Факультет

Студентам

Посетителям

Светит, но не греет

На какой срок задерживается частица вещества, способного к люминесценции, на метастабильном уровне?

На очень разный — от одной десятимиллиардной доли секунды до нескольких часов. Эти промежутки времени отличаются друг от друга на четырнадцать порядков, как одна секунда и миллион лет! Но оставаться на возбужденном уровне частица должна не меньше, чем на 10-10 сек., иначе время возбуждения будет соизмеримо с длительностью светового колебания и можно будет сказать, что фотон вылетает в тот же момент, когда происходит возбуждение.

Для всякого рода свечения, будь оно люминесцентным или обычным, необходима энергия. Ее может доставлять поток лучей, частиц и т. д. При обычном способе свечения внешний агент передает энергию как веществу, так и излучению — в пропорции, определяемой законом Стефана-Больцмана. Если даже допустить, что энергия по какой-то причине будет уходить лишь на возбуждение микрочастиц, то она тут же вернется в вещество в форме фотонов и установится равновесие, о котором уже говорилось. Но при наличии метастабильных уровней все обстоит по-другому. Внешний источник энергии может питать главным образом переходящие в возбужденные состояния частицы. Лишь по прошествии некоторого времени (не менее 10-10 сек.) эта энергия вернется — из вещества полетят фотоны. Они или уйдут в пространство, или нагреют вещество, но эта запоздалая отдача не приведет к установлению равновесия лучи — частицы. Поэтому люминесцентное свечение кажется странным — оно как бы непосредственно переводит в свет поступающую извне энергию, не превращая ее в тепло. Иногда такой перевод происходит с заметной задержкой и тогда явление кажется еще более загадочным. Это объясняется тем, что мы в повседневной жизни привыкли лишь к одному источнику свечения тел — к тепловому движению молекул.

Люминесценция может возбуждаться различными агентами. В зависимости от этого она получает различные названия. Таким образом, родовое понятие «люминесценция» включает в себя множество видовых понятий. Этот термин не относится к такому тоже «холодному» способу свечения, как отражение света или к тормозному излучению (в этих явлениях происходит мгновенное преобразование энергии внешнего фактора в свет).

В полярных сияниях и в тихом разряде внутри облака (зарницы) возбудителями микрочастиц являются электроны. То же можно сказать о свечении экрана телевизорной трубки. Люминесценция, вызываемая потоком электронов, называется катодолюминесценцией (вспомните, что когда-то электронный пучок называли катодным лучом). Это, конечно, не единственный вид люминесценции. Если возбудителями микрочастиц служат электромагнитные волны — фотоны какого-либо диапазона, то говорят о фотолюминесценции. Она особенно интересна — ведь тут происходит преобразование одних фотонов в другие.

Отличие от простого отражения состоит не только в длительности задержки вторичного излучения, но и в том, что по своему спектру люминесценция может быть совсем не такой, как вызвавшее ее внешнее излучение; т. е., при фотолюминесценции падающие на тело фотоны не просто сидят некоторое время в ловушке, но и подвергаются «перекрою». Наиболее широко известный пример фотолюминесценции — свечение циферблата будильника. Чтобы это свечение возникло, нужно предварительно поставить будильник под поток ярких лучей солнца или лампы. Аккумулированный свет возращается циферблатом даже через два-три часа — уже в полной темноте. Как вы знаете, свет циферблата часов по своему спектру не похож на тот свет, который вызывает возбуждение. Цифры и стрелки всегда излучают зеленоватые фотоны, независимо от того, какие лучи вызвали «заряд» свечения.

Светящийся циферблат будильника — пример исключительно длительной люминесценции. Значит в специальном веществе, покрывающем циферблат и стрелки, имеются такие молекулы, которые способны оставаться в возбужденном состоянии много часов — целую вечность, если судить по молекулярным масштабам времени. Не «угнетает» ли такую молекулу столь затянувшееся возбуждение, не может ли оно сбросить с себя излишек энергии другим способом — не дожидаясь пока ее унесет люминесцентный фотон?

Да, конкурирующие с высвечиванием процессы отдачи энергии имеются. Возбужденная молекула может, например, диссоциировать. Мы называем такое явление фотодиссоциацией. Вообще надо помнить, что излучение фотона — не единственный путь избавления от лишней энергии. О конкурирующих с люминесценцией процессах мы еще будем говорить в последующих главах.

Нетрудно сообразить, что коль скоро люминесценцию могут вызывать электроны, разогнанные электрическим полем, то на это же способны и положительные ионы. Это будет анодолюминесценция (анодные лучи).

Выдающуюся роль в физике сыграла радиолюминесценция— длительное свечение, вызванное альфа-, бета — и гамма-лучами радиоактивных элементов. Сейчас она используется в специальных часах, которые светятся в любое время, независимо от предварительного освещения циферблата. Но в начале нашего столетия радиолюминесценция сослужила более важную службу, делая видимым таинственное излучение тяжелых элементов — урана, тория, радия и т. д. Нужно сказать, что люминесценция, вызванная бета-лучами, фактически катодолюминесценция, а вызванная гамма-лучами — фотолюминесценция. Однако термин сложился исторически, оставшись от тех времен, когда не подозревали о родстве между гамма-лучами и обычным светом.

Носители радиоактивного излучения обладают высокой энергией — в миллионы электроновольт, поэтому каждая альфа — или гамма-частица возбуждает сразу множество молекул люминофора. На таких люминесцентных вспышках, сопровождающих прохождение через вещество порции радиоактивного излучения, основан принцип действия очень употребительных в современных лабораториях сцинтилляционных счетчиков.

Так как гамма-лучи отделены от световых, то следует отграничить и рентгеновское излучение. Понятно, что свечение, вызванное рентгеновскими лучами, называется рентгенолюминесценцией. По своей природе, по диапазону энергий, это явление сходно с катодолюминесценцией.

Если вы разгрызали когда-нибудь крепкий кусок сахара в полной темноте, то, наверное, знаете о вспышках света, возникающих при этом. Здесь мы сталкиваемся с триболюминесценцией — запаздывающим превращением механической энергии в фотоны. Этот вид люминесценции сопровождает некоторые процессы трения. Важно заметить, что раскалываемый сахар светится не потому, что он нагревается — вам не удастся зажечь от него трут, как от кремня. Свечение в этом случае холодное — механическое усилие превращается в энергию фотонов, минуя тепловую форму энергии.

В энергию запаздывающего свечения может также превращаться химическая энергия. Такое явление носит название хемилюминесценции. Частным случаем ее является биолюминесценция — термин, уже знакомый нам. Каков же микромеханизм этого, самого важного для нас вида холодного свечения?

Химические реакции — независимо от того, происходят они в мертвом веществе или живом — состоят в преобразовании одних молекул в другие. Энергия исходной системы молекул отличается от энергии продуктов. Если реакция экзотермична, то выделяется излишек энергии. Обычно он освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции, т. е. тепла. Например, если происходит реакция соединения двух молекул в одну, то исходные молекулы притягиваются друг к другу, убыстряют свое движение и, сцепившись, начинают быстро вращаться или совершать упругие колебания и т. п. Но что будет, если у образующейся в результате реакции молекулы имеются метастабильные уровни? Тогда она не будет вращаться, колебаться или пульсировать после появления на свет, а останется на месте в возбужденном состоянии. Такая модель процесса, безусловно, очень груба и примитивна, хотя и показывает кое-что характерное для хемилюминесценции. Работы последнего десятилетия показали, что даже те химические реакции, которые считались раньше очень простыми, протекают необыкновенно сложно, с цепочкой промежуточных превращений молекул.

Многоступенчатый ход имеют реакции с участием больших молекул. Именно такие реакции происходят в тканях животных и растений. Здесь люминесценция возникает на одном из этапов реакций. В каких звеньях она происходит? Какое значение она имеет для организма? На эти вопросы мы постараемся в дальнейшем дать ответ. Сейчас можно сказать только следующее: хемилюминесценция является всегда одним из многих конкурирующих способов выделения лишней энергии; в числе других способов находится разогревание вещества.

Сколько же процентов энергии идет на высвечивание, а сколько на другие процессы? В разных случаях, конечно, дело обстоит по-разному, но в общем доля внешней энергии, приходящаяся на люминесценцию, невелика. Рекордная цифра — 70%, но она совсем не годится для хемилюминесценции. При этом процессе энергетический «выход» свечения составляет всего лишь долю процента.

После того, как мы познакомились с понятием люминесценции и рассмотрели механизм этого интересного явления, осталось выяснить, что же представляет собой фосфоресценция?

Проводя деление на фотолюминесценцию, радиолюминесценцию и т. д., мы руководствовались причиной, которая вызывает остаточное свечение. Но в основу классификации можно положить также и время послесвечения, т. е. период, в течение которого люминесценция продолжается после прекращения доставки энергии извне. Если протяженность этого периода улавливается глазом, т. е. человек замечает явное остаточное свечение после устранения причины возбуждения, то явление называется фосфоресценцией. Если же время последействия неуловимо для наблюдателя и у него возникает субъективное убеждение, что свечение исчезло одновременно с устранением возбудителя, то говорят о флуоресценции. Флуоресценция происходит, например, в покрытии телевизорного экрана.

В заключение главы несколько слов об истории исследований люминесценции. Заключение о том, что это — неравновесное свечение было сделано еще в восьмидесятых годах прошлого века. Вторая же часть определения люминесценции — указание на ее длительность (более 10-10 сек.) появилась лишь в 1944 г.; она была дана академиком С. И. Вавиловым, посвятившим изучению люминесценции много талантливых работ. Что же касается классификации по видам, то она создавалась постепенно: например, еще в XIX в. русский ученый В. В. Петров разграничил фотолюминесценцию и биолюминесценцию.

Люминесцентное свечение приобрело в наше время исключительное значение для техники, науки и быта. Каждый знает о люминесцентных лампах, освещающих улицы городов. Такие лампы очень удобны и экономичны. Без люминесценции нельзя было бы создать телевизор и электронный микроскоп, намного бы замедлилось открытие и исследование многих радиоактивных элементов, ядерная физика лишилась бы ценнейших способов регистрации частиц. Люминесценция широко используется в научных исследованиях: отчетливо показывая квантовые свойства вещества, она доставляет нам ценнейшую информацию о глубинах материи. Несколько лет назад следовало бы сказать «неживой материи». Сегодня имеются в виду уже и живые ткани.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: