Свет — мое призвание - [33]

Была выведена формула, связывающая степень поляризации при возбуждении свечения естественным светом с ее величиной, наблюдаемой при возбуждении люминесценции линейно-поляризованным светом. Формула Вавилова — Левшина, многократно подтвержденная в опытах, позволяет, в зависимости от требуемых условий эксперимента, осуществлять возбуждение свечения как естественным, так и поляризованным светом, что существенно расширяет возможности экспериментов.

Вавилов и Левшин теоретически рассмотрели простейшие случаи возникновения поляризованной люминесценции, предположив, что поглощение и испускание света в молекуле можно описать, уподобив ее электрическому диполю — совокупности двух одинаковых по величине и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, малом по сравнению с расстоянием этих зарядов от исследуемых точек поля. Считалось, что диполи, ответственные за поглощение и излучение, совпадают между собой. Исходя из этих представлений, для случая равномерно распределенных в пространстве диполей была получена степень поляризации, равная 50 процентам. Это значение оказалось близким к величине предельной степени поляризации у ряда веществ.

В 1924 году В. Л. Левшин обнаружил, что величина предельной степени поляризации сильно зависит от длины волны возбуждающего света. Однако несовершенное оборудование не позволило изучить эту важную закономерность. Через пять лет С. И. Вавилов получил возможность на более высоком экспериментальном уровне исследовать это явление. Он использовал те же разведенные глицериновые (10e-5 грамм на кубический сантиметр) растворы красителей, что и В. Л. Левшин. В качестве источников света в интервале от 540 до 253 нанометров применялась ртутно-кварцевая лампа, а в интервале от 250 до 200 нанометров — дуговая угольная лампа. Отдельные волны выделялись с помощью кварцевого монохроматора.

Тщательные измерения в широком спектральном диапазоне привели С. И. Вавилова к открытию важной зависимости предельной степени поляризации от длины волны возбуждающего света. Сергей Иванович показал, что величина степени поляризации очень сильно меняется при изменении длины волны возбуждающего света и в ряде случаев может принимать отрицательные значения. Оказалось, что эта зависимость характерна для каждого люминесцирующего вещества. Это позволило Вавилову ввести в учение о люминесценции новую оптическую характеристику люминесцирующих соединений, которую он назвал поляризационным спектром. Ныне поляризационные спектры наряду со спектрами поглощения и люминесценции широко используются при изучении свойств люминесцирующих веществ.

В. Л. Левшин, а позднее французский ученый Франсис Перрен развили теорию поляризованной люминесценции. Независимыми путями они пришли к важной формуле, названной формулой Левшина — Перрена, которая связывает значение наблюдаемой степени поляризации люминесценции с величиной угла между поглощающими и излучающими диполями в молекуле.

Дальнейшие опыты П. П. Феофилова показали, что поляризационный спектр вещества очень тесно связан с его электронным спектром поглощения. Используя формулу Левшина — Перрена, Феофилов установил, что поляризационные спектры позволяют определять относительное расположение диполей поглощения и излучения в молекулах, что дает возможность получать такую информацию о свойствах молекулярных систем, которую нельзя получить никакими другими методами.

Изучая свойства поляризованной люминесценции, С. И. Вавилов заинтересовался природой так называемых элементарных излучателей. Он показал, что поглощение и излучение света такими сложными системами, как атомы и молекулы, можно описать, уподобив их некоторым упрощенным моделям — элементарным излучателям. В качестве таких моделей могут быть использованы электрические диполи, магнитные диполи, отличающиеся от электрических тем, что в них электрические заряды заменяются совокупностью двух одинаковых по величине разноименных фиктивных магнитных зарядов, а также электрические квадруполи — системы зарядов, представляющие собой два равных по величине и противоположных по знаку электрических диполя, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Вводить в описание более сложные модели элементарных излучателей оказалось излишним. Но и в случае с упрощенными моделями системы излучений в молекулах могут быть достаточно сложны, так как часто приходится предполагать, что излучающие и поглощающие элементарные излучатели не совпадают.

Для установления природы элементарных излучателей Сергей Иванович предложил два остроумных и чувствительных метода. Первый основан на наблюдении интерференции световых лучей, расходящихся от источника света под очень большим углом, а затем сходящихся вместе. Работы по исследованию широкоугольной интерференции были осуществлены С. И. Вавиловым и Е. М. Брумбергом в 1932 — 1937 годах. Сущность метода широкоугольной интерференции заключается в том, что каждый из элементарных излучателей имеет характерное для него распределение интенсивности испускаемого света в пространстве. В результате интерференционная картина исходящих от излучателей лучей определяется углом между ними. При этом ее характер существенно зависит от того, одинакова или различна интенсивность лучей. В случае одинаковой интенсивности лучи при подходящей разности фаз могут полностью погасить друг друга. В противном случае этого не происходит. Расчеты показали, что при взаимодействии широко расходящихся когерентных лучей интерференционные картины должны существенно различаться при дипольном и квадрупольном излучениях. Метод позволил надежно устанавливать природу элементарных излучателей.