СВЕТЯЩИЕСЯ ТРУБКИ

«ХОЛОДНЫЙ СВЕТ»

суровые годы Великой Отечественной войны на улицах затемнённых городов часто можно было встретить прохожих, у которых на пальто или на шапке светился бледный зеленоватый кружок. Делалось это для того, чтобы в глубокой мгле затемнённого города не наткнуться друг на друга. Кружки, намазанные специальным соста­вом (по большей частд сернистым цинком), при дневном или электрическом свете «заряжались», то есть запасали некоторое количество световой энергии, которую они за­тем постепенно «отдавали» в темноте.

Такого рода «запасание» света известно давно. Уже несколько сот лет назад был открыт ряд веществ, которые после предварительного освещения способны светиться в темноте. Некоторые из них сохраняли свечение только не­сколько секунд, другие— минуты, а были и такие, свече­ние которых в темноте было заметно несколько часов.

Явление «запасания» света с последующим его испу­сканием получило название явления фосфоресценции.

Слово фосфоресценция происходит от греческого слова «фосфор», что значит «светоносный». Вещества, способные фосфоресцировать, часто называют фосфорами (ударение на втором слоге) в отличие от фосфора — элемента, све­тящегося на воздухе благодаря медленному окислению.

Фосфоресценция очень схожа с другими явлениями «холодного света». К ним относятся и свечение лесных гни­лушек и светлячков, и свечение разреженного газа, когда через него проходит электрический ток, и свечение, возни­кающее при раскалывании куска сахара, и «брызги света», окружающие ночью купальщика в Чёрном море.

Все эти явления, которые носят общее название лю­минесценции, имеют разное происхождение, но обладают одной очень важной чертой; ни одно из них не требует высокой температуры, необходимой для так называемого температурного свечения. Мы знаем, что свет, получаемый при нагревании тел, возникает при повышении темпера­туры по крайней мере до нескольких сот градусов, а при люминесценции только в редких случаях для свечения нужно небольшое нагревание на несколько десятков гра­дусов. Обычно нагревание даже ослабляет свечение лю­минесценции. Более того, многие тела, которые при обыч­ных условиях не способны люминесцировать, при сильном охлаждении приобретают такую способность. Парафин, творог, обыкновенная булка и многие другие столь же обыденные вещества, охлаждённые в жидком воздухе (—180° С) и облучённые светом электрической дуги, по­сле помещения их в темноту долго излучают голубоватое сияние.

Не всегда при люминесценции свечение затягивается на долгий срок. Иногда затухание происходит очень бы­стро, в газах, например, за стомиллионные доли секунды. Однако во всех случаях люминесценции происходит иногда краткое, иногда длительное свечение после пре­кращения действия возбуждающего источника. Эта за­тяжка свечения и способность испускать свет при низкой температуре являются характерными отличительными чер­тами люминесценции.

На практике чаще всего применяются жидкие и глав­ным образом твёрдые люминесцирующие вещества (так называемые люминофоры). Они бывают органического и неорганического происхождения и обладают различными составами излучаемого света, различной длительностью свечения и т. д.

Так как строение твёрдых и жидких тел и расположе­ние их энергетических уровней гораздо сложнее, чем в отдельных атомах, то и само явление люминесценции в твёрдых и жидких телах оказывается более сложным, чем е газах, состоящих из отдельных атомов.

Исследования показали, что явление люминесценции в различных случаях протекает различным образом. Так, иногда электрон не уходит от своего «хозяина» — атома или молекулы, а лишь переходит на один из ближайших энергетических уровней, откуда затем очень быстро воз­вращается в нормальное состояние. В этих случаях нужны очень сложные методы, чтобы измерить длительность све­чения. Такую, почти мгновенно исчезающую люминесцен­цию называют обычно флуоресценцией.

В других случаях электрон способен «застревать» на повышенном энергетическом уровне. Тут необходимо внешнее воздействие, получение небольшой дополнитель­ной порции энергии для того, чтобы электрон мог снова вернуться в исходное нормальное состояние. Эти случаи можно уподобить попаданию камня в яму, расположен­ную на вершине горы. Чтобы камень мог скатиться с горы, надо его сначала выбить из ямы. (рис. 14),

Между «застреванием» электрона и его освобождением проходит неодинаковый промежуток времени. Поэтому излучение при возвращении электрона в нормальное со­стояние для разных электронов происходит в разные мо­менты и свечение можно наблюдать в течение заметного времени.

Последняя группа явлений люминесценции связана с полным отрывом электрона от своего «хозяина». Электрон

Долго бродит внутри вещества, пока ему не встретится случайно какой-нибудь атом, который, подобно его преж­нему «хозяину», лишён своего электрона (рис. 15).

При присоединении к новому «хозяину» и происходит испускание кванта света. Такой тип люминесценции ха­рактеризуется длительным свечением, поскольку проходит довольно большой промежуток времени, разный для раз­ных электронов, между отрывом электрона от одного ато­ма и присоединением его к другому.

Исследования показали, что часто исключительно важ­ную роль при этих процессах играют ничтожные при­меси посторонних веществ. Во многих случаях химиче­ски чистое вещество оказывается не способным к люми­несценции, но стоит к нему добавить подходящую примесь (обычно тяжёлые металлы: марганец, медь, серебро, вис­мут), в количестве, не превышающем иногда десятиты­сячной доли процента, как то же вещество становится сильным люминофором.

Внедряясь между правильно расположенными атомами кристалла основного вещества, атомы примеси нарушают эту правильность и приводят к появлению новых энерге­тических уровней, не свойственных основному веществу. Кроме того, посторонние атомы могут служить источни­ками тех электронов, которые способны возбуждаться све­том. Они могут также служить местом, куда электроны после возбуждения должны возвратиться.

В то же время мы знаем и примеси, вредные для лю­минесценции. Атомы таких примесей являются своеобраз­ной «ловушкой» для блуждающих электронов. Отсюда

Ясно, что при приготовлении люминофоров требуется ис­ключительная чистота исходных веществ.

Люминесценция твёрдых и жидких тел имеет ещё одно очень важное свойство. В то время как при люминесцен­ции отдельных атомов газа излучаются кванты со строго определёнными энергиями, а иногда и с какой-то одной энергией, люминесценция твёрдых и жидких тел отли­чается широким и непрерывным набором квантов, энер­гия которых заключена между определёнными для дан­ного люминофора значениями. Можно при этом подобрать такие вещества или смеси веществ, которые способны да­вать разные оттенки белого цвета.

Исследование люминесценции твёрдых и жидких тел представляет собой одну из наиболее сложных и увле­кательных задач современной физики. Ведущее место в этих исследованиях занимают труды советских физиков (академ. С. И. Вавилова, В. В. Антонова-Романовского, В. Л. Лёвшина, В. А, Фабриканта, П. П. Феофилова), которым принадлежат наиболее важные эксперименталь­ные работы в этой области и разработка основных вопро­сов теории.

Большой размах за последние годы получило прак­тическое использование люминесценции. Люминесцирую - щие составы применяются для светящихся циферблатов часов и приборов для воздушной и морской навига­ции, для экранов телевизоров и радиолокационных трубок.

Недавно появился новый вид применения люминесцен­ции — люминесцентный анализ, который позволяет обна­руживать ничтожные количества различных веществ. Ука­жем, наконец, ещё на применение люминесценции в жи­вописи, архитектуре и театре. С помощью светящихся красок удаётся подчас добиться большого сценического эффекта.

Энергия, излучаемая при люминесценции, приобре­тается люминофорами различным способом. В одних слу­чаях источником энергии служит медленно протекающая химическая реакция. Так светится белый фосфор, такого же происхождения, повидимомуг и свечение гнилушек. В других случаях энергию сообщает быстрый электрон. Как мы уже знаем, это происходит при прохождений электрического тока через газ. Под действием ударов электронов светятся и экраны телевизоров. Нас особенно интересует тот случай, когда свечение люминесценции возбуждается светом же.

Первый основной закон, которому подчиняется люми­несценция под действием света (так называемая фотолю­минесценция), заключается в том, что свет только в том случае вызывает люминесценцию, когда он способен по­глощаться люминофором. Совершенно очевидно, что этот закон вытекает непосредственно из закона сохранения энергии. Ведь для того чтобы вещество могло светиться, оно должно откуда-то приобрести энергию. Если же па­дающий свет целиком отражается или проходит насквозь, то вещество никакой энергии не приобретёт.

Квантовая теория позволяет легко установить и второй основной закон фотолюминесценции. Согласно этому за -

Кону энергия кванта того света, который вызывает лю­минесценцию, должна быть больше или в крайнем случае равна энергии кванта света, излучаемого при люминесцен­ции. Этот закон был на опыте установлен английским фи­зиком Стоксом около ста лет назад, ещё до возникнове­ния квантовой теории [38]).

Так как по закону Стокса энергия возбуждающих кван­тов должна быть больше энергии излучаемых, то с по­мощью люминесценции мы получаем возможность преоб­разовывать невидимый ультрафиолетовый свет в видимый. Следует сразу заметить, что такое преобразование сопро­вождается заметным уменьшением практически исполь­зуемой доли энергии. Разница между энергией возбуж­дающего кванта и энергией излучаемого бесследно пропа­дает для освещения, потому что, как правило, эта раз­ность превращается в тепло, которое в данном случае нам совершенно бесполезно.

Возникает вопрос, нельзя ли более экономно исполь­зовать возбуждающие кванты, иначе говоря, нельзя ли взамен одного ультрафиолетового кванта получить два или более квантов видимого света. Разумеется, при этом полностью должен соблюдаться закон сохранения энер­гии; в данном случае это означает, что суммарная энер­гия получаемых квантов не должна превышать энергию возбуждающих.

Учёные долго считали, что при люминесценции на каж­дый возбуждающий квант приходится только один излу­чаемый. Но энергия первого - больше, чем энергия второго, значит, всегда получается потеря полезной для нас све­товой энергии и превращение части её в тепло.

Однако советские физики В. А. Фабрикант и Ф. А. Бу­таева получили данные, говорящие в пользу того, что при люминесценции взамен одного кванта с большой энер­гией иногда получаются два кванта с меньшей. Если такой «размен» одного крупного кванта на два более мелких действительно имеет место, то он может значительно по­высить предельную экономичность превращения энергии при люминесценции.

Ознакомившись с явлением люминесценции, мы можем теперь указать способ, с помощью которого свечение, воз­никающее при прохождении тока сквозь газ, превращается в свет желательного состава. Для этого необходимо,

Чтобы в лампе имелся люминофор (или смесь люминофо­ров), дающий нужный нам свет, когда на него падают кванты с соответствующей энергией.

Необходимо, чтобы свечение газа содержало достаточ­ное количество таких квантов. Так как в излучении лю­минофора должны быть кванты всех участков видимого спектра, то излучение газа должно в основном иметь кванты ультрафиолетового света. Вот почему в качестве газа, заполняющего люминесцентную лампу, применяют пары ртути, в излучении которых значительную часть со­ставляют кванты с энергией 4,9 и 6,7 э-в.

При прохождении электрического тока через люминес­центную лампу в ней возникает интенсивное свечение, со­держащее главным образом эти кванты.

Сами по себе они для освещения не пригодны, но за­ставляют светиться белый порошок — люминофор, по­крывающий стенки трубки.

Как мы уже знаем, при прохождении электрического тока через разреженный газ энергия электрического тока с очень малыми потерями превращается в энергию излу­чения. Это обеспечивает высокую экономичность источ­ника света. Правда, заметная часть энергии затем для целей освещения утрачивается при превращении ультра­фиолетовых квантов в кванты видимого света, но зато мы получаем огромный выигрыш в качестве получаемого света.

Несмотря на потери, экономичность нового источника света оказывается значительно более высокой, чем у лю­бых температурных источников. Вместе с тем удаётся по­лучить источник, свет которого весьма близок к белому.

В люминесцентной лампе в качестве люминофора при­меняются главным образом различные соли вольфрамо­вой и кремневой кислоты (вольфраматы и силикаты) с до­бавкой около одного процента марганца. Подбирая раз­личные люминофоры и их смеси, можно получить излуче­ние различных оттенков с небольшим преобладанием красного цвета, голубоватого и т. д. Заметим здесь, что распространённое название люминесцентных ламп — «лампы дневного света» — принято в светотехнике только для определённого типа ламп с довольно строго заданным составом света.

Покрытие стенок люминофором может производиться разными способами, например наполнением трубки

Зэ

Жидкостью, в которой во взмученном состоянии находится мелкокристаллический порошок люминофора. В состав жидкости добавляется небольшое количество клеящего вещества, для того чтобы порошок лучше приставал к стенкам.

Слой люминофора на стенках не должен быть слиш­ком тонким, для того чтобы ультрафиолетовое излу­чение разряда по возможности полностью поглотилось в нём. В то же время он не должен быть и слишком тол­стым, иначе излучаемый им свет будет по дороге ча­стично поглощаться в нём самом.

Мы уже говорили, что в лампе, кроме капелек ртути, находится ещё и инертный газ — аргон. Добавлять его приходится потому, что при комнатной температуре плот­ность паров ртути слишком мала и разряд зажечь трудно.

Электроны, покидая катод, двигались бы в лампе, встречая так мало атомов ртути, что почти не произво­дили бы необходимой ионизации. Если же в лампу ввести некоторое количество аргона, то при включении лампы вначале возникнет разряд в аргоне. После этого, в процес­се прохождения тока, трубка несколько нагревается и на­ходящаяся в ней капля ртути испаряется, создавая нуж­ную плотность паров.

Благодаря тому, что атомы ртути ионизуются зна­чительно легче, чем атомы аргона (напомним, что энер­гия ионизации ртути 10,4 э-в, а аргона 15,7 э-в), при нор­мальной работе лампы после ее нагрева аргон почти не принимает участия в разряде. Не принимает он участия и в свечении. Таким образом, если в первый момент за­жигания лампы главную роль играет аргон, то в горящей лампе всё происходит так, как будто бы в ней нет ничего, кроме паров ртути.