Сергей Вавилов

Исходя из основных положений квантовой механики, стастической физики и термодинамики, Вавилов выяснил то главное, что отличает люминесценцию от других явлений. Оказалось, что это главное представлено тремя особенностями: редкостью люминесценции, длительностью свечения, наличием особого закона цветового (спектрального) преобразования.

Первая особенность не нуждается в пояснении.

«Бесспорно, что «холодный свет» может появляться только за счет поглощенной первичной энергии, — писал Вавилов, — иначе нарушался бы основной закон природы — сохранение энергии. Неверно, однако, обратное: не всякое поглощающее свет вещество дает люминесценцию. Например, обычные чернила, черные или красные, очень сильно поглощают свет, но не дают вторичного свечения, в то время как растворы красителей флуоресцина, родамина и других прекрасно светятся».

«Холодный свет», — продолжает дальше физик, — явление редкое, избирательное; легче найти нелюминесцирующее тело, чем тело, светящееся холодным светом. В этом состоит важнейшая его особенность»[16].

Однако сама по себе редкость явления, естественно, еще не определяет его особенностей. Определяющим свойством люминесценции Вавилов, а за ним и другие физики считали ее длительность.

Вот отражает свет зеркальная поверхность, вот рассеивает его мутная среда… Можно привести множество примеров свечения, имеющего то внешнее сходство с люминесценцией, что оно тоже холодное. И все же это не называют люминесценцией.

Почему?

Потому что здесь первичное (возбуждающее) и вторичное излучения практически не разделены во времени. Перестает действовать причина, вызывающая свечение тела, — исчезает и само свечение. Свечение здесь задерживается после прекращения возбуждения лишь на продолжительность светового колебания, то есть примерно на одну миллион-миллиардную долю секунды.

Совсем иное люминесценция. Для люминесцирующих тел характерно так называемое «послесвечение». Причина, вызывающая свечение, устраняется, а тело светится само собой.

В отличие от двухступенчатого процесса отражения или рассеивания света здесь трехступенчатый процесс: молекула поглощает квант падающего света, пребывает в возбужденном состоянии некоторое время, соответствующее длительности люминесценции, затем испускает квант излучения и возвращается в нормальное, невозбужденное состояние. Не в пример другим оптическим явлениям, где свет не прекращает своего существования, при люминесценции он исчезает, затем рождается вновь, причем в ином обычно качестве;

Таким образом, три ступени холодного свечения располагаются в следующей последовательности:

1) поглощение квантов возбуждающего света люминесцирующим веществом (люминофором) и переход частиц последнего из основного (невозбужденного) состояния в возбужденное, то есть более богатое энергией;

2) пребывание частиц люминофора некоторое время в возбужденном состоянии;

3) возвращение люминофора в основное состояние с испусканием квантов люминесценции.

Иллюстрируя разницу между люминесцентным и нелюминесцентным холодным излучением, можно привести такой пример. Некое вещество, скажем сернистый цинк, испускает два вида световых лучей: рассеянный свет — результат отражения падающих на него лучей — и собственное свечение. Оба вида лучей одинаково холодные. А в то же время они по своей природе глубоко различны.

В люминесценции — и только в люминесценции! — поглощение и испускание света происходят в двух отдельных актах, разделенных во времени.

С. И. Вавилов показал, что наименьшая длительность холодного свечения люминесценции составляет от одной стомиллионной до одной миллиардной доли секунды. Для неспециалиста это исчезающе ничтожно. Но в мире квантовых явлений миллиардная доля секунды — огромная величина. Она в миллион раз больше продолжительности светового колебания.

Сейчас повсеместно признается следующее простое определение люминесценции, предложенное Вавиловым на Втором совещании по люминесценции в 1944 году:

«Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно от 10^-10 секунд и больше».

Минимум: одна десятимиллиардная секунды. Ну а максимум? Сколько времени может продолжаться процесс самосвечения?

Зависит от того, к какому именно виду люминесценции относится явление, если воспользоваться классификацией, разработанной опять-таки Вавиловым.

Все явления люминесценции, по Вавилову, делятся на три вида: спонтанная (то есть самопроизвольная), вынужденная и рекомбинационная.

В первом случае акты поглощения и испускания света разделены только временем пребывания атома или молекулы в возбужденном состоянии.