4.5.2 Источники света

Излучение вещества, возбуждаемого посредством нагревания, относится к так называемому тепловому излучению. Свечение раскаленных тел используется для создания источников света. Первые лампы накаливания и дуговые лампы — были изобретены русскими учеными А. Н. Лодыгиным и П. Н. Яблочковым .

Использование раскаленного тела в качестве источника света тем более выгодно, чем выше температура этого тела. По закону Стефана — Больцмана суммарная интенсивность возрастает для черного тела пропорционально четвертой степени температуры. Но интенсивность более коротковолновых участков спектра растет гораздо быстрее, особенно при не очень высоких температурах. Так, вблизи температуры красного каления общая энергия видимого спектра платины растет пропорционально тридцатой степени температуры и даже вблизи белого каления — все еще пропорционально четырнадцатой степени температуры. Интенсивность желтых лучей возрастает вдвое, когда температура черного тела изменяется от 1800 до 1875 К, т. е. всего на 4%.

Если бы излучателем служило черное тело, то, пользуясь формулой Планка, мы могли бы рассчитать для каждой температуры эту часть полезной для освещения энергии и вычислить световую отдачу нашего светового источника. Если принять во внимание, что максимум чувствительности человеческого глаза лежит около 550 нм в желто-зеленой части спектра, то черное тело окажется выгодным источником при температуре около 5200 К. Принято называть условно «белым светом» излучение черного тела при этой температуре. Солнечное излучение вблизи поверхности Земли, т. е. несколько измененное вследствие поглощения в земной атмосфере, имеет цветовую температуру, близкую к этому числу, что и послужило основанием для такого условного обозначения. При дальнейшем повышении температуры черного тела излучение, приходящееся на полезную для освещения часть спектра, конечно, растет, но доля его в общей излучаемой энергии падает, так что дальнейшее повышение температуры неэкономно с точки зрения светотехники. Излучение нечерных тел, например, раскаленных металлов, всегда меньше излучения черных тел. Но световая отдача, т. е. отношение между энергией, полезной для освещения, и ее невидимой частью, для накаленного металла при данной температуре Т может быть выше, чем для черного тела при той же температуре.

При облучении вещества рентгеновскими и гамма-лучами, при бомбардировке его быстрыми электронами, вследствие нагревания, химических процессов т. д., вещество тоже начинает светиться. Свечение вещества при других методах возбуждения называют люминесценцией («холодное свечение»). Люминесценция, возбуждаемая ударами быстрых электронов, получила название катодолюминесценция. Свечение под действием рентгеновских лучей называется рентгенолюминесценцией. Свечение под действием частиц радиоактивных веществ называют радиолюминесценцией. При наложении на некоторые вещества электрического поля они тоже могут начинать светиться, и такое свечение называют электролюминесценцией. Холодное свечение возникает и при ряде химических процессов. В этом случае оно называется хемилюминесценцией. Его разновидностью является биолюминесценция— свечение некоторых организмов (светляки, микроорганизмы).

По длительности свечения процессы люминесценции делятся на флюоресценцию, которая представляет вид свечения, прекращающийся тотчас же после прекращения освещения, и фосфоресценцию, когда свечение продолжается длительное время и после прекращения освещения. Хотя такое деление люминесценции по длительности свечения в настоящее время не описывает всех случаев, оно довольно распространено. Процессы излучения, вызываемые освещением тела, объединяются под названием фотолюминесценция.

Фотолюминесценцию можно разделить на два типа, в зависимости от процессов, которые происходят внутри вещества. Один — в котором процессы возбуждения разыгрываются целиком внутри атома или молекулы, так что переход в возбужденное состояние не сопровождается отделением электрона от возбужденного атома или молекулы. Люминесценция такого типа соответствует возвращению молекулы (атома) в первоначальное состояние; она определяется в основном свойствами этой молекулы (атома) и сравнительно мало зависит от внешних условий (температуры, окружающих молекул и т. д.). Сюда относится в первую очередь люминесценция газов и жидкостей.

Более сложны процессы, происходящие в твердых и жидких люминофорах. При возбуждении таких веществ электрон нередко совершенно удаляется от своего положения в кристаллической решетке, благодаря чему повышается электропроводность кристаллов и возникает фосфоресценция, сопровождающая возвращение на старое место отделившегося электрона или какого-либо другого. Наблюдение фотолюминесценции можно осуществить разнообразными способами. Для многих веществ (растворы красок, например, флуоресцеина) своеобразное свечение заметно уже на рассеянном дневном свету или в пучке солнечных лучей.

Явление ослабевания люминесценции вследствие введения посторонних веществ носит название тушения люминесценции. Для многих веществ (главным образом жидкостей и газов) затухание идет настолько быстро, что свечение практически прекращается одновременно с прекращением освещения. Такой тип люминесценции обычно носит название флуоресценции. Наблюдение флуоресценции требует, следовательно, непрерывного освещения. В твердых телах послесвечение происходит в течение большего или меньшего промежутка времени. Этот вид люминесценции нередко называют фосфоресценцией.

Хотя, согласно предыдущему, четкое деление между флуоресцирующими и фосфоресцирующими веществами, в настоящее время, невозможно, тем не менее существуют вещества, которые вполне целесообразно выделить в класс фосфоресцирующих. К ним принадлежат, в частности, так называемые кристаллические фосфоры, дающие нередко очень интенсивное свечение и имеющие благодаря этому практический интерес. Такие фосфоресцирующие вещества характеризуются длительным послесвечением и, как уже упоминалось, сильной зависимостью длительности от температуры. Коэффициент полезного действия фосфоров, т. е. отношение общего количества отдаваемой в виде света энергии к количеству световой энергии, поглощенной фосфором при возбуждении, может быть очень велик (иногда он близок к единице). Большое значение коэффициента полезного действия открывает перспективы для использования фосфоров в качестве источников света.

Особенно важное значение имеет случай специального свечения, наблюдаемого под действием радиоактивных излучений. Как показал П. А. Черенков (1934 г.), работавший под руководством С. И. Вавилова, это свечение не испытывает тушения. Вавилов пришел к мысли, что оно не является люминесценцией, как считалось ранее, и связал его происхождение с движением электронов через вещество. При движении электрона сквозь вещество имеется, конечно, взаимодействие электрона с атомами вещества, в результате которого часть энергии электрона может передаваться атомам, вызывая их ионизацию или возбуждение. Однако в данном вопросе нас интересуют не эти виды потерь энергии электроном. Как показывает детальное рассмотрение электрического поля, создаваемого движущимся электроном, могут иметь место и иные формы растраты энергии электроном. Физическая возможность появления свечения Вавилова — Черенкова связана с движением электрона со скоростью, превышающей фазовую скорость световой волны в среде, что не противоречит положениям теории относительности. Таким образом, излучение Вавилова — Черенкова является совершенно новым и крайне интересным видом свечения, открытым исследователями.

Явления люминесценции также находят многочисленные практические применения. На них основан так называемый люминесцентный анализ. По характеру люминесцентного свечения можно определить состав какой-либо смеси. Люминесцирующие вещества могут также употребляться для обнаружения ультрафиолетовых лучей (за счет видимого свечения, возникающего под влиянием ультрафиолетовой радиации), а также инфракрасных лучей с помощью „вспышки", вызванной облучением фосфора инфракрасными лучами.

Очень важной особенностью люминесценции является возможность наблюдения свечения при чрезвычайно малых концентрациях вещества. Концентрации порядка 10-9г/см3 оказываются нередко вполне достаточными. Так как для удобного наблюдения можно ограничиться объемом в несколько десятых кубического сантиметра, то достаточно располагать 10-10г флуоресцирующего вещества, чтобы иметь возможность обнаружить его по характерному свечению. Такая чувствительность люминесцентных наблюдений делает возможным применение люминесцентного анализа для решения многих практических задач.

В настоящее время нередко применяют люминесцентный анализ. Флуоресценция нефти или содержащихся в ней примесей весьма значительна. Этим пользуются для быстрой разведки при закладке буровых скважин. Исследуя на флуоресценцию кусочки извлеченной породы, содержащие следы нефти, получают возможность судить о близости нефтеносных слоев и качестве нефти.

Методами люминесцентного анализа отличают друг от друга различные сорта стекол, сортируют шлаки, отделяя устойчивые и пригодные для мощения дорог; оценивают степень пористости каменных пород и строительных материалов, для чего смачивают их флуоресцирующим раствором и наблюдают за картиной распространения флуоресценции. Во многих химических производствах, в органической, технической и биологической химии применяют люминесцентный анализ для распознавания тех или иных компонент в сложных смесях. Известны плодотворные применения этого анализа в текстильном производстве, где легко обнаруживаются масляные пятна на тканях, невидимые простым глазом; в научных исследованиях, ибо флуоресцентные снимки отпечатков ископаемых, гораздо богаче подробностями, чем обычные снимки.

В криминалистической практике люминесцентный анализ позволяет легко установить следы крови, прочитать написанное невидимыми чернилами и т. д. Фотолюминесценция и катодолюминесценция многих минералов облегчают геологическую разведку, причем употребляются переносные осветители, позволяющие вести разведку непосредственно в породе. С помощью микроскопа можно наблюдать небольшие флуоресцирующие включения.

Эти и многие другие качественные определения не исчерпывают всех возможностей люминесцентного анализа. Возможно применение его и для количественных исследований. Для этой цели подыскивают реактив, вступающий в характерную реакцию с изучаемым веществом, дающую флуоресцирующие продукты, и обнаруживают последние при помощи люминесцентного анализа. Благодаря чрезвычайной чувствительности люминесцентного метода можно ограничиться ничтожными количествами исходного вещества. Подобным методом удалось, например, исследовать содержание озона в воздухе даже на больших высотах, причем пробы воздуха объемом в 10—20 л забирались при пролетах стратостатов на большой высоте, где давление не превышало 15—20 мм рт. ст. Таким образом, в распоряжении исследователя было всего около 0,5 г воздуха. Содержащийся в этом количестве озон был надежно измерен, хотя его содержание было меньше 0,00001%. Таким образом, практические применения люминесценции исключительно, разнообразны.