Люминесценция

Подробности

Категория: Оптические явления в природе

НАБЛЮДЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Бывая вечером в лесу, вы, наверное, обращали внимание на возникший вдруг перед вами зеленоватый свет. Это... свет гнилушки. Полугнилой осиновый или березовый пень излучает зеленовато-голубоватое слабое свечение. Подойдите поближе, толкните пень ногой. Он рассыпается множеством мелких осколков, светящихся в траве. Звезды на Земле!

Это свечение носит название хемилюминесценции. Оно вызвано химическими реакциями окисления фосфора в клетках растений. Хемилюминесценция — один из видов люминесценции — холодного свечения.

Сухие листья березы и дуба, полежавшие толстым слоем и полусгнившие, также излучают свет.

Излучают холодный свет и некоторые насекомые. Их так и называют—светлячками.

В средней полосе России распространен большой светляк; его бескрылую самку обычно называют Ивановым червяком. На юге встречается мелкий светлячок, а на Черноморском побережье Кавказа — южный светляк, у которого светится летающий самец (см. рисунок). Свет излучают последние два сегмента брюшка вследствие хемилюминесценции.

После жаркого дня в летние вечера можно видеть великолепное свечение моря. Виновниками свечения являются миллионы ночесветок — простейших существ, принадлежащих к классу жгутиковых и имеющих размеры около 0,2 мм.

Однако светятся не только микроорганизмы и одноклеточные. Светящиеся органы имеют многие более высокоорганизованные животные, особенно морские: рыбы, моллюски, черви, рачки. Одним свет служит для защиты, другим — для нападения, третьи пользуются им в брачную пору для привлечения или опознания представителей своего биологического вида. Некоторые организмы светятся круглосуточно, некоторые только ночью, у иных яркие вспышки свечения происходят через определенные промежутки времени и сменяются или полным отсутствием свечения, или очень слабым свечением.

На на верхнем рисунке изображены светящиеся одноклеточные и морские животные и рыбы, имеющие органы свечения. Рисунок 51 показывает в разрезе светящийся орган зрения рыбы. Он содержит все части совершенного излучателя: источник света, рефлектор, линзу.

Живой свет всегда является результатом окисления. При этом возбуждаются молекулы. Электроны в них переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие уровни, излучают фотоны — порции света. Окисляется сложное белковое вещество — люциферин под воздействием тоже белкового вещества — люциферазы.

Для окисления должен подаваться кислород. У некоторых организмов окисление происходит за счет связанного кислорода, однако большинство видов светится за счет свободного кислорода. Люцифераза является не только ускорителем реакции, но и поставщиком молекул, которые могут возбудиться энергией, освобожденной при окислении люциферина.

Надо отметить, что свет биолюминесценции очень хорошо воспринимается глазом, так как длина волны его близка к длине волны, к которой глаз наиболее чувствителен (λ≈ 550 мкм).

Установлено, что живые организмы излучают не только видимый свет, но и ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Живые источники света имеют очень высокую световую отдачу, достигающую 90%.

Наряду с явлением хемилюминесценции встречаются явления турболюминесценции (свечение от удара) и электролюминесценции .

Турболюминесценцию можно наблюдать при раскалывании кусков сахара молотком или тупой стороной ножа, при разрывании изоляционной ленты.

Электролюминесценция знакома нам по ярким лампам цветной рекламы, по освещающим улицы городов ртутным лампам высокого давления, дающим яркий зеленоватый свет, по свечению экрана телевизора.

Необходимо отметить интересный факт. Свет сам может вызывать свечение ряда веществ. Это явление называют фотолюминесценцией. Оно используется в лампах дневного света. Ртутный разряд в лампе излучает плохо видимый свет, богатый фиолетовыми и ультрафиолетовыми лучами, сам по себе непригодный для освещения. Но он возбуждает свечение порошка люминофора (фосфора), которым покрыты изнутри стенки лампы. Фосфоры подбирают так, чтобы они давали спектральный состав света, близкий к дневному.

Явление фотолюминесценции можно наблюдать, налив в бутылку керосин или трансформаторное масло и осветив ее белым светом. Если посмотреть «на просвет», керосин кажется чуть желтоватым, а масло почти не пропускает света. Но если смотреть на бутылку со стороны падающего света, то можно увидеть характерное несильное зеленоватое свечение фотолюминесценции, излучаемое веществом.

При освещении белым светом раствор флуоресцина, часто применяемый для физических опытов, дает зеленое свечение. При освещении светом ртутно-кварцевой лампы ярко люминесцируют: стрептоцид и его эмульсия — оранжевым, тетрациклин — ярко-оранжевым, хлорацицин — ярко-желтым, анестезин — сиреневатым, диуретин — ярко-фиолетовым светом.

Белки глаз и зубы ярко светятся в темноте белым, чуть-чуть голубоватым светом.

В последнее время все больше стали применять светящиеся краски. Это краски с примесью люминофоров, излучающие цвета соответствующей окраски при облучении ультрафиолетом.

При дневном или искусственном свете видны обыкновенные краски. Если картину подсветить ртутно-кварцевой лампой, затененной увиолевым стеклом, то ультрафиолетовое излучение вызовет свечение люминофоров, картина начинает сиять насыщенным светом люминесценции. Эти краски очень эффектны в театральных декорациях.

Свечение люминофоров возникает также при облучении их частицами, выделяющимися при распаде радиоактивных веществ (а, β и ϒ-лучами), а также протонами, нейтронами и т. п. На этом свойстве люминофоров основано устройство целого ряда контрольных, измерительных и обнаруживающих приборов в радиологии .

ОБЪЯСНЕНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Рассмотренные выше примеры показывают, что люминесценция по своей природе существенно отличается от теплового излучения. Первое отличие состоят в том, что она происходит при низкой температуре. Если бы излучение люминесценции было тепловым, то для испускания, например, зеленого света температура тела должна была бы быть порядка 5700° К. Люминофоры же обладают температурой окружающих тел (порядка 300° К). При этом они излучают, конечно, как нагретые тела соответствующей (низкой) температуры, невидимые инфракрасные лучи (максимум излучения приходится на λ_m ≈  9700 нм . Следовательно, излучение люминесценции является избыточным, происходящим сверх температурного. Его спектр в большинстве случаев линейчатый или полосатый, откуда можно сделать вывод, что это излучение отдельных атомов или молекул. Возбудители люминесценции возбуждают отдельные атомы или молекулы, передавая им запас энергии, которая переводит некоторые электроны атомов на более высокие энергетические уровни. Переходя затем на более низкие, устойчивые уровни, атомы излучают избыточную энергию в виде света.

Вторая особенность излучения люминесценции состоит в его инертности. Высвечивание люминофоров после прекращения действия возбудителя происходит в течение некоторого, иногда продолжительного времени.

Третьей особенностью является его локальность. Высвечивают те точки люминофора, которые оказались возбужденными, возбуждение не распространяется на соседние частицы и тела, как это происходит при тепловом излучении.

Все эти особенности свойственны и фотолюминесценции, но основная особенность фотолюминесценции состоит в том, что ее излучение смещено в красную сторону спектра и имеет более длинную волну по сравнению со светом, ее возбуждающим (закон Стокса). Это явление легко объясняется на основе квантовой теории излучения света.

Напомним, что квант (порция) энергии фотона (частицы света)

Пусть на атом или молекулу люминорфа падает фотон с энергией

Вся эта энергия поглощается молекулой и возбуждает ее. Часть энергии (А) остается в молекуле и идет на ее нагревание, а остальная энергия

излучается.

Отсюда видно, что

 Могут быть случаи, когда часть энергии (Л), запасенной в молекулах некоторых люминофоров, может присоединиться к следующему кванту, излучаемому молекулой. При этом энергия излученного кванта окажется больше энергии возбуждающего:

Отсюда следует, что λ₃ < λ₁ т. е. волна излученного кванта короче волны возбудителя.

ГЛАЗА ЖИВОТНЫХ НОЧЬЮ

Все мы видели свечение кошачьих глаз в полутемноте. Ярко светят ночью глаза собак, волков, овец, лошадей, но глаз человека не обладает этим свойством. В полной темноте свечение глаз не видно.

Многие думают, что это явление вызвано особым светящимся веществом, покрывающим радужную оболочку глаз.

Это неверно. Глаза кошки не излучают, а направленно отражают свет. Во мраке щелевидные зрачки глаза животного расширяются для пропускания внутрь возможно большего потока света. Свет проникает сквозь роговицу и хрусталик, создавая на дне глаза четкое изображение источника. Свет, отраженный от сетчатки, по выходе из глаза распространяется узким пучком. Если указанный пучок попадает в глаз наблюдателя, ему кажется, что свет излучается из глаза животного. Чтобы явление выступало более отчетливо, оптические оси глаз животного и наблюдателя должны совпадать. Этого можно достигнуть, держа лампу на уровне глаз наблюдателя: свечение кошачьих глаз заметно тогда на расстоянии до 80 м.