На рис. 40 приведена схема опыта по возбуждению видимого света невидимыми ультрафиолетовыми лучами в растворах. Как показали исследования, одни растворы светятся голубым, другие — зеленым, третьи — оранжевым светом. Цвета свечения различных растворов различны.
Явление свечения веществ под действием падающего света называется люминесценцией, или, точнее, фотолюминесценцией, а светящиеся вещества — люминесцирующими. Люминесцирующие вещества — это и есть преобразователи света.
Что же происходит в таких преобразователях?
Кванты падающего света поглощаются молекулярными структурами люминесцирующего вещества, вследствие чего последние возбуждаются. Затем поглощенная веществом энергия вновь отдается в виде энергии излучаемого света. Этому процессу поглощения и излучения энергии присущи две следующие черты.
Рис. 41. Кривая АБВ показывает, как распределяется световая энергия но частотам излучения
Люминесцирующим веществом излучается не вся поглощенная энергия; часть ее растрачивается на какие-то внутримолекулярные процессы. Вследствие этого свет, испускаемый люминесцирующим веществом, имеет иной состав, а именно, спектр излучения будет сдвинут по сравнению со спектром поглощения в сторону более длинных волн (меньшей частоты). Может случиться так, что люминесцирующее вещество будет облучаться невидимым ультрафиолетовым светом, а испускать оно будет видимый свет. В этом сдвиге спектра излучения как раз и отражен процесс преобразования света. В температурных спектрах, которые получаются от раскаленных паров металла, такого сдвига не наблюдается; в них спектры поглощения и испускания одинаковы, никакого преобразования света не происходит.
Для большей наглядности начертим кривые распределения поглощенной и излученной световой энергии по спектру. Эти кривые вычерчиваются так. Вдоль горизонтали ОП откладываются частоты излучений, а вдоль вертикали ОР — величины соответствующей энергии (рис. 41). Тогда линии КА, ЛБ, MB и другие будут показывать, какая энергия приходится на долю излучения соответствующей частоты. Соединив точки А, Б, В и другие между собой, мы получим кривую, которая характеризует распределение общей энергии по частотам излучения. Обычно такие кривые имеют максимум— вершину (точка Б на рисунке): на долю излучений соответствующих частот приходится наибольшее количество энергии.
Рис. 42. Спектры поглощения и последующего испускания у люминесцирующего вещества. Максимум энергии спектра испускания сдвинут в сторону меньших частот (больших длин волн)
Теперь мы можем проследить различие между спектрами поглощения и спектрами испускания люминесцирующих веществ. На рис. 42 изображены два таких спектра люминесцирующего раствора красителя родомина в ацетоне. Правая кривая характеризует спектр поглощения в таком растворе, а левая — спектр его испускания. Максимум (вершина) спектра испускания сдвинут по отношению к максимуму спектра поглощения влево, в сторону более низких частот (более длинных волн). Такой сдвиг характерен для процессов люминесценции. Вторая черта процесса состоит в том, что спектр люминесценции однозначно определяется только молекулярной структурой люминесцирующего вещества. Подобную же черту мы наблюдали и в температурных спектрах испускания. И там определенному веществу был присущ определенный спектр излучения. Мы видели, как много пользы извлек человек из этого факта. Ниже мы увидим, что столь же плодотворным оказывается исследование люминесцентных спектров. Большую работу по исследованию законов преобразования света в явлениях люминесценции проделал коллектив советских ученых под руководством академика С. И. Вавилова, неоднократно удостоенного государственной премии.
Практические применения люминесцентных преобразований света. Таких применений множество. Мы имеем возможность только упомянуть некоторые из них, не входя в подробности.
В настоящее время в городах находят широкое применение лампы дневного света. Это трубки, наполненные парами ртути, со впаянными электродами на концах. Когда к электродам лампы подводится напряжение, в парах ртути происходит разряд и испускается ультрафиолетовое излучение. Под его действием начинают светиться видимым светом фосфоры (окись цинка, кадмия), нанесенные на внутреннюю стенку лампы. Состав фосфоров подбирается так, чтобы свет по своему спектру был близок к дневному. Такие лампы очень экономичны, так как видимый свет в них получается не за счет накала волоска и поэтому в них нет тепловых потерь.
В современной науке и технике мы часто пользуемся невидимыми лучами потому, что видимые лучи совершенно непригодны для нужных целей. Так, видимые лучи сквозь тело человека не проходят. «Просветить» человека можно только рентгеновскими лучами. Но рентгеновские лучи невидимы, а хирургу подчас надо быстро определить, в каких органах, скажем, засела пуля и даже как именно она расположена. Словом, ему надо «осмотреть» засевшую пулю с разных сторон. Как же это сделать?
На помощь приходят опять преобразователи света — экраны с подходящими фосфорами. Изображения внутренних органов человека, полученные с помощью рентгеновского излучения, падают на экран и вызывают видимое свечение фосфора, преобразуются в видимые изображения. Пулю, засевшую в органах, можно осмотреть со всех сторон, как если бы она сидела в прозрачном желатине.
Современная техника предъявляет строгие требования к тому, чтобы отливка, из которой будет сделана работающая деталь механизма, была внутри однородна, не имела трещин, раковин, инородного вещества. «Осветить» внутренность металла можно только с помощью коротковолновых рентгеновских лучей. Если внутри металла есть трещины, они нарушат ход лучей, трещина будет изображена на фотопластинке. Однако фотографирование — процесс долгий, он непригоден при современных темпах производства. На помощь приходит умение человека преобразовывать свет. На место фотопластинки ставится экран из фосфоров. На нем изображение дефектов металла можно наблюдать визуально. Контроль за качеством металла становится удобным и, главное, быстрым.
Люминесцентный анализ на производстве
Подобно тому как существует множество марок металлических сплавов с разнообразными свойствами, так имеется и множество сортов масел и бензинов.
Возьмем, например, масла. Для различных условий работы требуются масла, различные по своим свойствам. Смазочные масла различаются по вязкости, удельному весу, температуре воспламенения и температуре застывания, по стойкости к окислению и по другим физико-химическим свойствам. Вырабатываются различные группы смазочных масел: индустриальные, судовые, турбинные, компрессорные, моторные, цилиндровые и другие. А каждая группа в свою очередь делится на ряд подгрупп (авиационные, швейные, оружейные и другие) и множество марок.
В производстве и эксплуатации масел важно быстро определять их сортность. Как это можно делать? Химический анализ с помощью обычных химических реакций занял бы слишком много времени.
На помощь опять приходит наука о свете. Но при анализе масел описанные выше приемы не пригодны. Масла представляют собой органические соединения; их нельзя сильно нагревать, при высокой температуре они либо распадаются на составные части, либо воспламеняются. Поэтому при спектральном анализе масел не нагревают, а используют их свойство светиться под действием падающего ультрафиолетового света, т. е. применяют люминесцентный анализ.
Люминесцентный анализ весьма чувствителен. Достаточно присутствия в одном кубическом сантиметре одной стомиллиардной доли грамма примеси другого масла, как это скажется на спектре люминесценции. В силу этого обнаруживаются малейшие различия в сортности исследуемых масел.
Точно так же сортируется оптическое стекло. Существует несколько десятков сортов оптического стекла. Каждый из них пригоден для одних оптических приборов и не годится для других. Но по внешнему виду они не отличаются друг от друга. Зато в ультрафиолетовых лучах они дают различное видимое свечение. Сортность стекол проверяется в ходе производства с помощью люминесцентного анализа.
Люминесцентный анализ широко применяется в советской промышленности. Методом люминесцентного анализа контролируют сортность и качество изделий в строительной, пищевой, резиновой промышленности и в ряде других. Это очень быстрый и надежный, простой и дешевый способ контроля.
Задача преобразования длинноволновых излучений в видимый свет
