Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

ного газа (например, аргона), который не портит поверхности металла, но может ионизоваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов наблюдаемый ток (см. том II, § 93). Поверхность чувствительного металла служит одним электродом фотоэлемента (катодом). Анодом является металлическое кольцо или пластинка, впаянная в баллон. Приложив между электродами достаточное напряжение, получаем готовый к действию фотоэлемент (рис. 332).

Рис. 332. Вакуумный фотоэлемент: а) схема включения: 1 — светочувствительный слой (катод), 2 — анод в виде кольца; б) схематическое изображение

Впоследствии удалось использовать фотоэффект, возникающий между металлом и образованной на нем пленкой окисла. Между металлом и окислом образуется тонкий слой пол у проводящего вещества, обладающего свойством пропускать электроны, выделяющиеся из металла, и препятствовать прохождению электронов противоположного направления. Объяснение действия этого так называемого запирающего слоя довольно сложно (см. т. II, § 110). Практически же применение указанных поверхностей позволяет создавать фотоэлементы, имеющие очень большие преимущества. Они чувствительнее элементов первого типа (использующих фотоэффект со свободной поверхности металла), не нуждаются во вспомогательной батарее, им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма (рис. 333). Так как фототок пропорционален световому потоку, то фотоэлементы широко используются для устройства фотометров разнообразного назначения. Один из таких фотометров, служащий для определения о с в е щ е н н о с т и (люксметр), опи-

сан в § 78. Возможность регистрировать световые сигналы при помощи электрических приборов позволяет комбинировать фотоэлементы с реле (см. том II, § 180), благодаря чему фотоэлементы могут выполнять а в т о м а т и ч е с к и различные сложные операции. Построены многочисленные автоматы для счета, регистрации, пуска в ход или прекращения тех или иных операций и т. д. Число разнообразных применений фотоэлементов крайне велико, и каждый новый день приносит новые устройства этого рода. Во введении уже упоминалось, что новые фотоэлементы (с использованием полупроводников — германия и особенно кремния) способны превращать довольно значительную световую энергию в электрическую и применяются для использования солнечной энергии (солнечные батареи). Солнечные батареи площадью в десятки квадратных метров обеспечивают электроснабжение искусственных спутников Земли.

Рис. 333. Фотоэлемент с запирающим слоем: а) Схема включения: 1 — металл, 2 — пленка окисла с запирающим слоем; на пленку напылен тонкий (прозрачный) слой металла, к которому прижато металлическое кольцо 3, служащее вторым электродом; б) внешний вид фотоэлемента

сзапирающим слоем

§186. Фотолюминесценция. Правило Стокса. Некоторые те-

или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение.

Примером легко наблюдаемой люминесценции может служить синевато-молочное свечение керосина, рассматриваемого на дневном свету. Очень большое число растворов красок и других веществ обнаруживают люминесценцию, особенно под действием источников, испускающих ультрафиолетовый свет (например, электрической дуги или ртутной лампы). Свечение

434 Гл. XXI. Действия света

такого ф и о л е т о в о г о света направить на колбочку, в которой содержится раствор флюоресцеина, то освещенная жидкость начинает ярко люминесцировать з е л е н о - ж е л т ы м светом.

Применяя источники света, излучение которых содержит значительное количество коротких волн (ультрафиолетового диапазона), можно обнаружить, что почти все тела обладают способностью в большей или меньшей степени люминесцировать. Нередко удается значительно усилить люминесценцию, сильно охладив тело, например погрузив его в жидкий воздух.

Обращает на себя внимание, что некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время п о с л е того, как освещение и х п р е к р а т и л о с ь.

Такое послесвечение может иметь различную длительность. В некоторых объектах оно продолжается очень малое время (десятитысячные доли секунды и меньше) и для наблюдения его требуются особые приспособления. В других оно тянется много секунд и даже минут (часов), так что наблюдение его не представляет никаких трудностей.

Принято называть свечение, прекращающееся вместе с освещением, флюоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность, фосфоресценцией. Следует, однако, иметь в виду, что между флюоресценцией и фосфоресценцией трудно провести резкую границу, так что деление это до известной степени у с л о в н о.

Явление длительной фосфоресценции обнаруживают многие кристаллические порошки, специально приготовленные. Ими пользуются для изготовления так называемых фосфоресцирующих экранов. Лист картона, покрытый, например, порошком сернистого цинка, представляет хороший фосфоресцирующий экран, сохраняющий свое свечение две-три минуты после освещения.

Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей. Следует отметить, впрочем, что явление люминесценции под действием рентгеновских лучей более сложно, чем под действием обычного света, ибо при этом играют роль быстрые электроны, вырываемые рентгеновскими лучами.

Очень важное применение нашли в последнее время фосфоресцирующие порошки при изготовлении л а м п д н е в н о г о с в е т а. В газоразрядных лампах свечение, возникающее при электрическом токе в газе, например в парах ртути, обычно содержит много ультрафиолетового излучения, не только не пригодного для освещения, но и вредного для глаза. Покрывая, по предложению советского физика Сергея Ивановича Вавилова

(1891–1951), внутренность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, удается превратить этот ультрафиолетовый свет в видимый (в согласии с правилом Стокса). Это приводит к большой э к о н о м и и, ибо в таких лампах в энергию видимого света превращается примерно в три раза б´ольшая доля электрической энергии, чем в лампах накаливания. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно добиться также и у л у ч ш е н и я с п е к т р а л ь н о г о с о с т а- в а излучаемого света, приближая его к спектральному составу дневного света. Так устроены современные лампы дневного света, получающие все более и более широкое распространение.

§ 187. Физический смысл правила Стокса. Ключ к пониманию правила Стокса дают квантовые представления. Вообразим, что свечение вызывается монохроматическим светом частоты ν. Таким образом, молекула люминесцирующего вещества поглощает энергию в виде кванта hν. Процессы, вызываемые поглощенной энергией в молекуле, довольно сложны. Часть энергии кванта расходуется на эти процессы, а часть вновь испускается в виде света люминесценции. Испускаемый квант должен, следовательно, иметь м е н ь ш у ю энергию, т. е. соответствовать м е н ь ш е й частоте ν. Это уменьшение частоты (увеличение длины волны) и составляет содержание правила Стокса.

То обстоятельство, что даже при возбуждении м о н о х р о м а- т и ч е с к и м светом обычно испускается свет р а з н о о б р а з н ы х длин волн, показывает, что процессы размена энергии светового кванта внутри молекулы довольно сложны и разнообразны. Мы еще не знаем их достаточно точно, и поэтому теория фотолюминесценции еще не вполне ясна.

§ 188. Люминесцентный анализ. Кроме упомянутого уже применения люминесценции для фосфоресцирующих экранов и различных светящихся красок для декоративных и театральных целей, необходимо отметить еще одну важную область ее применения. Явления люминесценции характеризуются крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда располагать 10−10 г светящегося вещества, например в растворе, чтобы иметь возможность обнаружить его по характерному свечению. Возможно наблюдение при помощи люминесценции ничтожных следов вещества, составляющего миллионную долю процента в какой-нибудь смеси. Эта высокая чувствительность делает люминесценцию важным средством обнаружения некоторых ничтожно малых примесей, позволяющим судить о каких-либо загрязнениях или процессах, приводящих к изменению исходного вещества.

Так, например, при помощи люминесценции можно обнаружить самые начальные стадии загнивания продуктов. Известны

применения люминесцентного анализа при разведке нефти. Если почва, извлекаемая при бурении, содержит ничтожные следы нефти, то их можно легко обнаружить по флюоресценции. Таким образом удается судить о близости нефтеносных слоев. Существует и много других областей технического применения люминесцентного анализа. У нас в СССР люминесцентный анализ получил под руководством С. И. Вавилова широкое применение.

§ 189. Фотохимические действия света. Поглощение света может вызвать и некоторые химические процессы, состоящие обычно в распаде молекулы, поглотившей свет, на части, за которым нередко следует ряд дальнейших химических превращений. Наибольшее значение и м е е т химический процесс, который разыгрывается под действием света в зеленых частях растений.

Как известно, дыхание всех живых существ сопровождается окислением углерода, входящего в состав их тел. Сгорание углерода (превращение его в углекислоту CO2) сопровождается освобождением энергии, которая и используется животными при их движении. Точно так же главный источник энергии, используемый в технике, есть процесс сжигания топлива, т. е. опять-таки процесс образования CO2.

Обратный процесс расщепления CO2 происходит в зеленых частях растений под действием солнечного света, как фотохимический процесс. Расщепление углекислоты сопровождается дальнейшими химическими превращениями, приводящими

вконце концов к образованию тех основных органических соединений, из которых построено тело растений и животных. Таким образом, этот «великий круговорот углерода» в природе осуществляется благодаря фотохимическому превращению. Энергия, затраченная при этом солнечным светом, запасается

ввиде внутренней энергии продуктов превращения и является главным запасом энергии, используемым до последнего времени человеком.

Важную роль в исследовании процесса расщепления CO2 под действием света играют исследования русского биолога Климентия Аркадьевича Тимирязева (1843–1920), который установил, что процесс этот связан с хлорофиллом растений, обусловливающим зеленую окраску листьев растений, и что он происходит по преимуществу под действием красного излучения солнечного спектра, которое наиболее сильно поглощается хлорофиллом. Однако весь фотохимический процесс очень сложен, и, несмотря на успехи последних лет, позволившие выяснить отдельные этапы процесса, их последовательность и взаимосвязь еще недостаточно изучены.

Наряду с этим фотохимическим процессом, идущим в природе в гигантских масштабах, известно и множество других фотохимических превращений. Простым примером может служить фотохимический процесс в ы ц в е т а н и я многих красок, состоящий в окислении этих красок кислородом воздуха под действием света. Покрасив раствором некоторой краски (цианина) слой желатины, мы можем сохранять такую окрашенную пластинку довольно долго. Но если направить на нее интенсивный пучок света (от Солнца или дугового фонаря), то пластинка

втех местах, куда падает свет, выцветает так быстро, что эти участки становятся бесцветными на глазах. Отбеливание холста, растянутого на солнцепеке, по существу представляет собой фотохимическое выцветание. Многие фотохимические процессы

внастоящее время используются в технике для ускоренного получения тех или иных веществ. Большинство таких процессов идет особенно энергично под действием коротковолнового ультрафиолетового света.

§ 190. Роль длины волны в фотохимических процессах. Роль света в фотохимических процессах сводится к сообщению молекуле столь большой энергии, что молекула расщепляется на составные части. Нетрудно понять с точки зрения представления о световых квантах, что энергия, сообщаемая светом отдельной молекуле, очень велика, и притом тем больше, чем меньше длина волны.

Действительно, так как молекула поглощает свет целыми квантами, то на долю поглотившей свет молекулы приходится энергия, равная hν. Для света длины волны 480 нм найдем: hν = 4,1 · 10−19 Дж.

Интересно отметить, что средняя кинетическая энергия отдельной молекулы газа достигает указанного значения лишь при температуре около 20 000 ◦C.

Другими словами, освещение даже видимым светом может также эффективно расщеплять молекулы, как нагревание на 20 000 ◦C. Освещение ультрафиолетовым или рентгеновским излучением может, следовательно, оказаться еще более эффективным.

§ 191. Фотография. Фотохимический процесс лежит и в основе фотографии. Чувствительный слой фотопластинки представляет собой желатину, в которой распределены кристаллики бромистого серебра. Под действием света молекула бромистого серебра (AgBr) распадается, и при этом выделяется металлическое серебро в виде мельчайших частичек. Если количество такого серебра, приходящееся на единицу поверхности, становится значительным, то пластинка темнеет. Это можно наблюдать, если пластинку, завернутую до половины в черную бумагу, оставить на длительный срок па свету. Развернув бумагу, мы ясно

заметим границу между неосвещенной (светлой) и освещенной (темно-серой) частями пластинки.

Однако в обычных условиях количество выделившегося под действием света серебра столь незначительно, что потемнение пластинки не наблюдается. Поэтому изображение, наметившееся

впластинке, но еще н е в и д и м о е, называют скрытым изображением. Кристаллики бромистого серебра, в которых началось разложение, становятся чувствительными к влиянию некоторых химических веществ, именуемых проявителями. Под действием проявителя «зараженный» кристаллик AgBr разлагается, и серебро выделяется в виде тончайшего темного порошка. Пластинка, положенная (в темноте) в такой проявитель, быстро чернеет

втех местах, которые были предварительно освещены, и притом потемнение тем больше, чем сильнее было освещено соответствующее место пластинки. Этот процесс химической обработки освещенной пластинки называется проявлением.

Проявив пластинку, растворяют неразложившееся бромистое серебро в растворе гипосульфита и, промыв ее водой, получают

пластинку с з а к р е п л е н н ы м и з о б р а ж е н и е м, т. е. не чувствительную больше к действию света.

Из описанного ясно, что пластинка содержит н е г а т и в н о е изображение, т. е. освещенные места, соответствующие светлым частям снимавшейся картины, будут темными, и наоборот. Приложив такой негатив к новой пластинке или к фотографической бумаге, также обладающей светочувствительным слоем, и осветив бумагу с к в о з ь негатив, мы получим новое изображение, которое должно быть проявлено и закреплено подобным же обра-

зом 1). Это новое изображение будет п о з и т и в н ы м, ибо в нем светлые места будут соответствовать хорошо освещенным частям картины 2).

Фотография имеет очень большое культурное, научное и техническое значение, ибо позволяет получать крайне точные изображения мгновенных картин или картин, столь слабо освещенных, что глаз не мог бы различить подробностей.

Так, например, надежная з а р и с о в к а молнии, длящейся малую долю секунды, затруднительна. Фотография же (рис. 335) передает ее точный вид. Интересно отметить, что, снимая мол-

1) В так называемой «дневной фотобумаге», содержащей йодистое серебро, темное изображение на освещенных местах получается и без проявления. Изображение на такой бумаге надо только закрепить (фиксировать).

2) Н е г а т и в н ы й — лат. negativus — отрицательный, п о з и т и в н ы й — лат. positivus — положительный.

нию движущимся аппаратом, можно убедиться, что такая молния представляет собой повторные электрические разряды, разделенные сотыми долями секунды, так что каждый такой разряд

Рис. 335. Фотография молнии (получена в лаборатории И. С. Стекольникова)

протекает за тысячную долю секунды. Полная фаза солнечного затмения обычно непродолжительна (нередко меньше минуты), поэтому надежных изображений солнечной короны, видимой только во время полной фазы, не было до тех пор, пока к этому делу не была применена фотография (рис. 336).

С другой стороны, фотография может быть полезна для наблюдения объектов, посылающих очень слабый поток энергии излучения, но в течение длительного времени. Заставляя свет действовать длительно на фотопластинку, мы «накапливаем» фотографический эффект. Так получена фотография участка неба, изображенная на рис. 337, сделанная с двухчасовой выдержкой. На ней можно видеть изображение туманности, которую не удается наблюдать глазом даже в сильный телескоп. Конечно, для того чтобы, несмотря на суточное вращение Земли, наводка телескопа на небесный объект не менялась, аппарату придают

с помощью часового механизма движение, противоположное вращательному движению Земли.

Рис. 336. Фотография солнечной короны (получена А. А. Михайловым во время полного солнечного затмения)

Наконец, с помощью фотографии можно получать изображения объектов, посылающих невидимое излучение (рентгеновское, ультрафиолетовое или инфракрасное примерно до 1200 нм), — обстоятельство, имеющее огромнее значение в разнообразнейших научных исследованиях.

Действие света на фотографическую пластинку зависит от длины волны света. Простые бромосеребряные пластинки

цвета не действуют на пластинку, так как они не поглощаются бромистым серебром, и потому объекты такого цвета неотличимы практически от черных. На фотографии это ведет иногда к довольно искаженному распределению светлого и темного.

В настоящее время пластинки делают чувствительными и к более длинным волнам путем окраски желатины соответствующими красителями, поглощающими эти длинные волны