Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Почему разные типы света различаются по эффективности? Закон сохранения энергии говорит нам, что свет от лампы производится другой энергией. Чем легче мы заставим электроны генерировать свет, тем меньше будут потери энергии и тем более эффективным окажется ее источник. Поэтому флуоресцентные лампы (где атомы просто сталкиваются) намного эффективнее ламп накаливания (которые требуют нагревания нити или элемента накаливания), а лампы накаливания гораздо эффективнее свечей (где для получения света мы должны уничтожить гигантский кусок воска).

Получается, что самым эффективным способом получения света может стать только организация направленного движения электронов. Именно это и происходит в светодиодных лампах, которые по эффективности и долговечности превосходят даже компактные флуоресцентные. Диод – самый простой микрочип. Он работает наподобие улицы с односторонним движением для электронов. Электрический ток может течь в диоде только в одном направлении. Светодиод, как подсказывает его название, – особый вид диода, который светится при пропускании через него электричества. Это кремниевый (а лучше полупроводниковый) эквивалент нити накаливания.

Как он работает? Диоды изготавливаются из маленьких кристаллов кремния (маленькие черные точки на вашей ладони, если на нее высыпать немного сухого песка)[158]. Вырастите этот маленький фрагмент в кристалл, и вы получите сырье для внутренностей компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств. В нормальном состоянии кремний не очень хорошо проводит электричество. Чтобы заставить его работать в светодиодах, к нему необходимо добавить примеси других материалов. Разрежьте кристалл на две части и к одной из них добавьте атомы бора. В результате некоторые атомы кремния потеряют свои электроны, на их местах останутся «дырки», и атомы получат некоторый положительный заряд (так называемая акцепторная примесь). К другой половине кристалла кремния добавьте атомы сурьмы; в нем появятся лишние электроны и отрицательный заряд (так называемая донорная примесь). Главное произойдет, когда вы соедините два этих «легированных»[159] кристалла кремния вновь. Включите их в цепь (она будет называться диодной), и вы увидите, что электрический ток течет в ней только в одном направлении. По мере протекания тока лишние электроны «перепрыгивают» через место контакта кристаллов и занимают свои места в дырках, в результате чего их атомы рекомбинируют с облегчением – излучением фотона. Вот что происходит в светодиоде: электроны перепрыгивают через область контакта двух кристаллов. Именно поэтому это такой эффективный способ получения света: впустую не тратится практически ни капли энергии.

Светящиеся червячки и светлячки

Живые организмы тоже могут излучать свет. Но не для того чтобы читать в темноте или освещать себе путь, а чтобы привлекать партнеров или отпугивать хищников. На земле хвосты светящихся червяков и светлячков мерцают, точно огонек свечи в ночи. В глубинах океанов замечены величественные кальмары, сардины и морские звезды, которые освещают океанскую толщу таинственным голубоватым светом. По-научному этот подводный фейерверк называется биолюминесценцией. Он порожден возбужденными атомами, которые выплескивают избыточную энергию.

Разумеется, живые существа создают свет по-своему. Светлячки не поджигают себя, как свечи, и не работают на батарейках, как карманные фонарики. Они заставляют химические вещества, которые накапливаются в их теле (люциферин и люциферазу), взаимодействовать друг с другом и генерировать свет. Это похоже на химические фонари, которые развешивают по стенам поездов на случай аварии. Разломите такой фонарь пополам, и вы разрушите стеклянный контейнер, смешав два вещества и создав свет в качестве побочного продукта реакции. От личинок или светлячков много света получить невозможно. Чтобы добиться яркости свечи, нужно более сотни светлячков[160]. Однако само явление выглядит впечатляюще.