Свет — мое призвание

С. И. Вавилов всегда стремился к широким теоретическим обобщениям на основе экспериментальных данных. В 1934 году он предложил классификацию процессов люминесценции по характеру их кинетики. Согласно этой классификации, все виды люминесценции делятся на три класса: свечение спонтанное (самопроизвольное), вынужденное (метастабильное) и рекомбинационное.

Спонтанное свечение характеризуется экспоненциальным законом затухания и независимостью скорости затухания от температуры, вынужденное также затухает по экспоненциальному закону, однако скорость его затухания сильно зависит от температуры. Рекомбинационное свечение возникает за счет выделения энергии воссоединяющихся частиц, разъединенных при поглощении квантов возбуждающего света, и затухает по гиперболическому закону. Классификация Вавилова имела принципиальное значение — она впервые вскрыла основные элементарные этапы процесса свечения.

В 1928 году вышла в свет большая работа С. И. Вавилова и В. Л. Левшина «Изучение природы фотолюминесценции ураниловых солей», посвященная природе фотолюминесценции кристаллов ураниловых солей, урановых стекол и жидких растворов ураниловых соединений. В ней была доказана ошибочность представлений американского физика Эрнста Фокса Никольса и его сотрудников, которые считали, что затухание свечения ураниловых солей можно описать с помощью суммы большого числа гиперболических функций (это свидетельствовало бы в пользу рекомбинационной природы свечения таких соединений). Вавилов и Левшин доказали, что ураниловые соединения затухают по экспоненциальному закону и их свечение имеет не рекомбинационный, а молекулярный характер.

К концу тридцатых годов число исследований по люминесценции в Советском Союзе сильно увеличилось. С. И. Вавиловым и его школой были открыты и изучены важнейшие закономерности молекулярного свечения, был накоплен огромный экспериментальный материал, нуждающийся в теоретическом обобщении. Особенно интересные и разнообразные эффекты наблюдались в концентрированных растворах сложных органических соединений, где сближение молекул растворенного вещества приводило к коренным изменениям их основных оптических свойств.

Вавилов понимал, что назрела необходимость рассмотрения разнообразных концентрационных явлений люминесценции с единой точки зрения. В начале сороковых годов он приступил к созданию общей теории концентрационных эффектов в растворах люминесцирующих соединений. Его первая работа в этом направлении была выполнена в Государственном оптическом институте совместно с П. П. Феофиловым в 1942 году. Дальнейшая разработка и экспериментальная проверка этой теории составляли основное содержание научного творчества Сергея Ивановича в последующие годы.

Увеличение концентрации растворов различных органических люминесцирующих веществ приводит к возникновению целого ряда эффектов — к деполяризации свечения (концентрационная деполяризация), падению выхода люминесценции (концентрационное тушение), уменьшению средней длительности возбужденного состояния люминесцирующих молекул. Концентрационные эффекты очень сложны и разнообразны. Не случайно долгие годы исследователи не могли предложить удовлетворительной теории для их объяснения.

В 1927 году французский физик Жан Батист Перрен указал на принципиальную возможность безызлучательной передачи (индукционным путем) поглощенной световой энергии от возбужденной молекулы к невозбужденной. Двумя годами позднее немецкие ученые Хартмут Пауль Кальман и Фриц Вольфган Лондон разработали теорию, объясняющую концентрационную деполяризацию резонансного излучения паров натрия. Причиной деполяризации они считали передачу энергии возбуждения от молекулы к молекуле. Эта энергия увеличивалась по мере возрастания плотности исследуемого газа. В дальнейшем Франсис Перрен, используя идею своего отца и распространив представления Кальмана и Лондона на жидкости, развил теорию концентрационной деполяризации люминесценции растворов. Однако эта теория содержала ряд упрощенных представлений и не подтверждалась опытами.

С. И. Вавилов воспользовался правильными представлениями этих ученых о возможности миграции энергии возбуждения в растворах между соседними молекулами. Он отказался от ряда неоправданных допущений, которые являлись существенными недостатками предшествующих теорий и привели их авторов к неправильным результатам. Правда, Вавилов ограничился рассмотрением чисто физических процессов в растворах, считая, что спектры поглощения и люминесценции не зависят от концентрации. Как позднее выяснилось, это было справедливо лишь для довольно небольшого диапазона концентраций. Сергей Иванович считал, что явления концентрационной деполяризации и концентрационного тушения люминесценции тесно связаны между собой и происходят за время, в течение которого молекулы находятся в возбужденном состоянии.