9 місяців тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

В 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 части 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).

В точке 1 электрон покинул атом, а в точке 2 присоединился к свободному иону...

В точке 1 электрон покинул атом, а в точке 2 присоединился к свободному иону…

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. Люминесцирующие 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, по-видимому, 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 закону 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 (Разумеется, первоначальная формулировка закона Стокса была дана на языке волновой теории. По этой формулировке свет лю­минесценции всегда имеет длину волны, большую, чем свет, вызываю­щий люминесценцию).

Открытка с применение светящихся красок...

Открытка с применение светящихся красок…

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 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-ва 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.