ХОЛОДНЫЙ СВЕТ

ИСТОЧНИКИ «ХОЛОДНОГО» СВЕТА

А улицах больших городов теперь часто можно видеть в окнах магазинов, на вывесках и рекламах длинные стеклянные трубки, излучающие по вечерам красивый мер­цающий красный, голубой или зеленоватый свет.

Светящиеся рекламные трубки — один из самых ранних способов применения «холодного» света. Впервые такую трубку (точнее, светящийся шар) удалось сделать велико­му русскому ученому М. В. Ломоносову. Он взял стеклян­ный шар, впаял в него два железных стерженька, затем откачал при помощи насоса часть воздуха из шара и подвел к стерженькам проводники от источника электрического тока высокого напряжения. Под действием электрического тока разреженный воздух в шаре светился мерцающим светом. Это свечение было похоже на тот мерцающий свет, который появляется на небесном своде во время по­лярных сияний. М. В. Ломоносов предположил, что при­чина образования полярных сияний и появления мерцающего света в его шаре одна и та же — действие электричества на газы[14]).

В двадцатых годах прошлого столетия трубки с разре­женными газами под названием «гейслеровых» (по имени ученого Гейслера) появились в физических лабораториях.

Газоразрядная трубка представляет собой длинную стеклянную трубку, запаянную с обеих концов. В трубку впаяны металлические стерженьки — электроды. Прежде чем трубку зацаять, из нее откачивают воздух, а затем впускают в нее очень немного какого-нибудь газа: кисло­рода, окислов азота, углекислого газа, неона, аргона и т. д. Таким образом, газ в трубке находится под очень неболь­шим давлением. Если к электродам трубки приложить высокое напряжение, через трубку потечет электрический ток и газ в ней начнет излучать свет. В конце XIX века такие трубки применялись в Англии для освещения жилищ и рабочих помещений. Сооружали гигантские газоразряд­ные трубки, до 60 метров длиной, и наполняли их самыми различными газами, которые давали оранжевое, голубое, зеленое свечение. Эти трубки светились ярким светом, но для освещения комнат в жилых домах не годились, по­тому что требовали высокого напряжения, до 30 тысяч вольт; обращение с ними было опасно для жизни; кроме того, эти трубки сильно мерцали, и свет их имел всегда окраску, непривычную для глаз.

В такой газоразрядной трубке энергия, необходимая для люминесценции, берется за счет электрической энер­гии, подведенной к трубке. С отрицательно заряженного электрода трубки-катода при работе все время срываются электроны. Они соударяются с атомами газа, находяще­гося в трубке, возбуждают эти атомы, заставляют их электроны перескакивать с ближних к ядрам орбит на бо­лее отдаленные. Возбужденные электроны, возвращаясь в свое нормальное состояние, излучают свет той или иной длины волны.

Применяемые для реклам или для сигнализации газо­разрядные трубки нашего времени обычно содержат газы неон или аргон или смесь их. Неоновые трубки дают крас­ный свет, а аргоновые — голубой. При смешении газов в разных пропорциях излучается свет зеленоватый или ро­зовый. Кроме того, цвет свечения зависит от давления га­зов в трубках.

Газоразрядные трубки экономичнее обычных электри­ческих ламп с раскаленным вольфрамовым волоском. Но их мерцающий свет неудобен для освещения.

Лет двадцать пять назад впервые появились новые ис­точники «холодного» света — ртутные лампы. Они дейст­вуют подобно газоразрядным трубкам, только свет в них излучается не газами, а парами ртути. Возбуждение ато­мов ртути и здесь достигается электрическим током, но для этих ламп обычно не нужно особо высокого напряже­ния, они требуют обычного напряжения, которое дают го­родские электростанции (127 или 220 вольт).

Температура в таких лампах не очень высока: всего 400—500 градусов. Ртутная лампа имеет, как и обычная электрическая лампочка, волосок, но он выполняет здесь совсем иную роль. Волосок в ртутных лампах покрыт тон­ким слоем металла бария. Барий — элемент, атомы кото­рого очень легко теряют электроны, выбрасывая их в про­странство при нагревании. Когда волосок в ртутной лампе нагревается электрическим током, металл барий, находя­щийся на поверхности волоска, выбрасывает в простран­ство, наполненное парами ртути, огромное число электро­нов. Эти электроны и возбуждают атомы ртути. Быстро летящие электроны, выброшенные атомами бария, выби­вают электроны из атомов ртути. Атомы ртути, потеряв­шие в результате соударений электроны, становятся элек­трически заряженными, ионизируются. Благодаря боль­шому числу заряженных атомов газ в трубке проводит электрический ток и возбужденные атомы ртути начинают излучать свет.

Ртутные лампы дают синевато-зеленый свет, и, хотя они очень экономичны в сравнении с обычными электролам­пами, все же применять их для освещения жилищ или ра­бочих помещений неудобно и не безвредно. Свет их непри­вычен для глаз. Лица людей при этом свете кажутся зеле­ными, а губы — черными. Эти лампы излучают много ультрафиолетовых лучей, под действием которых начинают светиться многие окружающие тела, а также зубы, волосы, ногти и даже кожа человека, светится и хрусталик нашего глаза. Все помещение кажется наполненным голубоватым туманом.

Поэтому ртутные лампы применяют в настоящее время главным образом как источники ультрафиолетового излу­чения, например для облучения человеческого тела ультра­фиолетовыми лучами при некоторых заболеваниях. Для этой цели ртутную лампу делают не в стеклянной обо­лочке, так как стекло задерживает большую часть ультра­фиолетовых лучей, а в оболочке из кварца, который хо­рошо пропускает ультрафиолетовые лучи. Такие ртутные лампы в больницах обычно называют «кварцевыми лам­пами», а иногда — «горным солнцем», потому что солнеч­ный свет на горных высотах благодаря чистоте воздуха весьма богат ультрафиолетовыми лучами.

Несмотря на указанные недостатки ртутных ламп, не позволяющие применять их непосредственно для освеще­ния, именно они помогают разрешить важнейшую про­блему освещения: создать источники света, светящиеся такими же лучами, как Солнце. Эти источники света назы­ваются люминесцентными лампами (рис. 8, а).

Люминесцентная лампа представляет собой сочетание ртутной лампы с люминофорами. Такие лампы иногда не совсем правильно называют «лампами дневного света».

Устройство люминесцентной лампы довольно просто (рис. 8, б). Наиболее часто встречающаяся 15-ваттная люминесцентная лампа представляет собой стеклян­ную трубку диаметром до 4 сантиметров и длиною в 45 сантиметров. На вид трубка белая, как молоко, и кажется, что она сделана из матового стекла, на самом же деле стекло в ней обыкновенное, прозрач­ное, но на ее внутреннюю поверхность нанесен плотный слой белых кристаллов люминофора, придающий ей вид матовой.

Из трубки откачан воздух, и в нее впущено очень не­много газа аргона; кроме того, в ней находится капелька ртути, которая при разогревании электродов трубки пре­вращается в ртутный пар, заполняющий всю трубку.

С обоих концов в трубку вплавлены электроды, представ­ляющие собой спиральки из вольфрамовой проволоки, по­крытой окисью бария.

Лампа устроена так, что, когда мы ее включаем в элек­трическую сеть, ток проходит по ее электродам и раска­ляет их. Атомы бария, находящиеся на поверхности элек­тродов, начинают отдавать в пространство трубки свои электроны; последние устремляются к положительно за­ряженному электроду трубки — аноду. При своем движе-

Нии электроны сталкиваются с атомами ртути и аргона, которые от ударов электронов сами заряжаются, превра­щаясь в ионы. Электрический ток, который мы используем для освещения и других целей,— ток переменный, меняет свое направление 50 раз в секунду. Поэтому электроды трубки становятся по очереди то положительными, то от­рицательными— то анодом, то катодом, и ионы движутся попеременно то к одному, то к другому электроду трубки, в зависимости от знака их заряда и от знака заряда элек­трода. Ударяясь об электроды, электроны разогревают их. В конце концов (это совершается за 1—2 секунды) оба электрода нагреваются так, что разогревать их далее элек­трическим током уже нет никакой надобности. В этот мо­мент особый прибор, «стартер», прекращает подачу тока на разогревание электродов, и ток начинает идти не по проволочкам электродов, а прямо через трубку от одного электрода к другому. Условия для такого движения тока уже подготовлены, так как в трубке созданы потоки дви­жущихся электронов, вырывающихся из атомов бария, и потоки ионов — заряженных атомов ртути и аргона.

Теперь, когда в трубке создан непрерывный электриче­ский разряд, атомы и ионы ртути возбуждаются и испу­скают видимый и невидимый свет. Ультрафиолетовые лучи падают на кристаллы люминофора, находящиеся на вну­тренней поверхности трубки, и заставляют их испускать видимый свет, ярко освещающий пространство вокруг трубки. Для нанесения на внутреннюю поверхность трубки подбирается такой люминофор, чтобы состав испускаемых им лучей был близок к солнечному.

Во время работы лампы дневного света температура в ней не поднимается выше 50 градусов, причем если бы даже она повысилась или понизилась, излучение лампы не изменилось бы, так как характер излучения люминофоров почти не зависит от температуры; как уже говорилось, это одно из главных отличий источников «холодного» света от тепловых источников.

Подбирая соответствующим образом состав смеси лю­минофоров, можно изменить и спектральный состав излу­чения: делать свет лампы более желтым или более красным, по нашему желанию. Советские ученые разработали рецеп­ты получения люминофоров, которые дают свет необходимо­го состава.

Существует довольно много кристаллических веществ — люминофоров. Наиболее широкое распространение в каче­стве кристаллофосфоров получили сернистые соединения некоторых металлов: сернистый цинк, сернистый кальций, сернистый стронций и сернистый барий. Все эти вещества представляют собой белые или желтоватые порошки, со­стоящие из небольших кристалликов.

Однако чистый сернистый кальций, как бы тщательно мы его ни готовили, не будет светиться. Все эти соли ста­новятся способными к «холодному» свечению только в том случае, если к их кристаллам добавлено немного дру­гих веществ — активаторов. В качестве активаторов берут обычно соли различных тяжелых металлов: серебра, меди, церия, марганца, висмута, свинца. Содержание примесей во всем кристаллофосфоре составляет тысячные или даже десятитысячные доли процента. Если повысить их содер­жание, кристаллофосфбры не будут светиться.

Для приготовления хорошо светящегося кристаллофос - фбра все исходные вещества должны быть тщательно хи­мически очищены. Очистка веществ — задача очень нелег­кая, но это совершенно необходимо, потому что даже ни­чтожные следы некоторых посторонних веществ портят дело; так, например, ничтожные следы железа (гораздо меньшее количество его, чем то, которое обычно нахо­дится в питьевой воде) немедленно гасят люминесценцию у большинства кристаллофосфбров.

Тщательно очищенные вещества смешиваются, смесь их прокаливается в электрической печи при темпера­туре от 700 до 1500 градусов в особых тугоплавких тиглях (тигель — сосуд для прокаливания веществ, обыч­но это фарфоровая, графитовая или кварцевая чашечка с крышкой).

Наука нашего времени вполне выяснила вопрос о строении кристаллов [15]). Как мы знаем, кристаллы солей состоят из ионов, то есть электрически заряженных ато­мов различных элементов. Так, например, кристалл по­варенной соли — хлористого натрия — состоит из поло­жительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора. Ионы расположены в кри­сталле в определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку. Решетка имеет геометрическую форму куба, в углах которого сидят ионы натрия и хлора, чередующиеся между собой так, что каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, а каждый ион хлора — шестью ионами натрия. Места в решетке, занятые ионами, называются узлами решетки. Ионы в кристаллической решетке все время колеблются, но так, что при своих колебаниях они не задевают соседних ионов. В результате взаимодействия притягивающих и отталкивающих сил между ионами кристаллическая решетка сохраняется, и, чтобы разрушить ее, необходимо затратить энергию.

Различные соли имеют кристаллические решетки, раз­личающиеся между собой взаимным расположением ионов, расстояниями между ними и геометрической формой ре­шеток.

Некоторые ученые предполагают, что при прокалива­нии смеси веществ, служащей для приготовления кристал - лофосфора, ионы, составляющие кристаллическую ре­шетку основного вещества (сернистого цинка, сернистого кальция и т. д.), начинают сильнее колебаться, связи ме­жду положительными и отрицательными ионами в решетке ослабляются. Если после прокаливания смеси дать ей остыть вновь получается кристаллическая решетка, однако она получается уже не так строго «организованной», какой была до прокаливания. В образовавшейся теперь решетке имеются некоторые нарушения в расположении ионов: какой-нибудь из узлов решетки может оказаться вовсе не занятым ионом или же в узлы решетки могут внедриться атомы активатора и занять там места ионов основного вещества.

Кроме основного вещества и активатора, каждый кри - сталлофосфор должен содержать еще так называемый плавень. Плавнями служат обычно сравнительно легко­плавкие соли: поваренная соль, хлористый калий, бура, сернокислый натр и другие.

Роль плавня при изготовлении кристаллофосфоров еще не очень ясна, но, вероятно, она заключается в том, что плавень, уменьшая температуру плавления основного вещества, способствует расшатыванию его решетки и вне­дрению в нее атомов активатора, а также образованию «пустых», не занятых ионами узлов. Иногда составные ча­сти плавней вступают в химическое взаимодействие и с ионами активаторов, и с основным веществом люмино­фора. А в некоторых случаях после прокаливания смеси, из которой приготовляется люминофор, остатки плавня можно вымыть водою, потом высушить отмытый от плавня люминофор, и он не потеряет способности светиться. Та­ким образом, роль плавня, по-видимому, только вспомога­тельная — ослабление связей между ионами в кристалли­ческой решетке, а когда плавень выполнил свое дело, он может быть иногда даже совсем удален.

Подбирая соответствующие люминофоры и акти­ваторы, а также изменяя условия их приготовления, мы можем получать люминофоры с большей или мень­шей длительностью свечения и с соответствующим со­ставом излучений, который нам нужен для тех или иных целей.

В настоящее время наша промышленность выпу­скает люминесцентные лампы «дневного», «белого» и «теп­ло-белого» света. Лампы «дневного» света излучают свет, по составу очень близкий к тому, который мы на­блюдаем на открытом месте в облачный день, а лампы «тепло-белого» света дают «мягкий», лриятный для глаз свет, более близкий к свету обычных электрических лампочек, то есть более привычный для глаз в вечернее время.

Люминесцентные лампы гораздо экономичнее, чем обычные электрические лампочки накаливания: они пре­вращают в видимый свет от 10 до 20 процентов используе­мой ими электрической энергии. Конечно, это еще не очень много, но если мы вспомним, что обычная электрическая лампочка использует на излучение видимого света только 2—3 процента электрической энергии, то придется при­знать, что применение люминесцентных ламп является большим шагом вперед.

Свет люминесцентных ламп кажется сначала несколько необычным, но постепенно глаза привыкают к нему и го­раздо меньше утомляются, чем при свете обычных ламп, в котором много желтых и красных лучей.

Необходимо также добавить, что срок службы люми­несцентных ламп в 3—6 раз больше срока службы обыч­ных электрических лампочек накаливания.