Текст книги "О чем рассказывает свет"

Автор книги: Сергей Суворов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 9 страниц)

Молекулярные спектры

Особенно большое значение для химии имело изучение спектров сложных веществ, или так называемых молекулярных спектров. Молекула – это сложная частица, состоящая из химически связанных друг с другом атомов. У молекул спектры совсем иного вида, чем у атомов. Молекулярный спектр не линейчатый, а полосатый. Вместо отдельных линий в молекулярных спектрах видны широкие полосы. Каждая полоса – это совокупность множества отдельных линий. Полосатые молекулярные спектры получаются при сравнительно невысоких температурах, например в газовой горелке (1800 градусов). При очень высоких температурах, например в электрической дуге (5000—6000 «градусов), большинство молекул сложных веществ разлагается «а отдельные атомы, полосатый спектр исчезает, появляются линейчатые спектры атомов, составляющих молекулу.

Раньше химик изучал сложные вещества так. Он выяснял, «при каких условиях различные атомы соединяются друг с другом; каковы весовые отношения отдельных элементов в сложном веществе; каковы свойства полученного вещества. Но от химика было скрыто главное, он не знал, какая перестройка происходит в атомах при соединении их в молекулу, не знал, почему одни вещества соединяются друг с другом, а другие нет. Это затрудняло сознательное управление химическими процессами.

Изучение спектров помогло и здесь. По тому, какие спектры испускают молекулы сложных веществ, как они рассеивают падающий на них свет, можно многое узнать о строении по крайней мере простейших молекул. Большие исследования в этой области были «проведены советскими академиками Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом, а также ленинградскими учеными профессорами С. Э. Фришем, Е. Ф. Гроссом и другими.

Академики Мендельштам и Ландсберг обнаружили новое, весьма важное явление. Они установили, что молекулы кристалла кварца, а также исландского шпата, рассеивая падающий свет, изменяют его спектральный состав, вызывают в спектре рассеянного света добавочные линии, которые сопровождают каждую линию первичного света. Эти добавочные линии получили название сателлитов (зависимых). Они появляются благодаря собственному колебанию молекул. В силу этого явление, открытое советскими учеными, названное комбинационным рассеянием света, представляет собой важный метод очень тонкого исследования строения молекул.

Большое число экспериментальных и теоретических работ в области исследования свечения растворов красителей проведено академиком С. И. Вавиловым (1891—1951). Он установил законы свечения молекул, позволяющие раскрыть механизм их возбуждения. Его исследования дают возможность судить об особенностях строения молекул красителей.

Теперь известно, что в ходе химических процессов перестраиваются оптические электронные слои атомов, и из них образуется общая электронная оболочка молекулы. Изучение строения молекул с помощью молекулярных спектров позволит химику находить средства ускорять течение химических процессов, более того, позволит вплотную подойти к созданию новых химических соединений, которые раньше в природе не наблюдались и свойства которых заранее задаются.

А это означает, что человек все больше становится активным творцом, который не только наблюдает, но и направляет процессы природы, преобразует ее на основе познанных законов.

Физические условия изменяют спектры

Мы уже говорили, что оптические спектры зависят от тех условий, в которых находятся атомы. Сильные магнитные поля изменяют оптические спектры атомов; они расщепляют спектральные линии. Таково же действие сильных электрических полей. Особенно резко меняет характер спектров ионизация атомов, т. е. выбивание из их электронной оболочки электронов. Спектр у незаряженного атома не такой, как у его иона. Когда про это забывали – приходили к ложным заключениям. Был, например, такой случай. В спектрах звездной туманности астрономы обнаружили линии, которые никто не наблюдал на Земле. Астрономы думали, что они открыли новый элемент, и заранее дали ему имя – небулий (от латинского слова «небула» – туманность). Казалось, они имели на это право: совсем так же был открыт гелий. Но небулию не повезло. Спустя много лет физики обнаружили, что неизвестные линии принадлежат не новому элементу, а дважды ионизованному кислороду, находящемуся в звездных туманностях в особых условиях. Таким же образом в звездных спектрах были «открыты» элементы короний и геокороний. Спектры, которые ввели в заблуждение астрономов, также принадлежали ионам давно известных элементов.

Недаром Менделеев так осторожно относился к известиям об открытии гелия, пока его не обнаружили на Земле. Еще в 80-х годах он указывал, что оптические спектры элементов сильно меняются в зависимости от тех условий, в которых находятся излучающие атомы. Академик Д. С. Рождественский впервые дал правильное истолкование спектров ряда ионизованных атомов (магния, ртути и других).

Физики изучают не только самые спектры, но и законы их изменений. По этим изменениям они узнают те условия, в которых находятся излучающие атомы. По тому, как изменяются звездные спектры, как сдвигаются в них линии давно известных элементов, ученые узнают, как и куда движутся звезды, как перемещаются отдельные области их атмосфер, каково давление в них, имеются ли в звездах электрические и магнитные поля, как ионизованы в них атомы и многое другое. По относительной яркости отдельных линий, иначе говоря, по тому, как в спектре излучения распределяется энергия, узнают температуру звезд. Таким же образом определяют температуру в электрической дуге, в доменных печах, всюду, где обычный термометр нельзя применять.

Так изучение спектров говорит нам не только о том, с каким веществом мы имеем дело, но и о его физическом состоянии.

Серии рентгеновских излучений

На рентгеновские спектры атомов внешние условия не оказывают столь большого влияния. Даже когда атомы вступают в химические соединения, их внутренние слои не перестраиваются. Поэтому рентгеновские спектры молекул те же, что и спектры составляющих атомов до их соединения в молекулу. Все это показывает, что электронные слои, в которых они возникают, лежат глубоко внутри атома и нелегко поддаются внешнему воздействию.

Рентгеновские излучения, возникающие в атомах одного и того же вещества, довольно резко разделяются на несколько серий по длине волны. Наиболее жесткие излучения, с короткими волнами, физики называют серией К (ка). Есть еще серии L (эль), серия М (эм) и другие (у тяжелых атомов). Эти серии аналогичны электронным слоям, о которых мы уже говорили.

Анализ спектров рентгеновских излучений показывает, что слой К – самый близкий к атомному ядру. В нем имеются только два электрона. И так во всех атомах, кроме водорода, у которого, как известно, всего лишь один электрон. Рентгеновские излучения серии К возникают тогда, когда один из электронов из слоя К выбивается при бомбардировке быстрыми электронами. Тогда на место удаленного электрона перескакивает электрон из других, более удаленных слоев. Этот перескок и дает рентгеновское излучение. Рентгеновские спектры серии К получены почти у всех атомов, начиная с № 4 – бериллия.

Изучение рентгеновских излучений показало, что структура внутренних электронных слоев одинакова у тяжелых атомов.

Рентгеновские частоты и ядерные заряды

Физики изучили частоты рентгеновских излучений у всех атомов, последовательно переходя от легких к более тяжелым. При этом переходе никаких периодических изменений в частотах не наблюдается. Зато наблюдается другая закономерность – частоты рентгеновских излучений постепенно, с ростом заряда ядра, возрастают. Опыты показывают, что частота излучений серии К зависит от порядкового номера элемента в таблице элементов Менделеева, или от заряда атомных ядер.

В 1914 году был открыт замечательный закон, названный по имени открывшего его английского физика законом Мозели. Согласно этому закону, частота рентгеновских излучений связана с зарядом атома. Первая частота из серии К вычисляется следующим образом. Некоторая, одинаковая для всех атомов, постоянная величина 24,67·10¹⁴ (как эта величина получается, мы здесь не имеем возможности говорить) умножается на квадрат числа, которое на единицу меньше заряда ядра (заряд ядра выражается в электронных единицах). У алюминия заряд ядра в электронных единицах равен 13 (он стоит в периодической таблице на тринадцатом месте). Так, для алюминия первая рентгеновская частота серии К вычисляется так: 24,67·10¹⁴ ·(13—1)² циклов. Заряд ядра атома у серебра равен 47 электронным единицам. Чтобы получить первую частоту той же серии рентгеновских излучений для серебра, придется перемножить числа 24,67·10¹⁴ ·(47—1)².

Справедливость этого закона была сначала установлена при исследовании рентгеновских излучений тех элементов, атомы которых были обстреляны альфа-частицами.

Но раз этот закон найден, он сам позволяет устанавливать заряд тех атомов, которые еще не были исследованы с помощью обстрела альфа-частицами. Для этого нужно было возбудить в них серию К рентгеновских излучений, промерить частоту их и произвести вычисления. Этот спектрометрический метод определения ядерных зарядов оказался гораздо более точным, чем метод, в котором заряд ядра определяется из учета того, как отклоняются ядром альфа-частицы.

Закон возрастания рентгеновских частот при переходе от легких атомов к более тяжелым – очень важный закон. Мы сейчас увидим, какую пользу принесло науке его открытие.

Точное место элементов в таблице Менделеева

Некоторые химические элементы стоят в таблице Менделеева не в порядке возрастания атомных весов. Таковы три группы элементов: № 18 – аргон (атомный вес 39,9) и № 19 – калий (атомный вес его меньше – 39,1), далее № 27 – кобальт (атомный вес 58,9) и № 28 – никель (атомный вес его меньше – 58,7), а также № 52 – теллур (атомный вес – 127,1) и № 53 – иод (атомный вес его меньше – 126,9).

Менделеев поставил указанные элементы в свою таблицу сообразно их химическим свойствам, в той последовательности, в какой они здесь перечислены. Атомные веса соседних элементов (например, кобальта и никеля) мало отличаются друг от друга. Среди химиков долго шли споры. Одни говорили, что в этих случаях нарушается периодический закон. Другие утверждали, что нарушения периодического закона нет, а просто у этих элементов неправильно определен атомный вес. Но сколько ни уточняли химики атомные веса этих элементов, всегда оказывалось, что аргон, кобальт и теллур соответственно тяжелее калия, никеля и иода. И все же в таблице Менделеева они стояли впереди калия, никеля и иода в нарушение стройности всей таблицы, как тогда думали.

В те времена и до конца жизни Менделеева (1910) наука еще ничего не знала ни о зарядах атомных ядер, ни о частотах рентгеновских излучений и тем более о законе возрастания этих частот с увеличением заряда атомных ядер. Закон Мозели был открыт уже после смерти Менделеева.

Когда все эти открытия были сделаны, рентгеновские спектры показали, что Менделеев совершенно правильно определил последовательность указанных элементов. Как теперь установлено, данная Менделеевым последовательность элементов соответствует возрастанию зарядов атомных ядер. Химические свойства элементов больше зависят от заряда атомных ядер, чем от атомных весов. Позднее ученые обнаружили даже такие элементы, у которых атомный вес немного отличался, но заряд ядер был один и тот же. И химические свойства их были тоже почти одинаковы. Такие элементы называют изотопами. Все изотопы стоят в одной клетке таблицы Менделеева (изотоп – слово греческое, означает «занимающий то же место»). Почти каждый элемент имеет несколько изотопов. Химики же определяли ранее не точный атомный вес элемента, а лишь средний атомный вес, т. е. атомный вес для смеси, состоящей из изотопов. Нарушив в своей таблице в трех случаях порядок возрастания атомных весов, Менделеев сохранил порядок, соответствующий закону периодичности химических свойств элементов. Но тем самым, как оказалось впоследствии, Менделеев сохранил последовательность возрастания ядерных зарядов.

Вот замечательный пример того, как важно быть объективным в науке и не поддаваться соблазну подогнать факты (атомные веса) под «закон» (возрастания атомных весов в периодической таблице), который, казалось бы, был уже вот-вот нащупан, так как оправдывался для 97% элементов! В этой объективности проявляется сила подлинной науки и мужество настоящих ученых.

Это также и пример того, что в науке исключения из установленных ранее правил всегда ведут к раскрытию новых, более общих, закономерностей.

Уверенность Менделеева в справедливости открытого им великого закона природы – закона (периодичности химических свойств – оправдалась и в этом случае. Она была подтверждена также и спектральным анализом рентгеновских излучений.

Рентгеновский спектр неоткрытых элементов

Наконец изучение закономерностей рентгеновских спектров привело к открытиям новых элементов.

Мы видим, что по частоте рентгеновского излучения серии К у какого-нибудь элемента можно установить, каков заряд ядра у его атомов, в какой клетке таблицы Менделеева он должен стоять. Наоборот, если известно, в какой клетке таблицы стоит (или должен стоять, если он еще не известен) элемент, то заранее можно сказать, какова частота его рентгеновских излучений.

В то время, когда был найден закон возрастания рентгеновских частот серии К с повышением порядкового номера элемента (1914 г.), в таблице Менделеева оставалось еще семь пустых клеток с номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. Никто еще не встречал в природе элементов с такими зарядами.

Но такие элементы должны существовать в природе! Закон возрастания рентгеновских частот позволяет вычислить, какие рентгеновские спектры дают эти элементы. Физики снова принялись за поиски. С этой целью сии обстреливали из электронной пушки многие сплавы и соединения. Если в каком-нибудь соединении находится «скрывающийся» элемент, он испустит излучение рентгеновской частоты. Физики ее заранее вычислили. Они точно знали, в каком месте спектра нужно ее искать, какой прибор (с каким устройством и шкалой) нужно взять, чтобы ее обнаружить! Поиски увенчались успехом. В двадцатых годах нашего века в платиновых рудах, минерале колумбите и других соединениях были обнаружены: элемент 72 – гафний, элемент 75 – рений, элемент 43 – мазурий, элемент 61– иллиний. Первые три из них были предсказаны еще Менделеевым, но в свое время отыскать их было трудно, пока не был теоретически рассчитан их рентгеновский спектр.

Открытие этих элементов было триумфом не только периодического закона Менделеева, но также и спектроскопии рентгеновских излучений^[3].

Познавательная роль теории

Стоит обратить внимание на то, как меняются методы поисков новых неизвестных элементов с ростом научных знаний.

В 60-х годах прошлого века ученый смотрел в спектрограф и искал, не появилась ли среди многих знакомых спектральных линий какая-либо незнакомая линия. Если находил – радовался: значит, открыт какой-то новый элемент. Этот метод был большим шагом вперед. Но иногда ученый, может быть, держал неоткрытый элемент в руках, но не находил его излучений; новые линии приходились на такой участок спектра, который не был виден в его спектрографе.

Теперь дело обстояло совсем иначе. Физик с большой точностью знал рентгеновский спектр еще не открытых элементов и, следовательно, знал, в какой части спектра следует искать их излучения. Так меняются методы исследований с ростом научных знаний.

Это – один из многих примеров, показывающих, как безгранична сила человеческого познания, как велика роль обобщающей теории. Она позволяет взглянуть на, казалось бы, разрозненные элементы и излучения, как на нечто целостное, подчиненное единым законам природы.

Превращение света в вещество

Исследование условий, при которых возникает свет в недрах вещества, углубило наши познания структуры атома, его составных частей – электронов, протонов, нейтронов, – так называемых элементарных частиц. Оно ввело физиков в мир малого – микромир – с его специфическими законами, в свете которых законы мира больших тел – макромира – оказались лишь приближенными. В микромире были открыты многие новые элементарные частицы.

Уже один тот факт, что свет рождается в недрах вещества, что фотоны появляются в результате каких-то пертурбаций, протекающих в недрах атома, говорит о том, что свет и вещество не внешне, а генетически связаны друг с другом. Это нашло свое подтверждение.

Английский физик Поль Дирак (родился в 1902 году) около тридцати лет назад попытался охватить процессы возникновения и поглощения света в единой математической теории. Но созданная им теория только в том случае была бы в состоянии охватить все известные экспериментальные факты, если бы было допущено, что в поле атомного ядра кванты света распадаются на... две противоположно заряженные частицы вещества – электрон и позитрон.

Рис. 37. Рождение пары электрон-позитрон из светового гамма-кванта. В магнитном поле налево (наверху) отклонен позитрон, направо – электрон

В свете прежних представлений, при которых вещество и свет противопоставлялись друг другу, как две чуждые по своей природе стихии (вещество – материя, свет – энергия), это требование теории казалось удивительным. Тем не менее соответствующие эксперименты были поставлены, и они действительно подтвердили, что гамма-кванты света в поле ядра превращаются в электрон и позитрон. Этот процесс превращения можно сфотографировать, если опыт производить в камере, в которой воздух пресыщен водяными парами, а вся камера помещена в сильное магнитное поле. Тогда возникшие электрон и позитрон будут разлетаться от точки своего рождения, загибаясь в разные стороны, поскольку у них противоположные заряды и они по-разному отклоняются магнитным полем. На своем пути они будут оставлять следы из осевших водяных паров. Эти-то следы и фотографируются.

На рис. 37 показана фотография, на которой видны следы электрона и позитрона, образовавшиеся в результате превращения гамма-кванта с длиной волны порядка одной десятитысячной ангстрема. Эта фотография получена в эксперименте русских ученых А. В. Трошева и И. М. Франка.

Возможен также и обратный процесс – превращения пары электрон-позитрон в кванты света, которое некоторые физики на Западе неправильно называют аннигиляцией, т. е. уничтожением материи.

Напротив. Факт взаимопревращений вещества и света показывает, что оба они являются не чем иным, как различными формами материи. Установление этого факта является высшим достижением современной физики. Технически этот факт еще не использован человеком. Но в будущем он, несомненно, откроет большие перспективы. Что касается принципиальной стороны дела, то и сейчас это открытие вооружает материалистов в борьбе за целостное материалистическое мировоззрение.

Модуляция света. Преобразование света

Об активном отношении человека к природе

Могущество разума человека состоит в его активном отношении к природе. Человек не только созерцает, но и преобразует природу. Если бы он только пассивно созерцал свет, как нечто найденное в природе, без всякой попытки по-своему видоизменить (модулировать) характеризующие его величины (параметры), он сильно ограничил бы возможности использования законов природы для господства над ней. Его производительные силы, его техника оставались бы на низком уровне.

Кто в наше время может представить себе жизнь без радиосвязи, без телевидения? А ведь развитие радиотехники обязано тому, что человек не только открыл радиоизлучения, но и научился целенаправленно модулировать их амплитуды, частоты и другие параметры. Именно это позволило передавать по радио любые сигналы, музыку, пение и т. п.

В самом деле, про гармоническую волну с неизменными параметрами можно сказать, что она либо есть либо ее нет. С ее помощью можно передать азбуку Морзе – чередование коротких и длинных по времени импульсов, но, например, голос человека передать нельзя. Следует учесть, что природа звука и радиоизлучений различна, их отличает также и частота колебаний: для радиоизлучений она порядка сотен тысяч и миллионов циклов, а для звука – в тысячи и десятки тысяч раз меньше.

Но техническая мысль нашла возможным передавать по радио даже звуки, изображения и другие сигналы Достигается это посредством модуляции параметров радиоизлучений, в частности посредством модуляции амплитуды. Посмотрим, как это делается.

Рис. 38. Схема телефонной модуляции амплитуды радиоизлучения

Передача звука по радио

Ламповый генератор, схема которого представлена на рис. 24, генерирует радиоизлучения с неизменными параметрами. Сделаем к нему небольшое дополнение: к контуру, подающему напряжение на сетку электронной лампы, присоединим через индукционную катушку добавочный контур с обычным угольным микрофоном (рис.38). Допустим, что перед микрофоном скрипач взял определенную ноту. Скрипичный звук, падая на мембрану микрофона М, будет через нее оказывать переменное давление на угольный порошок в телефонной капсуле. Электрическое сопротивление порошка будет меняться с той же частотой, что и частота скрипичного звука. Сила тока в первичной обмотке катушки ИК₃ будет меняться с той же частотой. Природа колебаний изменилась (вместо звука – электроток), но частота колебаний сохранилась. Теперь на переменное напряжение на сетке С лампы будет накладываться через вторичную обмотку катушки ИК₄ еще дополнительное напряжение, колеблющееся с частотой скрипичного звука.

В результате амплитуда высокочастотных колебаний, генерируемых в контуре КК, не останется постоянной. Она будет меняться по закону низкочастотного звукового колебания, наложенного дополнительно на сетку лампы. Так же будет колебаться и интенсивность радиоволн, излучаемых антенной.

Если мы изобразим эти колебания графически, то получим следующую картину (рис. 39). Здесь а – высокочастотные радиоколебания до модуляции; амплитуда их неизменна; б – звуковое низкочастотное колебание, изображающее скрипичную ноту, преобразованное затем в дополнительное колебание напряжения на сетке лампы; в – модулированное радиоизлучение в контуре и антенне.

Радиоизлучение, будучи само высокочастотным, понесло теперь в пространство, благодаря модуляции амплитуды, также и низкочастотное колебание, соответствующее частоте скрипичной ноты, взятой перед микрофоном.

Рис. 39. Графическое изображение амплитуды радиоизлучений: а – высокочастотные радиоколебания до модуляции; б – модулирующее звуковое колебание; в – модулированное радиоизлучение в антенне

Задача состоит теперь в том, чтобы в приемнике разделить эти две частоты, которые несут радиоволны, превратить частоту колебаний амплитуды в соответствующую частоту электротока, а эту последнюю – в звуковое колебание мембраны. Это разделение частот осуществляется опять-таки с помощью электронной лампы или же кристаллического детектора. Как это реализуется технически, мы не можем здесь описывать. Для нас важно лишь в принципе показать необходимость и возможность модуляции радиоизлучений для передачи по радио звуковой частоты и других сигналов.

Передавать сигналы по радио можно посредством модуляции не только амплитуды, но и частоты, а также фазы.

Естественные преобразователи света

Большую роль в технике играет преобразование света одной частоты в свет другой частоты. Мы рассмотрим сначала случаи, в которых преобразователями света выступает сама природа.

Мы уже рассказывали, что некоторые вещества можно заставить светиться, возбуждая их атомы нагреванием или обстреливая их из электронной пушки. Но оказывается, что и сам свет может возбуждать атомы и молекулы у ряда веществ. Так, под влиянием падающего невидимого света светятся молекулы бензола, антрацена и составных веществ, в которые они входят. Светятся также и многие красители. Существует целый класс твердых веществ, светящихся под действием невидимого света. Их называют фосфорами. Например, одним из таких фосфоров является вещество, состоящее из сернистого цинка с примесью незначительных количеств солей меди.

Рис. 40. Явление люминесценции. Под влиянием невидимого ультрафиолетового излучения раствор (Р) светится видимым светом

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.