ХОЛОДНЫЙ СВЕТ

ЧТО ЖЕ ТАКОЕ «ХОЛОДНЫЙ» СВЕТ

Ак уже говорилось, «холодное» свечение различных тел, происходящее почти без нагревания этих тел, назы­вается люминесценцией; тела, способные излучать «холод­ный» свет, называются люминофорами.

Характерная особенность люминесценции заключается в том, что люминесцирующее тело (люминофор), получив ка­ким-нибудь образом энергию извне, не сразу излучает свет. Между моментом получения им энергии и излучением происходит задержка. Свет, излучаемый люминофором, может возникать «за счет» любого вида энергии. В связи с этим имеются разные виды люминесценции.

Люминесценция может быть вызвана трением, ударом, то есть возникнуть «за счет» механической энергии. Так, если положить на наковальню несколько желтых кристал­ликов азотнокислой соли урана и ударить по ним молот­ком, кристаллы «вспыхивают» красивым зеленым светом. Здесь мы имеем дело именно с «холодным светом»; кри­сталлы «вспыхивают» не потому, что они разогреваются от удара. Если вынести кристаллы на мороз и повторить опыт, то они будут давать еще более яркие вспышки све­та. Люминесценция, полученная под действием удара или трения, называется триболюминесценцией.

Некоторые тела излучают свет под действием невиди­мых для глаз лучей Рентгена; в этом случае мы имеем рентгенолюминесценцию.

Экран телевизора светится под действием падающих на него электрически заряженных частиц — электронов; это так называемая катодолюминесценция.

Во всех этих случаях вещество, излучающее свет, поч­ти не нагревается.

Однако особо важным и интересным видом люминесцен­ции является фотолюминесценция, при которой свет полу­чается «за счет» энергии света же, когда «один вид» света превращается в другой его вид. Свет, который излу­чается люминофором, качественно отличается от света, ис­пускаемого облучающим источником. В нашей книжке мы и будем говорить преимущественно о фотолюминесценции, имеющей большое практическое значение.

Свечение различных веществ под действием падающего на них света происходит не только во время облучения, но и некоторое время после прекращения облучения; это яв­ление называется послесвечением.

Некоторые кристаллические вещества обладают способ­ностью давать довольно длительное послесвечение (про­должающееся несколько часов). Их называют кристалло - фосфорами. Такими веществами являются, например, сер­нистый цинк и сернистый кальций, содержащие некоторые примеси. Порошок сернистого цинка, содержащий ничтож­ные примеси меди, облученный ярким солнечным светом и перенесенный затем в темную комнату, светится голу­бовато-зеленым светом. Если этот порошок приготовлен технически правильно, то есть содержит необходимое ко­личество меди, не содержит нарушающих свечение при* месей и т. д., он будет светиться несколько часов и ос­вещать окружающее пространство тускловатым светом, при котором можно различать предметы.

Сернистый цинк или сернистый кальций как бы «запа­саются» на время солнечным светом, а потом отдают его в темноте. Эти вещества являются своеобразными аккуму­ляторами, кладовыми солнечной энергии.

Цвет свечения таких веществ зависит от того, какой именно металл применен в качестве примеси к основному веществу, а также от способа приготовления люминофора. У сернистого цинка, например, цвет свечения может ме­няться от красного до синего.

Впервые светящееся вещество — люминофор — пригото­вил еще в XVII веке итальянский сапожник Винченцо Кас - карола из города Болоньи. Каскарола прокалил кусок ми­нерала тяжелого шпата и затем охладил его. При этом оказалось, что кусок светится в темноте после того, как он предварительно был освещен солнечным светом.

Вокруг нас в природе имеется большое количество тел, поглощающих свет и в то же время почти не нагреваю­щихся при этом, то есть пребывающих в тепловом равно­весии со средой, в которой они находятся. В этом случае тела, поглощающие свет, обязательно должны излучать энергию, иначе равновесие тотчас же нарушилось бы. Чтб они будут излучать, какие волны, — это уже другой во­прос. Это будет зависеть от температуры излучающего тела. Однако для того чтобы равновесие сохранилось, обяза­тельно необходимо, чтобы поглощающие свет тела сами излучали. Но все это верно только для теплового излуче­ния, только для тепловых источников света.

Совершенно иначе обстоит дело при «холодном» свече­нии — люминесценции.

Люминесцирующее вещество, например сернистый цинк, не находится в тепловом равновесии со средой. Конечно, и оно не может излучить больше энергии, чем то коли­чество ее, которое оно получило ранее от облучения его светом, от трения, электризации и т. д., иначе нарушил­ся бы закон сохранения энергии. Но люминесцирующие вещества, получая энергию извне, отдают затем ее в фор­ме видимого света.

Люминофор испускает свет иного состава, нежели тот, которым он б. ыл облучен. В веществе люминофора происходит трансформация, превращение света. Особенно важно, что такие вещества лишь в ничтожной мере рас­ходуют задержанную ими энергию на бесполезные для освещения тепловые движения частиц вещества. Главную часть той энергии, которую они накопили, они рано или поздно превращают в свет.

У люминофоров есть еще одно очень важное преиму­щество перед тепловыми источниками света. Дело в том, что все тепловые источники света, кроме Солнца, испускают большую часть лучей таких длин волн, которые совсем невыгодны для глаз. Наш глаз приспособился к солнечному свету, этот свет для глаза привычнее всего.

Большую часть своей энергии Солнце излучает в виде электромагнитных волн от 0,8 до 0,4 микрона длины, то есть в форме видимого света. Совершенно иначе ведут себя все остальные тепловые источники света. Большая часть испускаемой ими при излучении энергии приходится на такие участки спектра, которые не могут быть полно­ценными для наших глаз. Это объясняется тем, что мы не можем нагреть наши тепловые источники света до до­статочно высокой температуры. Чем ниже температура теплового источника света, тем больше он излучает ин­фракрасных лучей. Если мы будем повышать температуру излучателя, он начнет давать все больше красных лучей, затем оранжевых; при дальнейшем нагревании его свечение будет сдвигаться в область желтых лучей, причем он будет давать все больше и больше лучей, воспринимаемых на­шими глазами как свет. Для того чтобы основная часть излучения приходилась на видимую часть спектра, как это имеет место у Солнца, нужно иметь источник света, нагретый до 6000 градусов. Но до такой высокой темпе­ратуры мы пока не можем нагреть ни одно тело, которое практически можно было бы использовать для освещения. Раскаленный добела вольфрамовый волосок в электрической лампочке имеет температуру всего 2700 градусов. Поднять ее значительно выше нельзя, так как тогда вольфрам будет частично испаряться, а затем и плавиться.

Во Всесоюзном электротехническом институте были изготовлены лампы с нитью из карбида тантала; такая нить выдерживает температуру до 4500 градусов, причем, конечно, получается свет, более близкий к солнечному, чем свет обычных лампочек с вольфрамовым волоском.

Но пока такие лампы еще непрактичны по ряду причин.

Как же приготовить источник искусственного света, у которого состав лучей был бы такой же, как у Солнца, или хотя бы близкий к нему?

На помощь и приходят светящиеся составы — люмино­форы. В наших руках имеется огромный выбор люмино­форов, излучающих самые разнообразные лучи различных длин волн. Мы можем подбирать по желанию и получать от них свет желаемого состава. Можно подобрать люми­нофоры так, что они будут излучать свет, очень близкий по составу к солнечному.

С тепловыми источниками света мы этого сделать не можем: состав их излучения зависит от их температуры. Состав же лучей источников «холодного» света от темпе­ратуры не зависит.

Остановимся несколько подробнее на том, что проис­ходит при трансформации света в веществе люминофора. Для того чтобы лучше разобраться в этом ицтересном явлении, необходимо познакомиться с учением о квантах.

До сих пор мы говорили, что свет — это поток электро­магнитных волн. Но такое определение не отражает всех свойств света: он является одновременно и потоком особых материальных «частиц» — фотонов, или квантов света. Свет излучается и поглощается веществом не непре­рывно, а всегда только отдельными порциями — квантами. Ни один атом не может получить или отдать количество энергии меньшее, чем целый квант ее. Одно тело может передать другому один, два, три кванта, но не может, например, передать два с половиной кванта, так как кван­ты энергии не делятся.

Величина энергии квантов света не одинакова: чем больше колебаний в секунду совершает электромагнитная световая волна, тем больше энергия каждого кванта.

Как вы уже знаете, в видимой части спектра самые длинные волны у красного света, а самые короткие — у фиолетового. Значит, квант красного излучения несет мень­ше энергии, чем квант фиолетового излучения.

Что же происходит с квантами света в веществе лю­минофора?

Поместим в фиолетовую полоску спектра люминофор и подержим его там несколько минут. Затем закроем шторы в комнате. Мы заметим, что люминофор светится. Но, оказывается, излучает он не фиолетовые лучи, то есть не такие, какими мы его облучали, а красновато-оранже - вые или зеленые. Значит, люминофор не только поглотил солнечную энергию, но еще и преобразовал ее. При этом люминофор отдает то же количество квантов энергии, ко­торое он захватил. Каждому излучаемому кванту соответ­ствует один поглощенный, но излучаемые люминофором кванты несут меньше энергии, чем поглощаемые им. Таким образом, при этом превращении квантов люминофор как бы «присваивает» себе некоторую часть энергии. Эта часть энергии превращается в тепло и не может быть исполь­зована для освещения. Как видим, и тут не обходится без потерь, но потери в случае «холодного» свечения го­раздо меньшие по сравнению с потерями, происходящими в тепловых источниках света, где большая часть погло­щенной источником энергии превращается в тепло.

Особенно интересны случаи, когда люминофор погло­щает кванты невидимых ультрафиолетовых лучей и пре­образует их в кванты видимого света. Солнечный свет содержит очень много ультрафиолетовых лучей, и, если воздух чист и прозрачен, значительная часть их попадает на земную поверхность.

Если облучить люминофор этими невидимыми лучами, он будет светиться, излучая лучи видимые. Таким обра­зом, люминофор превращает невидимый свет, который не может быть использован для освещения, в свет, видимый нашими глазами: синий, голубой, зеленый и т. д.

Каким именно светом будет светиться люминофор, за­висит от того, из каких веществ он приготовлен и от способа его приготовления.