Илья Леенсон - Удивительная химия

Менее известен древнекитайский миф об искусном стрелке, которого звали И: когда на небе появилось сразу десять солнц, И избавил людей от засухи, поразив из лука девять из них. Об уничтожении героем-лучником «лишних» солнц можно прочитать и в мифах народов нижнего Амура и Сахалина.

В противоположность солнечному теплу и свету, ночью землю освещал «холодный» свет луны и звезд. Происхождение всех этих природных источников света было неведомо людям вплоть до новейших времен. Еще в 1620 году английский философ Фрэнсис Бэкон, систематизировав известные данные о тепле и холоде, отнес к теплым, или положительным, инстанциям «солнечные лучи, преимущественно летние и полуденные», а к холодным, или отрицательным, инстанциям — «лучи луны, звезд и комет».

Свет, не связанный с нагреванием тел, т. е. «холодный свет», поражал воображение людей в не меньшей степени, что свет «горячий». Упоминание о «холодном свете» встречается в легендах, сказках и песнях разных народов; этот свет связывали с чудесами и волшебством. В сказке поэта и просветителя Петра Павловича Ершова (1815–1869) «Конек-горбунок» есть строки, посвященные «чудесному огню»:

Огонек горит светлее,

Горбунок бежит скорее.

Вот уж он перед огнем.

Светит в поле словно днем.

Чудный свет кругом струится,

Но не греет, не дымится.

Диву дался тут Иван.

«Что, — сказал он, — за шайтан!

Шапок пять найдется свету,

А тепла и дыма нету.

Эко чудо-огонек!»

Сейчас «холодным светом» никого не удивишь: вечером на улицах можно видеть рекламные огни, которые «светят, но не греют»; светятся экраны телевизоров и компьютеров, таблички «ВЫХОД» — в залах театров и кинотеатров, светятся цифры и стрелки на некоторых часах, светятся ночью волны в океане и светлячки в лесу — всего не перечне-лишь. Что же вызывает свечение тел? Происходят ли при этом химические реакции?

Мы расскажем о нескольких естественных и искусственных источниках света. Их излучение — следствие физических, химических и биологических процессов. Соответственно в исследованиях, изобретениях, технических разработках этих источников принимали участие ученые разных специальностей.

Самый «универсальный» способ заставить тело испускать свет-сильно нагреть его. Так излучают свет сильно нагретый металлический пруток, спираль электроплитки, электрическая лампочка, Солнце и звезды, свечка, факел и другие горящие вещества. Чем выше температура, тем более энергично движутся атомы в веществе. При достаточно сильном нагреве атомы любого вещества, сталкиваясь друг с другом, способны возбуждаться, при этом находящиеся в них электроны приобретают дополнительную энергию. Чем выше температура, тем с большей силой сталкиваются атомы, тем больше энергии способны запасти электроны. Однако долго «излишек» энергии они удержать не могут: через очень короткое время (а практически — мгновенно) электроны теряют запасенную энергию, возвращая ее в виде фотона — «частицы» света (по-гречески «фотос» — родительный падеж слова «фос» — «свет»). Разные электроны разных атомов при нагреве запасают (а затем испускают) разную энергию. Поэтому нагретое тело излучает фотоны разного цвета. Чем меньше энергия фотона, тем «краснее» свет, а чем энергия выше, тем свет «голубее». При очень слабом нагреве вещества фотоны имеют такую низкую энергию, что глаз их не воспринимает: они «греют», но не светят. Свет, состоящий из таких фотонов, называется инфракрасным, потому что он находится за пределами красной области спектра и невидим (на латыни infra — «под», инфракрасный свет как бы находится «под» видимым светом). Много инфракрасных лучей испускает, например, хорошо протопленная печка.

Если постепенно повышать температуру тела, оно начинает светиться, и по цвету его свечения опытный металлург может определить температуру раскаленного металла. При +500… +600 °C появляется темно-красный цвет, чуть заметный в темноте, при +600… +800 °C цвет становится вишнево-красным, при +800… +1000 °C — ярко-красным, при +1000… +1100 °C — желтым, а если вещество нагреть еще сильнее, оно начнет испускать белый свет (недаром говорят: «довести до белого каления»). Конечно, сильно раскалить можно далеко не все тела. Даже многие металлы сгорят на воздухе намного раньше. И тем более это не получится с деревом или пластмассой. Возьмем, например, спираль от электроплитки (она сделана из тугоплавкого сплава) и начнем пропускать через нее все более сильный электрический ток. Сначала спираль остается темной, хотя и горячей, а потом начинает светиться. Сперва свет будет чуть заметен в темноте («красное каление»). Затем, с повышением температуры, цвет станет ярко-красным, потом желтым, а когда вещество будет нагрето «до белого каления» (как угли электрической дуги), в его излучении появятся все цвета радуги. Правда, спираль плитки до белого каления нагреть не удастся — сплав никеля и хрома (нихром), из которого она сделана, еше раньше расплавится или сгорит на воздухе. А вот тугоплавкую и химически стойкую платину можно нагреть очень сильно; на расплавленную платину (+1770 °C) невозможно даже смотреть с близкого расстояния — настолько яркий свет она испускает. Еще сильнее — до многих тысяч градусов можно нагреть вещества в газообразном состоянии. Сильно раскаленное тело, кроме инфракрасных и видимых лучей, испускает также ультрафиолетовые лучи (они находятся за пределами фиолетовой части спектра; на латыни ultra — «сверх»). Чем выше температура тела, тем оно ярче светит и тем больше испускает ультрафиолетовых лучей. Так светятся все нагретые тела, в том числе наше Солнце и звезды; по цвету звезды астрономы могут определить ее температуру (вероятно, вам не надо говорить, что Луна и планеты сами не светятся, а лишь отражают солнечный свет).

Когда горит свеча или факел, светятся мельчайшие раскаленные частички угля в пламени. Их температура не так высока, поэтому пламя красноватое. В пламени природного газа, если воздуха для горения достаточно, раскаленных частичек угля практически нет, поэтому такое пламя почти бесцветное. Когда в XIX веке появились первые газовые фонари, их пламенем сильно нагревали специальные «калильные сетки», изготовленные из оксидов тория и других редких металлов. Раскаленные сетки испускали яркий свет, которым освещали по ночам улицы. Вечером специальные рабочие должны были зажечь каждый фонарь, а утром — погасить его. Конечно, это было неудобно. С появлением достаточно дешевой электроэнергии инженеры, разрабатывая конструкцию электрической лампочки, перебрали массу различных материалов для светящегося волоска: ведь чем сильнее его нагреть током, тем ярче он будет светиться, тем ближе его свет будет к дневному. После многих неудач остановились на тугоплавком металле вольфраме, который плавится при очень высокой температуре (+3420 °C). Но это все равно намного меньше, чем температура поверхности Солнца (+6000 °C). Кроме того, спираль нельзя очень сильно нагревать, так как задолго до своего плавления вольфрам начинает испаряться и лампочка быстро перегорает. Первые лампочки светили тусклым красноватым светом, а срок службы у них измерялся всего лишь десятками часов. Чтобы поднять температуру спирали, лампочки стали заполнять газами, которые с вольфрамом не реагируют. Молекулы газов чисто механически мешают атомам вольфрама покидать спираль. Чем тяжелее молекулы газа, тем лучше они справляются со своими обязанностями. Современные криптоновые лампочки светят намного ярче, а гореть могут тысячи часов (такие лампочки легко отличить по их грибовидной форме).