Николай Глухов - Беседы о физике и технике

Понимание же сущности явлений люминесценции стало возможным лишь после того, как в начале нашего столетия возникли новые представления о процессах поглощения и излучения света на основе квантовой теории.

В ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ВНЕСЛИ ВКЛАД И СОВЕТСКИЕ УЧЕНЫЕ?

Выдающийся советский ученый и организатор науки акад. С.И.Вавилов (1891–1951) создал отечественную школу физиков, работающих в области люминесценции. В 1945–1951 гг. С.И.Вавилов был президентом Академии наук СССР, одним из главных редакторов Большой Советской Энциклопедии первого и второго изданий, первым председателем общества «Знание».

«Результаты всех трудов Сергея Ивановича Вавилова стали одним из основных фундаментов современного учения о люминесценции. На базе этого фундамента стало возможным одно из важнейших открытий современной физики — открытие излучения заряженных частиц сверхсветовой скорости». Эти слова принадлежат академику, лауреату Нобелевской премии П. А. Черенкову. Под «важнейшим открытием современной физики» он имеет в виду открытие в 1934 г. эффекта, получившего название эффекта Вавилова — Черепкова , при исследовании явления люминесценции. За открытие этого эффекта П. А. Черенкову в 1958 г. (акад. С.И.Вавилов к этому времени уже умер) была присуждена Нобелевская премия.

ОДНАКО МЕХАНИЗМ ЭФФЕКТА ВАВИЛОВА — ЧЕРЕНКОВА ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ?

Суть эффекта состоит в том, что при движении электронов в веществе со скоростью, большей скорости света в данной среде, возникает излучение, которое С. И. Вавилов, проанализировав опыт, поставленный его аспирантом П. А. Черенковым, сразу же отделил от подразумевавшейся люминесценции. Именно здесь проявились богатая эрудиция и глубокие знания в области люминесценции С. И. Вавилова, так как даже крупнейшая в то время парижская школа физиков прошла мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию (в том числе П. Кюри и М. Склодовская-Кюри).

СНАЧАЛА ВСЕ ЖЕ НАДО ВЫЯСНИТЬ, ЧТО ТАКОЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ…

В результате длительных исследований С. И. Вавилов дал определение люминесценции, которое теперь является общепринятым: люминесценцией называют избыток свечения тела над тепловым излучением того же тела в данной спектральной области и при данной температуре, если этот избыток имеет конечную длительность свечения , т. е. не прекращается сразу же после устранения вызвавшей его причины.

Это определение позволяет отделить люминесценцию от теплового излучения, рассеянного света и других световых процессов.

Следовательно, люминесценция возникает при преобразовании в свет энергии, поглощенной атомами, молекулами или ионами некоторых веществ.

Элементарный акт люминесценции состоит из трех частей:

1) поглощения энергии центром свечения (атомом, молекулой, группой атомов или молекул);

2) пребывания частиц люминесцентного вещества в возбужденном состоянии;

3) испускания люминофором кванта энергии при переходе излучателя из возбужденного состояния в нормальное.

Длительность возбужденных состояний в зависимости от механизма люминесценции находится в пределах от 1∙10 -9с до нескольких месяцев и даже лет, т. е. значительно превосходит период одного светового колебания (10 -15с).

Необходимую для возбуждения свечения энергию частицам люминесцентного вещества можно сообщить разными путями: можно направить на люминофор поток электромагнитного излучения (видимого или ультрафиолетового), достигнуть возбуждения ударами электронов (пропусканием через газы электрического тока), вызвать химическую реакцию и т. д.

КЛАССИФИКАЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПРОВОДИТСЯ ИМЕННО ПО СПОСОБУ ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ ЛЮМИНОФОРА?

Из многочисленных видов люминесценции нас будут интересовать лишь некоторые, а именно те, которые имеют наибольшее техническое применение ( фотолюминесценция и катодолюминесценция ). Напомним, что фотолюминесценцией называют свечение, возникающее под действием электромагнитного излучения (света), а катодолюминесценцией — свечение твердых тел, в частности специальных кристаллических порошков в разрядных трубках под действием потока быстрых электронов.

Искусственно приготовленные синтетические неорганические вещества, имеющие кристаллическую структуру и способные светиться под действием внешнего источника возбуждения, называют кристаллофосфорами . Их свечение столь своеобразно, а значение для техники так велико, что его следует рассмотреть более подробно.

КОГДА ПОЯВИЛИСЬ ПЕРВЫЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ?

В конце XIX в. В это время в Англии для освещения жилищ пытались применять газоразрядные трубки. В трубки были впаяны металлические электроды, воздух из них откачивали, а перед запайкой в них впускали небольшое количество какого-либо газа: кислорода, оксидов азота, углекислого газа, неона, аргона и т. д.

Однако такие осветители для бытовых нужд не годились, потому что требовали высокого напряжения (до 30 тыс. В), они не безопасны для жизни, сильно мерцали, имели свет, непривычный для глаз.

Подобные газоразрядные трубки используют и до настоящего времени для рекламы или сигнализации. Если трубку заполнить неоном, то она светится красным светом, аргоном — голубым.

При смешении газов в разных пропорциях и при разных давлениях можно получать самые разнообразные цвета. Хотя газоразрядные трубки весьма экономичны по сравнению с обычными лампами накаливания, но их мерцающий свет неудобен для освещения.

Примерно 50 лет назад появились новые источники «холодного» света — ртутные лампы, в которых излучение газов заменялось излучением паров ртути. Они не требовали высокого напряжения — достаточно было напряжения городских электростанций (127 или 220 В).

Волосок в ртутной лампе в отличие от волоска обычной электролампочки покрыт тонким слоем бария, который при небольшом нагревании легко теряет электроны. Вылетевшие электроны возбуждают атомы ртути и они начинают испускать синевато-зеленый свет. Однако свет их непривычен: лица людей при этом свете кажутся зелеными, а губы — черными. Эти лампы испускают сильное ультрафиолетовое излучение, под действием которого начинают светиться окружающие тела, а также зубы, волосы, хрусталик глаза, ногти и даже кожа человека, а помещение кажется наполненным голубоватым туманом.

Несмотря на указанные недостатки ртутных ламп, не позволяющие применять их для бытового освещения, они помогли разрешить главную проблему освещения: создать источники света, дающие излучение, близкое по спектральному составу к лучам Солнца, т. е. люминесцентные лампы.