§ 186. Фотолюминесценция. Правило Стокса

Некоторые тела при освещении не только отражают часть падающего на них света, но и начинают светиться. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение.

Примером легко наблюдаемой люминесценции может служить синевато-молочное свечение керосина, рассматриваемого на дневном свету. Очень большое число растворов красок и других веществ обнаруживают люминесценцию, особенно под действием источников, испускающих ультрафиолетовый свет (например, электрической дуги или ртутной лампы). Свечение такого рода называют фотолюминесценцией, желая подчеркнуть, что оно возникает под действием света.

Изменение цвета свечения по сравнению с цветом возбуждающего света нередко заметно глазом. Еще лучше наблюдается указанная особенность, если сравнить спектр света люминесценции со спектром возбуждающего света. Все эти наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется больше длиной волны, чем возбуждающий свет.

Это правило, гласящее, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем свет возбуждающий, носит название правила Стокса в честь английского физика Георга Стокса (1819—1903).

Любой опыт по возбуждению фотолюминесценции может служить иллюстрацией этого правила. Пропустим, например, свет от фонаря через фиолетовое стекло, задерживающее практически все голубые и более длинные волны (рис. 334). Если пучок такого фиолетового света направить на колбочку, в которой содержится раствор флюоресцеина, то освещенная жидкость начинает ярко люминесцировать зелено-желтым светом.

Рис. 334. Опыты по флюоресцении: а) расположение приборов; 6) схема опыта. 1 — источник света (фонарь), 2 — светофильтр (фиолетовый). 3 — сосуд с флюоресцирующим веществом

Применяя источники света, излучение которых содержит значительное количество коротких волн (ультрафиолетового диапазона), можно обнаружить, что почти все тела обладают способностью в большей или меньшей степени люминесцировать. Нередко удается значительно усилить люминесценцию, сильно охладив тело, например погрузив его в жидкий воздух.

Обращает на себя внимание, что некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось.

Такое послесвечение может иметь различную длительность. В некоторых объектах оно продолжается очень малое время (десятитысячные доли секунды и меньше) и для наблюдения его требуются особые приспособления. В других оно тянется много секунд и даже минут (часов), так что наблюдение его не представляет никаких трудностей.

Принято называть свечение, прекращающееся вместе с освещением, флюоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность, фосфоресценцией. Следует, однако, иметь в виду, что между флюоресценцией и фосфоресценцией трудно провести резкую границу, так что деление это до известной степени условно.

Явление длительной фосфоресценции обнаруживают многие кристаллические порошки, специально приготовленные. Ими пользуются для изготовления так называемых фосфоресцирующих экранов. Лист картона, покрытый, например, порошком сернистого цинка, представляет хороший фосфоресцирующий экран, сохраняющий свое свечение две-три минуты после освещения.

Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей. Следует отметить, впрочем, что явление люминесценции под действием рентгеновских лучей более сложно, чем под действием обычного света, ибо при этом играют роль быстрые электроны, вырываемые рентгеновскими лучами.

Очень важное применение нашли в последнее время фосфоресцирующие порошки при изготовлении ламп дневного света. В газоразрядных лампах свечение, возникающее при электрическом токе в газе, например в парах ртути, обычно содержит много ультрафиолетового излучения, не только не пригодного для освещения, но и  вредного для глаза. Покрывая, по предложению советского физика Сергея Ивановича Вавилова (1891—1951), внутренность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, удается превратить этот ультрафиолетовый свет в видимый (в согласии с правилом Стокса). Это приводит к большой экономии, ибо в таких лампах в энергию видимого света превращается примерно в три раза большая доля электрической энергии, чем в лампах накаливания. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно добиться также и улучшения спектрального состава излучаемого света, приближая его к спектральному составу дневного света. Так устроены современные лампы дневного света, получающие все более и более широкое распространение.