Landsberg-1985-T3

возникающее при электрическом токе в Г3зе, 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), внутрен­ ность таких ламп специально изготовленным фосфоресциру­

ющим составом, удается превратить этот ультрафиолетовый

свет в видимый (в согласии справилом 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 большая

доля электрической энергии, чем в лампах накаливания.

Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно до­ биться 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 излучаеыого света, приближая его к спектраль­

ному составу дневного света. Так устроены современные

лампы дневного света, получающие все более и более широ­

кое распространение.

§ 187. Физический смысл правила Стокса. Ключ к пониманию правила Стокса дают квантовые представления. Вообразим, что свечение вызы­ вается монохроматическим светом частоты ". Таким образом, молекула люминесцирующего вещества поглощает энергию в виде кванта hv. Про­ цессы, вызываемые поглощенной энергией в молекуле, довольно сложны. Часть энергии кванта расходуется иа эти процессы, а часть вновь испус­ кается в виде света люминесцеции. Испускаемый квант должен, следо­

вательно, иметь м е н ь ш У 10 энергию, т. е. соответствовать м е н ь­

шей частоте ". Это уменьшение частоты (увеличение длины во.1НЫ) и составляет содержание правила Стокса.

То обстоятедьство, что даже при возбуждении м о н охр о м а т и­

их достаточно точно, и поэтому теория фотолюминесценции еще не

вполне ясна.

§ 188. Люминесцентный анализ. Кроме упомянутого уже

применения люминесценции для фосфоресцирующих экра­

нов и различных светящихся красок для декоративных и

театральных целей, необходимо отмеТить еще одну важную

область ее применения. Явления люминесценции характе­ ризуются крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда располагать 10-~O г светящегося вещества, например в растворе, чтобы иметь возможность обнаружить его по

характерному свечению. Возможно наблюдение при помощи

люминесценции ничтожных следов вещества, составляюще­

го миллионную долю процента в какой-нибудь смеси. Эта

высокая чувствительность делает люминесценцию важным

средством обнаружения некоторых ничтожно малых приме-

434

сей, позволяющим судить о каких-либо загрязнениях или

процессах, приводящих к изменению исходного вещества.

Так, например, при помощи люминесценции можно об­

наружить самые начальные стадии загнивания продуктов.

Известны применения люминесцентного анализа при раз­

ведке нефти. Если почва, извлекаемая при бурении, содер­

жит ничтожные следы нефти, то их можно легко обнаружить по флюоресценции. Таким образом удается судить о бли­

зости нефтеносных слоев. Существует и много других об­

ластей технического применения люминесцентного анализа.

у нас в СССР люминесцентный анализ получил под руко­

водством С. И. Вавилова широкое применение.

§ 189. Фотохимические действия света. Поглощение света

может вызвать и некоторые химические процессы, состоя­

щие обычно в распаде молекулы, поглотившей свет, на

части, за которым нередко следует ряд дальнейших хими­

ческих превращениЙ. Наибольшее значение и м е е т хи­

мический процесс, который разыгрывается под действием света в зеленых частях растений.

Как известно, дыхание всех живых существ сопровожда­

ется окислением углерода, входящего в состав их тел.

Сгорание углерода (превращение его в углекислоту СО2)

сопровождается освобождением энергии, которая и исполь­

зуется животными при их движении. Точно так же главный источник энергии, используемый в технике, есть процесс

сжигания топлива, т. е. опять-таки процесс образова­

ния СО2• Обратный процесс расщепления СО2 происходит в зеле­

ных частях растений под действием солнечного света, как

фотохимический процесс. Расщепление углекислоты сопро­

вождается дальнейшими химическими превращениями, при­

водящими в конце концов к обраЗОВ"аНИЮ тех основных ор­

ганических соединений, из которых построено тело расте­ ний и животных. Таким образом, этот «великий круговорот углерода» в природе осуществляется благодаря фотохими­

ческому превращению. Энергия, затраченная при этом сол­

нечным светом, запасается в виде внутренней энергии про­

дуктов превращения и является главным запасом энергии,

используемым до последнего времени человеком.

Важную роль в исследовании процесса расщепления СО2 под дей­ ствием света играют исследования русского биолога Климентия Аркадь­

евича Тимирязева (1843-1920), который установил, что процесс

этот связан с хлорофиллом растений, обусловливающим зеленую окрас­ ку листьев растений, и что он происходит по преимуществу под дейст­ вием красного излучения СOJlнечного спектра, которое наиболее сильно

435

поглощаются хлорофиллом. Однако весь фотохимический процесс очень

сложен, и, несмотря на успехи последних лет, позволившие выяснить отдельные этапы процесса, их последовательность и взаимосвязь еще не­ достаточно 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 кисло­

родом воздуха под действием света. Покрасив раствором не­ которой краски (цианина) слой желатины, мы можем со­

хранять такую окрашенную пластинку двольно долго. Но

если направить на нее интенсивный пучок света (от солнца

или дугового ф:>наря), то пластинка в тех местах, куда па­

дает свет, выцветает так быстро, что эти участки становятся

бесцветными на глазах. Отбеливание холста, растянутого

на солнцепеке, по существу представляет собой фотохими­

ческое выцветание. Многие фотохимические процессы в на­

стоящее время используются в технике ДЛЯ ускоренного

получения тех или иных веществ. Большинство таких про­ цессов идет особенно энергично под действием коротковолно­

вого ультрафиолетового света.

§ 190. Роль длииы волиы В фотохимических процессах. Роль света в фото­

химических процессах сводится к сообщению молекуле столь большой энергии, что молекула расщепляется на составные части. Нетрудно по­

нять 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 hv. Для света длины волны 480 им найдем: hv=4.1. 10-lg Дж.

Интересно отметить, что средняя кинетическая энергия отдельной

молекулы газа достигает указанного значения лишь при температуре

Освещение ультрафиолетовым или рентгеновским излучением может,

следовательно, оказаться еще более эффективным.

§ 191. Фотография. Фотохимический процесс лежит и в основе фотографии. Чувствительный слой фотопластинки ПР6дставляет собой желатину, в которой распределены кри­ сталлики бромистого серебра. Под действием света молекула бромистого серебра (AgBr) распадается, и при этом выделя­ ется металлическое серебро в виде мельчайших частичек,

Если количество такого серебра, приходящееся на единицу

поверхности, становится значительным, то пластинка тем·

436

неет. Это можно наблюдать, если пластинку, завернутую до

половины в черную бумагу, оставить на длительный срок

СТЯМИ плаСТИНК!I.

Однако в обычных усt10ВИЯХ количество выделившегося

под действиеl\l света серебра столь незначительно, что потемнение пластинки не наблюдается. Поэтому изображе­

ние, наметившееся в пластинке, но еще н е в и Д и м о е,

называют скрытым изображением_ Кристаллики бромисто­

го серебра, в которых началось разложение, становятся

чувствительными к влиянию некоторых химических веществ,

именуемых nроявuтелями. Под действием проявителя «зара­

женный» кристаллик AgBr разлагается, и серебро выделяет·,

ся в Биде тончайшего темного порошка. Пластинка, поло­

женная (в темноте) в такой проявитель, быстро чернеет в

тех местах, которые были предварительно освещены, и при­

том потемнение тем больше, чем сильнее было освещено со­ ответствующее ыесто пластинки. Этот процесс химической обработки освещенной пластинки называе\ся проявлением.

Проявив пластинку, растворяют неразложившееся бро­

мистое серебро в растворе I'ипосульфита и, промыв ее водо!"!,

вующие светлым частям СНИl\!авшейся картины, будут Te\l- ными, I! наоборот. Приложив такой негатив к новой плас­ тинке или к фотографической бумаге, также обладающей свеТОЧУl3ствительных! слоем, и осветив бумагу с к в о з ь негапш, мы ПОЛУЧИМ новое изображение, которое должно

нем светлые места будут соответствовать хорошо освещен­

ным частям картины **).

Фотография имеет очень большое культурное, научное

и техническое значение, ибо позволяет получать крайне точные изображения мгновенных картин или ](артин, столь

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

437

слабо освещенных, что глаз не мог бы различить подроб-' ностей.

Так, наприыер, надежная зар и с о в к а молнии, для­

щейся малую долю секунды, затруднительна. Фотография

же (рис. 335) передает ее точный вид. Интересно отметить,

Рис. 335. Фотография молнии (получена в лабораторни И. С. Стеколь­

никова)

что, сни:-,!ая молнию движущимся аппаратом, можно убе­

диться, что такая молния представляет собой повторные

электрические разряды, разделенные сотыми долями се­

кунды, так что каждый такой разряд протекает за тысячную

долю секунды. Полная фаза солнечного затмения обычно непроДолжительна (нередко меньше минуты), поэтому на­ дежных изображеНJlЙ солнечной короны, видимой только во

. время полной фазы, не было до тех пор, пока к этому делу

не была применена фотография (рвс. 336).

С другой стороны, фотография может быть полезна для

наблюдения объектов, посылающих очень слабый поток

438

энергии излучения, но В· течение длительного времени. За­

ставляя свет действовать длительно на фотопластинку, мы «накапливаем» фотографический эффект. Так получена фо­ тография участка неба, изображенная на рис. 337, сделан­ ная с двухчасовой выдержкой. На ней можно видеть изобра­

жение ту:.!анности, которую не удается наблюдать глазо:.!

Рис. 336. Фотография солнечной короны (ПОJlучена А. А. Михайловым

во время полного солнечного затмения)

даже в СИоlЬНЫЙ те.lескоп. Конечно, для того чтобы, несмот­ ря на суточное вращение 3емди, HaBoAI<a телескопа на не­ бесный объект не менялась, аппарату придают с помощью

часового механиз:.!а движение, противоположное враща­

тельному движению Земли.

Наконец, с помощью фотографии можно получать изо­

бражения объектов, посылающих невидимое излучение

(рентгеновское, ультрафиолетовое или инфракрасное при-

439

мерно до 1200 нм),- обстоятельство, имеющее огромное

значение в разнообразнейших научных исследованиях.

Действие света на фотографическую пластинку заВIIСИТ

от длины волны света. Простые БРОl\юсереБряные плаСТИНКI! чувствительны, начиная примерно с длины волны в 450 нм,

Рис. 337. Фотография ночиого неба; выдержка 2 часа. Хорошо видна

напоминающая очертания А~!срики туманность, которую не удается наблюдать f.la3U~I. Фотография сделана Д. Я. Мартыновым в обсерватории им. Энгельгардта близ Казани

т. е. с сине-фиолетовых лучей. Красные, желтые и зеленые цвета не действуют на пластинку, так как они не поглоща­ ю1'СЯ бро:\IИСТЫМ серебром, и потому объекты такого цвета

неотличимы практически от черных. На фотографии это

ведет иногда J{ довольно ИСI(аженному распределению свет­

лого и темного.

Внастоящее вреJ\lЯ пластинки делают чувствительными

ик более длинным волнам путем окраски желатины СОО1'-

440

ветствующими красителями, поглощающими эти длинные

волны и передающими поглощенную энергию бромистому

серебру (сенсибилизация пластинок). Так получают о р т о­

ствительные ко всему видимому спектру. Для специальных

научных и технических целей приготовляются пластинки,

чувствительные и к инфракрасным волнам примерно до

л=1200 нм.

§ 192. Фотохимическая теория зрения. Зрительные ощуще­

ния человека и животных также связаны с фотохимическими

процессами. Свет, достигая сетчатки, поглощается свето­ чувствительными веществами (родопсин, или зрительный пурпур, в палочках и иодопсин в колбочках). Механизм

разложения этих веществ и последующего их восстановления

пока не выяснен, но установлено, что продукты разложения

вызывают раздражение зрительного нерва, в результате чего

по нерву проходят электрические импульсы в головной

мозг и возникает ощущение света. Так как зрительный нерв имеет разветвления по всей поверхности сетчатки, то харак­

тер раздражения зависит от того, в каких местах сетчатки

произошло фотохимическое разложение. Поэтому раздра­

жение зрительного нерва позволяет судить о характере изо­

бражения на сетчатке и, следовательно, о картине во внеш­

нем пространстве, которая является источником этого

изображения.

В зависимости от освещенности тех или иных участков сетчатки, т. е. в зависимости от яркости объекта, количество

разлагающегося за единицу времени светочувствительного

вещества, а значит, и сила светового ощущения меняется.

Следует, однако, обратить внимание на то обстоятельство, что глаз способен хорошо воспринимать изображения пред­ метов, несмотря на огромное различие в их яркости. Мы впол­

не отчетливо видим предметы, освещенные ярким солнцем, равно как те же предметы при умеренном вечернем освеще­

нии, когда освещенность их, а следовательно, и их яркость

(см. §73) меняются в десятки тысяч раз. Этаспо­

собность глаза при с n о с а б л и в а т ь с я к весьма ши­ рокому диапазону яркостей носит название адаптации *). Адаптация к яркости достигается несколькими путями. Так, глаз б ы с т р о реагирует на изменение яркости изменением

Д и а м е т р а зрачка, что может менять площадь зрачка,

*) Адаптация - лат, adaptatio - приспособление.

441

а следовательно, и освещенность сетчатки примерно раз

в 50. Механизм, обеспечивающий адаптацию к свету в

гораздо более широких пределах (примерно в 1000 раз) дей­

ствует гораздо медленнее. Кроме того, глаз, как известно,

(при слабом освещении) главную роль играют палочки (су­ меречное зрение). При переходе на яркий свет зрительный пурпур в палочках быстро выцветает и они теряют способ­

ность воспринимать свет; работают одни лишь колбочки,

чувствительность которых гораздо меньше и для которых но­

вые условия освещения могут быть вполне приемлемыми. В таком случае адаптация занимает время, соответствующее времени «ослепления» палочек, и обычно происходит в те­

чение 2-3 минут. При слишком резком переходе к яркому

свету этот защитный процесс может не успеть произойти, и

глаз с л е п н е т на время или навсегда - в зависимости

от тяжести ослепления. Временная потеря зрения, хорошо

известная автомобилистам, происходит при ослеплении фа­

рами встречных автомашин.

То обстоятельство, что при слабом освещении (в сумер­

ках) работают палочки, а не колбочки, приводит к тому, что

различение ц в е т о в в сумерках невозможно (<<ночью все

кошки серы»).

Что же касается способности глаза различать цвета при

достаточно ярком освещении, когда вступают в действие колбочки, то этот вопрос еще не может считаться полностью

разрешенным. По-видимому, дело сводится к наличию в на­ шем глазу трех типов колбочек (или трех типов механизмов в каждой колбочке), чувствительных к трем различным цве­

там: красному, зеленому и синему, из различной комбина­ ции которых и слагаются ощущения л ю б о г о цвета. Сле­

дует отметить, что, несмотря на успехи последних лет, пря­ мые опыты по исследованию структуры сетчатки еще не поз­

воляют с полной надежностью утверждать существование

указанного тройного аппарата, который п р е Д п о л а г а­ е т с я трехцветной теорией цветного зрения.

Наличие в глазу двух типов светочувствительных эле­ ментов - палочек и колбочек - приводит еще к одному

важному явлению. Чувствительность как колбочек, так и палочек к различным цветам различна. Но для колбочек

максимум чувствительности лежит в зеленой части спектра

(л=555 нм), как это показывает приведенная в § 68 кривая

442

относительной спектральной чувствительности глаза, по­ строенная для дневного, ко.пбочкового зрения. Для палочеК

же максимум чувствительности сдвинут в область более

коротких волн и лежит примерно около л=51О нм. В соот­

вестное из них - кинематограф.

В КИllематографе на экране быстро (24 раза в секунду) сменяется ряд картин (рис. 338), изображающих п о с л е­

Д о в а т е л ь н ы е п о л о ж е н и я какого-либо пред­

мета. Глаз сохраняет еще предшествующее изображение,

когда он уже начинает получать следующее. В результате

восприятие н е п р еры в н о меняющихся положений

объекта создает впечатление плавного движения.

Для получения киноленты необходиC>lО, конечно, осу­

ществлять последовательную съемку движущегося предмета

443