Послесвечение и свечение

Одним из естественных путей отдачи энергии света, поглощенной красителями, является излучение. Возбужденный электрон скачком возвращается на свое место в атоме, а избыточная энергия высвечивается в виде кванта излучения. Вторичное излучение, называемое флуоресценцией,— одна из разновидностей послесвечения. Как ни мала длительность возбуждения электрона (10^-7—10^-9 сек), часть электронной энергии успевает за это время рассеяться в виде энергии вибрации молекул. Поэтому излученный квант обычно немного меньше поглощенного, а длина волны излучаемого света — несколько больше (правило Стокса).

При некоторых обстоятельствах длительность послесвечения составляет десятые доли секунды и даже целые секунды. Это явление было названо фосфоресценцией, так как оно казалось похожим на свечение фосфора. В действительности же фосфор светится по совершенно другим причинам. Что же касается фосфоресценции, то физическую природу этого явления раскрыл выдающийся советский физик С. И. Вавилов. Он обратил внимание на то, что фосфоресценция лучше выражена при низких температурах или в жестких, стеклообразных средах, т. е. в условиях, когда подвижность молекул ограничена. Чтобы понять природу процесса фосфоресценции, рассмотрим более подробно схему возбужденного состояния атома.

Когда электрон возвращается с высокого энергетического уровня на исходный, иногда происходит «заминка». Если до разрядки электрон успевает растратить значительную часть своей энергии, он оказывается на промежуточном уровне. Вернуться на исходную, основную орбиту электрон теперь не может. Чтобы выбраться из «ямы», электрон должен приобрести растерянную им часть энергии, подняться на уровень возбуждения, а затем скачком вернуться в исходное состояние. Такой сложный путь требует времени для выполнения, поэтому метастабильное возбужденное состояние сохраняется значительно дольше обычного. При высокой температуре раствора недостающая для разрядки метастабильного состояния энергия может быть легко получена за счет теплового движения молекул. Но при низкой температуре или стеклообразном состоянии раствора разрядка затруднена, поэтому метастабильное состояние и фосфоресценция сохраняются особенно долго.

Рассмотренные нами виды послесвечения имеют различную физическую природу, но внешне сходны. В отличие от рассмотренного в одном из предыдущих разделов этой главы температурного свечения, спектральный состав которого зависит от температуры источника и с ростом ее изменяется в соответствии с законом Вина, флуоресценция и фосфоресценция должны быть отнесены к холодному свечению, или люминесценции [Люминесценция (от греческого «люмен» — свет) — это всякого рода надбавка над температурным свечением источника.], и носят общее название фотолюминесценции, ибо причиной их возникновения является поток фотонов — свет.

Фотолюминесценция широко используется на практике. Улицы наших городов, многие общественные здания и учреждения освещаются лампами дневного света, работающими по принципу фотолюминесценции. Находящиеся в электрическом поле пары ртути испускают главным образом ультрафиолетовые лучи. Если на внутреннюю поверхность стеклянной трубки предварительно нанесен слой люминофора — вещества, превращающего кванты ультрафиолета в меньшие по величине фотоны видимого света в соответствии с правилом Стокса, такая лампа при одинаковой мощности потребляемого тока дает в 3—4 раза больше света, чем обычная лампа накаливания. Путем подбора люминофоров ученые добиваются приближения спектра излучения люминесцентных ламп к спектральному составу дневного света.

В нашей стране выпускают в настоящее время люминесцентные лампы четырех типов: дневного света (ДС), холодно-белого света (ХБС), белого (БС) и тепло-белого света (ТБС). Во всех лампах возбуждает люминесценцию резонансная линия паров ртути с длиной волны 2537 А. Стеклянная трубка лампы изнутри покрывается тонким слоем люминофора — галофосфата кальция, активированного сурьмой или марганцем. Изменяя соотношение компонентов, получают 4 названных типа ламп. Излучение ламп дневного света голубовато-белое, соответствует тепловому излучению источника с температурой 6500°С; свет ламп холодно-белого света — 4200°С, белого — 3500°С, тепло-белого (белого с розовато-оранжевым оттенком) — 2700°С. Сейчас более половины светового потока, создаваемого искусственными источниками света, производится люминесцентными лампами. Наряду с высокой экономичностью им присущи малая яркость и слепимость, а также другие ценные качества. Один из недостатков — так называемый стробоскопический эффект — обусловлен тем, что свечение люминесцентных ламп — это по существу ряд вспышек, следующих друг за другом каждую сотую долю секунды, т. е. соответствующих половине периода переменного тока, питающего лампу. При малейшем падении напряжения (а они неизбежны при питании переменным током) лампа гаснет. Спираль лампы накаливания за сотую долю секунды не успевает остыть, а свечение люминесцентной лампы успевает исчезнуть и вновь зажечься. Поэтому движущиеся предметы в свете таких ламп мы видим не плавно перемещающимися, а мелькающими. Устраняют эффект соединением нескольких ламп в одном светильнике.

Явление послесвечения органически связано с процессом поглощения световых квантов. Но существуют и другие виды холодного свечения.

Кат од о люминесценция — свечение газов, порошков, кристаллов под влиянием быстродвижущихся электронов, разгоняемых электрическим полем. Таковы, например, полярные сияния, возникающие при вторжении в атмосферу электронов солнечного ветра, солнечных вспышек.

Под словом электролюминесценция понимают свечение разреженных газов в электрическом поле дугового или тлеющего разряда. Причиной свечения является возбуждение частиц газа электронами, которые под влиянием разности потенциалов приобретают большую скорость и энергию. В отличие от катодолюминесценции в данном случае электроны не вводятся извне, а вырываются силами электрического поля из атомов самого светящегося газа. На этом принципе работают все газосветные лампы: и те, которые используются для световых реклам (в них светятся инертные газы неон, аргон, криптон и др.), и ртутно-кварцевые лампы, дающие ультрафиолетовые лучи, и другие лампы, применяемые в физиотерапии, и водородные лампы с непрерывным спектром излучения. Неоновые трубки дают оранжевое свечение, гелиевые — желтое, аргоновые со ртутью — синее, аргоновые со ртутью в желтых трубках — зеленое. Белесоватое свечение дают пары ртути и углекислый газ. Газовый разряд в парах ртути при низком давлении дает линейчатое излучение в основном с длинами волн 1849 и 2537 А. Кварцевые трубки пропускают вторую линию. Такие лампы называются бактерицидными, так как ультрафиолетовые лучи в области 2500—2650 А губительны для микроорганизмов. При увеличении давления паров ртути и использовании трубок из увиолевого стекла получают длинноволновое ультрафиолетовое излучение (2804 и 3130 А). Такие лампы называются эритемными — они вызывают покраснение кожи и загар.

Сернистый цинк, особенно при добавке серебра, меди или марганца, светится под влиянием приложенного переменного электрического поля. Это явление используется для создания больших светящихся поверхностей, для сигнализации, в целях рекламы и т. п.

Явления катодо- и электролюминесценции находят широкое применение в технике. Электронный луч в кинескопах — электронно-лучевых трубках телевизоров скользит по экрану, покрытому люминофором, перемещаясь по горизонтали и вертикали под влиянием магнитных и электрических полей (рис. 15), давая изображение.

Сходную физическую природу имеет свечение, возникающее под влиянием процессов радиоактивного распада и рентгеновского излучения (радиолюминесценция). Возникающие при распаде ядер частицы (протоны, а-частицы, электроны и др.) непосредственно ведут к возбуждению и ионизации атомов некоторых веществ. Свечение вызывают также выбитые ими и рентгеновскими квантами электроны. Каждая ионизирующая частица вызывает самостоятельную вспышку света. Поэтому специальными кристаллами, светящимися под влиянием таких частиц, пользуются для измерения количества распадов, дозы излучения. Счетчики излучения с такими кристаллами называются сцинтилляционными (от латинского слова сцинтилла — искра, вспышка). Рентгеновские люминесцирующие экраны делают видимым невидимое изображение, создаваемое рентгеновскими лучами, прошедшими через тело больного, позволяют сразу видеть больной орган. Одновременно они защищают врача от облучения.

Светящиеся составы, содержащие в качестве источников радиолюминесценции ничтожное количество радия или тория, используют для изготовления светящихся циферблатов часов. Благодаря длительности процесса распада радия подобное свечение сохраняется без изменений сотни лет.

Рис. 15. Развертка изображения кинескопа

а — горизонтальная; б — вертикальная; в — растровая

Свечение, возникающее при трении некоторых веществ, например при раскалывании кусков рафинада,— триболюминесценция — и при раздавливании некоторых кристаллов — кристаллолюминесценция — является результатом возникновения статических электрических полей на трущихся поверхностях или в местах разлома. При разряде статического электричества возникает ультрафиолетовое излучение, которое и есть непосредственная причина люминесценции.

Источником энергии для свечения могут служить разнообразные химические реакции, главным образом реакции окисления. Примерами такого свечения — хемилюминесценции — являются окисление фосфора (изделия из фосфорита длительное время светятся и в темноте), свечение гнилых пней.

Наибольший интерес для нас, конечно, представляет свечение живых организмов — биолюминесценция. Это явление широко распространено среди различных форм живого: есть светящиеся бактерии, жуки-светляки, ракообразные, моллюски, многощетинковые, морские черви, грибы, простейшие, рыбы.

Всего насчитывается 245 светящихся видов животных, в том числе 20 видов простейших, 51 — кишечнополостных, 47 — моллюсков, 19 — кольчатых червей, 40 — членистоногих, 60 — хордовых. Таким образом, светящиеся виды встречаются на всех уровнях организации животного мира, от одноклеточных до рыб. Свечение животные используют для отыскания особей другого пола. Жуки-светляки, приближаясь, сигнализируют на расстоянии в сотни метров вспышками с ритмом в 1 минуту.

Морские черви, обитающие у Багамских островов, всплывают для размножения после заката Солнца, но до восхода полной Луны, и отыскивают друг друга по свечению. Эти огоньки были приняты Колумбом в октябре 1492 г. за огни на берегу. Вспышки живого света— отличное средство защиты, отпугивания врагов. От света уползают даже змеи. И индейцы, привязывая светляков к пальцам ног, успешно используют это свойство живого света. Наконец, освещение весьма полезно при отыскании добычи. Однако у многих видов свечение, очевидно, никак не связано с физиологическими функциями.

Несмотря на различие светящихся организмов и веществ, участвующих в окислении, механизм свечения в большинстве случаев сходен. Восстановленное, богатое водородом органическое соединение — люциферин (от греческого слова «люцифер» — светоносный) — соединяется с кислородом при участии фермента люциферазы.

Люцифераза в 100 раз повышает скорость окисления люциферина и в 100 тыс. раз — выход люминесценции. Люциферин — производное бензотиазола, горючее процесса люминесценции, имеющее такую структуру:

Люцифераза же определяет суть, специфику процесса, делает его биологически значимым.

Однако у медуз свечение возникает без участия ферментов, при контакте особого белка экварина с ионами кальция. Нередко для возникновения живого свечения нужен еще один компонент, кроме люциферина, люцифе-разы и кислорода (свободного или связанного). Это АТФ (аденозинтрифосфат) — основное звено энергетики живого. Достаточно присутствия 10^-9 г АТФ, чтобы в растворе люциферина — люциферазы возникла вспышка свечения. Такой «космический фонарик» может быть использован для обнаружения жизни на других планетах, ведь АТФ — непременная деталь механизма жизни в земном понимании. В процессе быстрого окисления молекулы люциферина приходят в возбужденное состояние и отдают избыточную энергию в виде света с длиной волны 4600—5600 А (сине-зеленая область спектра). Иногда излучение находится в желтой и даже в красной области спектра. Такое свечение — разновидность хемилюминесценции.

До сих пор мы рассматривали только живое свечение в видимой области спектра, да и то настолько интенсивное, что оно улавливается простым глазом. Но если снять оба этих ограничения, то оказывается, что все живые ткани, у всех живых существ, от медузы до человека, являются источником свечения. Оно настолько слабо, что обнаружить его удается только с помощью очень чувствительных электронных приборов. Советский ученый Ю. А. Владимиров дал этому свечению заслуженное название «сверхслабое».

Сверхслабые свечения обнаруживаются и в видимой, и в ультрафиолетовой, и в инфракрасной областях спектpa. Все они, по-видимому, возникают за счет энергии окисления органических соединений. Следовательно, это тоже разновидность хемилюминесценции.

Чтобы отличить сверхслабое свечение от люциферин-люциферазной реакции, его назвали биохемилюминесценцией. Более подробно она рассматривается в следующей главе. Но и по существу химического механизма, и по происхождению сверхслабые свечения и люциферин-люциферазная реакция — это разновидности биолюминесценции — свечения живых тканей.

О происхождении биолюминесценции современная наука выдвигает смелое предположение. В период зарождения жизни на Земле господствовали восстановительные условия. Кислород в атмосфере появился позже благодаря процессу фотосинтеза. Следовательно, первые живые организмы на Земле не только не нуждались в кислороде, они в нем не размножались. (И сейчас немало есть микроорганизмов, живущих в бескислородных условиях; присутствие кислорода в среде, где они живут, останавливает развитие и размножение таких микроорганизмов.)] С появлением зеленых растений в атмосфере начал накапливаться свободный кислород. Из организмов, приспособленных к бескислородным условиям существования, выживали те, которые вырабатывали какие-то способы удаления кислорода из своего тела. Связывание кислорода специально накопленными органическими соединениями, высвечивавшими затем свою избыточную энергию (явление биолюминесценции), способствовало выживанию организмов в новых условиях жизни. Таким образом, четвертая, а по времени возникновения и по универсальности распространения первая функция биолюминесценции — сброс избыточной энергии возбуждения и нейтрализация свободного кислорода. Свечение различных представителей животного мира — это своего рода рудиментарный признак, который лишь на более поздних этапах эволюции нашел новое применение.