламп к спектральному составу дневного света.

В нашей стране выпускают в настоящее время люминесцентные лампы четырех типов: дневного света (ДС), холодно-белого света (ХБС), белого (БС) и тепло-белого света (ТБС). Во всех лампах возбуждает люминесценцию резонансная линия паров ртути с длиной волны 2537 А. Стеклянная трубка лампы изнутри покрывается тонким слоем люминофора — галофосфата кальция, активированного сурьмой или марганцем. Изменяя соотношение компонентов, получают 4 названных типа ламп. Излучение ламп дневного света голубовато-белое, соответствует тепловому излучению источника с температурой 6500°С; свет ламп холодно-белого света — 4200°С, белого — 3500°С, тепло-белого (белого с розовато-оранжевым оттенком) — 2700°С. Сейчас более половины светового потока, создаваемого искусственными источниками света, производится люминесцентными лампами. Наряду с высокой экономичностью им присущи малая яркость и слепимость, а также другие ценные качества. Один из недостатков — так называемый стробоскопический эффект — обусловлен тем, что свечение люминесцентных ламп — это по существу ряд вспышек, следующих друг за другом каждую сотую долю секунды, т. е. соответствующих половине периода переменного тока, питающего лампу. При малейшем падении напряжения (а они неизбежны при питании переменным током) лампа гаснет. Спираль лампы накаливания за сотую долю секунды не успевает остыть, а свечение люминесцентной лампы успевает исчезнуть и вновь зажечься. Поэтому движущиеся предметы в свете таких ламп мы видим не плавно перемещающимися, а мелькающими. Устраняют эффект соединением нескольких ламп в одном светильнике.

Явление послесвечения органически связано с процессом поглощения световых квантов. Но существуют и другие виды холодного свечения.

Кат од о люминесценция — свечение газов, порошков, кристаллов под влиянием быстродвижущихся электронов, разгоняемых электрическим полем. Таковы, например, полярные сияния, возникающие при вторжении в атмосферу электронов солнечного ветра, солнечных вспышек.

Под словом электролюминесценция понимают свечение разреженных газов в электрическом поле дугового или тлеющего разряда. Причиной свечения является возбуждение частиц газа электронами, которые под влиянием разности потенциалов приобретают большую скорость и энергию. В отличие от катодолюминесценции в данном случае электроны не вводятся извне, а вырываются силами электрического поля из атомов самого светящегося газа. На этом принципе работают все газосветные лампы: и те, которые используются для световых реклам (в них светятся инертные газы неон, аргон, криптон и др.), и ртутно-кварцевые лампы, дающие ультрафиолетовые лучи, и другие лампы, применяемые в физиотерапии, и водородные лампы с непрерывным спектром излучения. Неоновые трубки дают оранжевое свечение, гелиевые — желтое, аргоновые со ртутью — синее, аргоновые со ртутью в желтых трубках — зеленое. Белесоватое свечение дают пары ртути и углекислый газ. Газовый разряд в парах ртути при низком давлении дает линейчатое излучение в основном с длинами волн 1849 и 2537 А. Кварцевые трубки пропускают вторую линию. Такие лампы называются бактерицидными, так как ультрафиолетовые лучи в области 2500—2650 А губительны для микроорганизмов. При увеличении давления паров ртути и использовании трубок из увиолевого стекла получают длинноволновое ультрафиолетовое излучение (2804 и 3130 А). Такие лампы называются эритемными — они вызывают покраснение кожи и загар.

Сернистый цинк, особенно при добавке серебра, меди или марганца, светится под влиянием приложенного переменного электрического поля. Это явление используется для создания больших светящихся поверхностей, для сигнализации, в целях рекламы и т. п.

Явления катодо- и электролюминесценции находят широкое применение в технике. Электронный луч в кинескопах — электронно-лучевых трубках телевизоров скользит по экрану, покрытому люминофором, перемещаясь по горизонтали и вертикали под влиянием магнитных и электрических полей (рис. 15), давая изображение.

Сходную физическую природу имеет свечение, возникающее под влиянием процессов радиоактивного распада и рентгеновского излучения (радиолюминесценция). Возникающие при распаде ядер частицы (протоны, а-частицы, электроны и др.) непосредственно ведут к возбуждению и ионизации атомов некоторых веществ. Свечение вызывают также выбитые ими и рентгеновскими квантами электроны. Каждая ионизирующая частица вызывает самостоятельную вспышку света. Поэтому специальными кристаллами, светящимися под влиянием таких частиц, пользуются для измерения количества распадов, дозы излучения. Счетчики излучения с такими кристаллами называются сцинтилляционными (от латинского слова сцинтилла — искра, вспышка). Рентгеновские люминесцирующие экраны делают видимым невидимое изображение, создаваемое рентгеновскими лучами, прошедшими через тело больного, позволяют сразу видеть больной орган. Одновременно они защищают врача от облучения.

Светящиеся составы, содержащие в качестве источников радиолюминесценции ничтожное количество радия или тория, используют для изготовления светящихся циферблатов часов. Благодаря длительности процесса распада радия подобное свечение сохраняется без изменений сотни лет.

Свечение, возникающее при трении некоторых веществ, например при раскалывании кусков рафинада,— триболюминесценция — и при раздавливании некоторых кристаллов — кристаллолюминесценция — является результатом возникновения статических электрических полей на трущихся поверхностях или в местах разлома. При разряде статического электричества возникает ультрафиолетовое излучение, которое и есть непосредственная причина люминесценции.

Источником энергии для свечения могут служить разнообразные химические реакции, главным образом реакции окисления. Примерами такого свечения — хемилюминесценции — являются окисление фосфора (изделия из фосфорита длительное время светятся и в темноте), свечение гнилых пней.

Наибольший интерес для нас, конечно, представляет свечение живых организмов — биолюминесценция. Это явление широко распространено среди различных форм живого: есть светящиеся бактерии, жуки-светляки, ракообразные, моллюски, многощетинковые, морские черви, грибы, простейшие, рыбы.

Всего насчитывается 245 светящихся видов животных, в том числе 20 видов простейших, 51 — кишечнополостных, 47 — моллюсков, 19 — кольчатых червей, 40 — членистоногих, 60 — хордовых. Таким образом, светящиеся виды встречаются на всех уровнях организации животного мира, от одноклеточных до рыб. Свечение животные используют для отыскания особей другого пола. Жуки-светляки, приближаясь, сигнализируют на расстоянии в сотни метров вспышками с ритмом в 1 минуту.

Морские черви, обитающие у Багамских островов, всплывают для размножения после заката Солнца, но до восхода полной Луны, и отыскивают друг друга по свечению. Эти огоньки были приняты Колумбом в октябре 1492 г. за огни на берегу. Вспышки живого света— отличное средство защиты, отпугивания врагов. От света уползают даже змеи. И индейцы, привязывая светляков к пальцам ног, успешно используют это свойство живого света. Наконец, освещение весьма полезно при отыскании добычи. Однако у многих видов свечение, очевидно, никак не связано с физиологическими функциями.

Несмотря на различие светящихся организмов и веществ, участвующих в окислении, механизм свечения в большинстве случаев сходен. Восстановленное, богатое водородом органическое соединение — люциферин (от греческого слова «люцифер» — светоносный) — соединяется с кислородом при участии фермента люциферазы.

Люцифераза в 100 раз повышает скорость окисления люциферина и в 100 тыс. раз — выход люминесценции. Люциферин — производное бензотиазола, горючее процесса люминесценции, имеющее такую структуру:

Люцифераза же определяет суть, специфику процесса, делает его биологически значимым.

Однако у медуз свечение возникает без участия ферментов, при контакте особого белка экварина с ионами кальция. Нередко для возникновения живого свечения нужен еще один компонент, кроме люциферина, люцифе-разы и кислорода (свободного или связанного). Это АТФ (аденозинтрифосфат) — основное звено энергетики живого. Достаточно присутствия 10^-9 г АТФ, чтобы в растворе люциферина — люциферазы возникла вспышка свечения. Такой «космический фонарик» может быть использован для обнаружения жизни на других планетах, ведь АТФ — непременная деталь механизма жизни в земном понимании. В процессе быстрого окисления молекулы люциферина приходят в возбужденное состояние и отдают избыточную энергию в виде света с длиной волны 4600—5600 А (сине-зеленая область спектра). Иногда излучение находится в желтой и даже в красной области спектра. Такое свечение — разновидность хемилюминесценции.

До сих пор мы рассматривали только живое свечение в видимой области спектра, да и то настолько интенсивное, что оно улавливается простым глазом. Но если снять оба этих ограничения, то оказывается, что все живые ткани, у всех живых существ, от медузы до человека, являются источником свечения. Оно настолько слабо, что обнаружить его удается только с помощью очень чувствительных электронных приборов. Советский ученый Ю. А. Владимиров дал этому свечению заслуженное название «сверхслабое».

Сверхслабые свечения обнаруживаются и в видимой, и в ультрафиолетовой, и в инфракрасной областях спектpa. Все они, по-видимому, возникают за счет энергии окисления органических соединений. Следовательно, это тоже разновидность хемилюминесценции.

Чтобы отличить сверхслабое свечение от люциферин-люциферазной реакции, его назвали биохемилюминесценцией. Более подробно она рассматривается в следующей главе. Но и по существу химического механизма, и по происхождению сверхслабые свечения и люциферин-люциферазная реакция — это разновидности биолюминесценции — свечения живых тканей.

О происхождении биолюминесценции современная наука выдвигает смелое предположение. В период зарождения жизни на Земле господствовали восстановительные условия. Кислород в атмосфере появился позже благодаря процессу фотосинтеза. Следовательно, первые живые организмы на Земле не только не нуждались в кислороде, они в нем не размножались. (И сейчас немало есть микроорганизмов, живущих в бескислородных условиях; присутствие кислорода в среде, где они живут, останавливает развитие и размножение таких микроорганизмов.)] С появлением зеленых растений в атмосфере начал накапливаться свободный кислород. Из организмов, приспособленных к бескислородным условиям существования, выживали те, которые вырабатывали какие-то способы удаления кислорода из своего тела. Связывание кислорода специально накопленными органическими соединениями, высвечивавшими затем свою избыточную энергию (явление биолюминесценции), способствовало выживанию организмов в новых условиях жизни. Таким образом, четвертая, а по времени возникновения и по универсальности распространения первая функция биолюминесценции — сброс избыточной энергии возбуждения и нейтрализация свободного кислорода. Свечение различных представителей животного мира — это своего рода рудиментарный признак, который лишь на более поздних этапах эволюции нашел новое применение.

Люминесцентный анализ в науке и технике

Использование явления люминесценции дало ценные результаты в разных областях науки и практической деятельности людей. Люминесцентный анализ состава и чистоты веществ, природы примесей и включений широко применяется в химии, биохимии, биологии, медицине, геологии и т. п. По чувствительности, удобству использования и быстроте получения результатов он не имеет себе равных. Люминесцентный анализ позволяет обнаруживать примесь в концентрации 10^-10 г в 1 г вещества, если эта примесь люминесцирует. Но такой способностью обладают практически все органические соединения, особенно с ароматической структурой. Простейший тип анализа позволяет фиксировать неоднородность пробы, присутствие примеси (например, фальсификацию пищевого продукта, смешение разных сортов продуктов, определение границ распространения кожных заболеваний и т, п.). Качественный люминесцентный анализ состоит в сопоставлении полученного спектра свечения (после освещения пробы ультрафиолетовой лампой с отфильтрованным видимым свечением) со спектрами веществ-эталонов и в установлении природы (идентификации) анализируемого вещества. Количественный люминесцентный анализ более сложен, требует учета количества возбуждающего света, учета присутствия тушащих примесей и т. п.

В промышленности люминесцентный анализ применяется для контроля сырья, чистоты конечных продуктов химического синтеза, выплавляемого металла, в производстве полупроводников. В медицине — для определения присутствия канцерогенных веществ (например, 3,4-бенз-пирена) в пищевых продуктах, воздухе, воде. С помощью люминесцирующих красителей (флуорохромов) удается прижизненно наблюдать состояние ядра, хромосом, ядрышка и других деталей в клетках, отличать в ткани живые клетки от погибших. В геологии флуорохромы применяют для обнаружения залегания урановых и вольфрамовых руд, обладающих сильной люминесценцией, для выявления алмазов в породе (люминесцирующих в невидимых рентгеновских лучах), для распознавания следов нефти, битумов и изучения их состава и т. п.

Применение дневных люминесцентных красок дало хорошие результаты при оформлении различных сигнальных знаков (дорожных), витрин магазинов, рекламных объявлений, лобовой части локомотивов, автобусов, фюзеляжей самолетов и т. п. Их необычайная яркость объясняется тем, что они не только отражают часть видимых лучей (подобно обычным красителям), но и превращают в видимый свет часть поглощенных коротковолновых лучей Солнца. Поэтому люминесцентные краски некоторое время светятся в темноте. При использовании ультрафиолетовой подсветки, невидимой глазом, люминесцентные краски дают необычайно яркие и контрастные изображения (костров и пожаров, звезд на черном небе и т. п.), позволяют, меняя освещение, превращать зимний пейзаж в летний и т. п.

С помощью стекол, активированных уранилом или церием, очень удобно выявлять наличие невидимого ультрафиолетового излучения (свечения). Возбужденные люминофоры гасятся инфракрасными лучами и также их обнаруживают.

Мы рассмотрели немало сложных вопросов: какова природа света, как он возникает, распространяется, отражается, преломляется, поглощается, к каким результатам приводит взаимодействие света с веществом. Ознакомившись с особенностями видимого света, со строением красителей и пигментов, мы немало узнали о том, какое место занимает свет в возникновении и развитии жизни на Земле, в практической деятельности человека.

Однако солнечный луч, луч жизни — это не только дневной свет, не только полоска видимого глазом спектра. В обе стороны от него простираются невидимые излучения, которые, так же как и видимый свет, оказывают на органический мир разностороннее влияние. Об этих «соседях» видимого света мы и продолжим свой рассказ.