Сергей Вавилов - [42]

А результат был один и тот же: кристаллы светились после обработки одним и тем же цветом.

Открытие того, что длительность является главным свойством люминесценции, явилось крупным вкладом в науку об этом удивительном явлении природы. Но с особой силой талант С. И. Вавилова проявил себя в выяснении закономерностей, которым подчиняется холодное свечение.

Труд, упорное стремление к цели и гениальные догадки помогли Сергею Ивановичу открыть основной закон спектрального преобразования света в процессах люминесценции.

На протяжении столетия среди физиков, занимавшихся вопросами оптики, было широко распространено так называемое правило Стокса (или закон Стокса). Полученное чисто практически, из прямых наблюдений, оно было сформулировано в 1852 году английским исследователем Джорджем Стоксом как эмпирическое правило и не имело никакого теоретического объяснения. Оно устанавливает отношение излучения, возбуждающего люминесценцию, к самой люминесценции, иначе говоря, позволяет приблизительно предвидеть, как преобразуется поток лучей, падающий на люминесцирующее вещество.

Прежде чем излагать сущность закона Стокса, сделаем несколько разъяснительных замечаний.

Как известно, «обычный» белый свет, озаряющий от солнца видимые нами днем предметы, представляет собою смесь семи основных цветов. Со школьных лет мы, пользуясь простым мнемоническим правилом, запоминаем последовательность этих цветов, разворачиваемую на экране стеклянной призмой: красный — оранжевый — желтый — зеленый — голубой — синий — фиолетовый («каждый — охотник — желает — знать — где — сидят — фазаны»).

Чем ближе цвет к «красному концу спектра», тем длина его волны больше, или, что одно и то же, меньше частота колебания соответствующего излучения. Оно, как говорят, «мягче». Фиолетовый же цвет имеет самую короткую волну, самую высокую частоту колебаний. Фиолетовый «конец» спектра соответствует самым «жестким» лучам видимого света.

И за красным и за фиолетовым концами спектра простираются области невидимых человеческим глазом излучений.

С одной стороны, это «мягкое» инфракрасное излучение. С другой — по мере уменьшения длин волн: ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Последние всех «жестче».

С уменьшением длин волн растет энергия фотонов. Фотон видимого света выглядит перед гамма-фотоном — обычно продуктом ядерных процессов — как пуля мелкокалиберной винтовки перед мощнейшим снарядом крепостной артиллерии.

Правило Стокса утверждает, что длина волны люминесценции всегда больше длин волны возбуждающего излучения. Происходит как бы трансформация света, его преобразование от высоких частот к частотам меньшим. Большие кванты падающего света превращаются в малые кванты излучения, а потерян-ная при этом энергия расходуется на нагревание вещества.

Цвет люминесценции поэтому в основном смещен в красную сторону спектра по сравнению с возбуждающим цветом. Сергей Иванович весьма наглядно пояснял это свойство холодного свечения.

Он брал стеклянную пробирку и наливал в нее чистую серную кислоту. Как все так называемые «чистые» жидкости, и серная кислота содержала в себе небольшие органические примеси из воздуха. Эти примеси при возбуждении их светом люминесцируют. Затем ученый включал ртутную лампу и концентрировал ее свет на пробирке с кислотой. На пути пучка устанавливался тот или иной светофильтр.

Возникала чудесная картина, которая неизменно приковывала внимание всех присутствовавших на демонстрации.

Экспериментатор брал черное стекло, пропускающее только ультрафиолетовые лучи. В результате возбуждения возникало голубое свечение.

— Переменим теперь цвет возбуждающего пучка! — объявлял Сергей Иванович и заменял черное стекло синим. Свечение немедленно приобретало зеленый оттенок. Синее стекло заменялось зеленым. Люминесценция становилась очень слабой и приобретала кирпично-коричневый оттенок.

— Видите, — заключал Вавилов, — по мере перемещения цвета возбуждения в красную чаеть спектра в ту же сторону передвигается и цвет холодного свечения. В этом и состоит правило Стокса.

Затем ученый пояснял, что именно на этом свойстве различных невидимых электромагнитных излучений превращаться в видимый свет и основано сейчас практическое применение люминесценции. Рентгеновские лучи заставляют светиться экран, покрытый специальным составом: невидимые ультрафиолетовые лучи, падая на люминофор, превращаются в голубоватое свечение люминесцентной лампы и так далее.

На практике закон, или правило, Стокса, выполняется всегда. Но свет по большей части, в том числе и свет люминесценции, состоит из разных квантов: больших и маленьких — таких, что ближе к фиолетовой стороне спектра, и таких, что ближе к красной стороне. Поэтому физики предпочитают говорить не о «цвете» светового пучка, а его «спектральном составе», чтобы подчеркнуть, что перед ними не совокупность одних и тех же фотонов, а смесь разнородных квантов.

Означает ли практическая справедливость правила Стокса, что все без исключения кванты люминесценции «более красны», чем те, что их породили?

Оказывается, нет.

Бывает (и это тоже было получено из опытов), что наряду с большим количеством «более красных» квантов люминесценции из облучаемого вещества вылетает и небольшое количество «более фиолетовых» квантов.