Виды излучений. Источники света

На прошлых уроках мы с вами знакомились с двумя теориями, объясняющими природу света: корпускулярной и волновой. Давайте вспомним, что согласно теории сэра Исаака Ньютона, лучи света являются «очень маленькими телами, испускаемыми светящимися телами по всем направлениям». С помощью корпускулярной теории легко можно было объяснить прямолинейное распространение света и образование резкой тени за предметами.

Однако английский учёный Роберт Гук и голландский учёный Христиан Гюйгенс выступали против корпускулярной теории света и выдвинули гипотезу о волновой природе света. Согласно представлениям Гука, «...свет — это колебательное или дрожательное движение в среде... происходящее из подобного же движения в светящемся теле, подобно звуку...» А Гюйгенс в своём «Трактате о свете» писал: «Несомненно, что свет доходит от светящегося тела до нас каким-нибудь движением, сообщённым веществу, находящемуся между ними и нами... Движение, сообщённое веществу, постепенно распространяется так же, как и при звуке, сферическими поверхностями и волнами...».

Волновая теория Гука и Гюйгенса подтвердилась после того, как Франческо Мария Гримальди наблюдал интерференцию и дифракцию света, а Томас Юнг и Огюстен Френель смогли количественно описать эти явления.

В тысяча восемьсот шестьдесят четвёртом (1864) году Джеймс Максвелл опубликовал теорию электромагнетизма, в которой указывает на то, что свет является частным случаем электромагнитной волны. Когда же Герц обнаружил эти самые волны, ни у кого не осталось никаких сомнений в том, что свет имеет электромагнитную (а значит и волновую) природу.

По мере развития классической электродинамики стало ясно, что электромагнитные волны возбуждаются в пространстве ускоренно движущимися частицами. При чём, эти заряженные частицы должны входить в состав атомов, из которых состоит вещество. Однако, не зная, как всё-таки устроен атом, нельзя было точно объяснить механизм излучения. На то время ясно было лишь одно — внутри атома нет света, как нет звука внутри ножек камертона. Подобно камертону, который начинает звучать только при касании его молоточком, атомы могут рождать свет только после возбуждения. Иными словами, для того, чтобы атом начал излучать свет, ему необходимо передать определенное количество энергии.

Устройство или физическое тело, которое превращает некоторый вид энергии в энергию электромагнитных волн принято называть источником излучения.

По способу генерации все источники излучения можно разделить на три типа.

К первому типу относятся тепловые (или температурные) источники, излучение которых происходит за счёт запасов внутренней энергии. Согласно квантовой теорией при возбуждении атома, например вследствие столкновений при тепловом движении, электроны переходят с более низкого на более высокий энергетический уровень. В возбуждённом состоянии они не могут находиться долго и, излучая квант энергии, возвращаются назад в основное состояние.

В состоянии теплового равновесия процессы поглощения и выделения энергии идут непрерывно и характеризуются динамической равновесием, при которой за любой малый промежуток времени суммарное количество поглощённой энергии равно количеству энергии теплового излучения. Поэтому тепловое излучение часто называют равновесным.

Как показывает опыт, любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, является источником теплового излучения. Самый важный для нас тепловой источник света — Солнце. Температура его раскалённой добела поверхности достигает почти 6000 градусов. Подобными Солнцу тепловыми источниками света являются звёзды. Но не все «небесные светила» — это источники света: например, Луна не светит, а только отражает свет Солнца. Отражают солнечный свет и планеты, которые некоторые ошибочно принимают за особенно яркие звёзды на ночном небе.

Первым «приручённым» человеком тепловым источником света было пламя костра.

Затем ему на смену пришло пламя свечи. Однако по мере развития электродинамики наиболее широкое применение нашли тепловые источники, которые нагреваются при прохождении через них электрического тока. Это, например, всем известные лампы накаливания. Они были изобретены в 70-х годах XIX века русским электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным. Первые лампы представляли собой два медных проводника, между которыми был закреплён угольный стержень.

Эта конструкция помещалась внутрь стеклянного баллона, из которого был откачан воздух. При прохождении электрического тока по стержню он раскалялся и начинал светиться. Современный вид лампе накаливания, включая вольфрамовую нить и патрон, придал американский изобретатель Томас Альва Эдисон.

Однако необходимо отметить, что лампа накаливания имеет очень низкий коэффициент полезного действия. Даже в лучших лампах не более 5 %)потребляемой электроэнергии превращается в энергию светового излучения, а вся остальная энергия идёт на создание невидимого глазу теплового излучения.

Вторым способом генерации излучения в оптическом диапазоне спектра является люминесценция (или холодное свечение). Оно представляет собой вторичное оптическое свечение, которое возбуждается за счёт энергии любого вида, кроме теплового. Продолжительность его излучения намного превышает период световых волн.

Вещества, в которых возбуждается люминесценция, называются люминофорами.

Если люминесценция прекращается практически сразу же после окончания действия источника дополнительной энергии, то её называю флуоресценцией. Это свойство веществ используют, например, при изготовлении дорожных знаков. В краску, которой покрываются знаки, добавляют специальное вещество — люминофор, которое светится при облучении светом фар. Как правило, время затухания флуоресцентного свечения составляет 1 нс — 10 мкс.

В случае, когда люминесценция сохраняется длительное время после прекращения действия источника (вплоть до трёх часов), то её называют фосфоресценцией. Это явление широко применяется для декорирования помещений и росписи ёлочных игрушек.

Принято различать четыре вида люминесценции:

Электролюминесценцией называется свечение, сопровождающее разряд в газе (например, в газоразрядных лампах). Ток, проходящий через смесь газов, возбуждает в них электрическое поле, которое сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают неупругие соударения с атомами газов, при этом часть кинетической энергии электронов идёт на их возбуждение. Возбуждённые атомы отдают энергию в виде световых волн — происходит разряд.

Примерами электролюминесценции могут служить северные и южные сияния, возникающие в приполярных областях Земли. Здесь быстрые частицы солнечного ветра захватываются магнитным полем Земли, возбуждая атомы верхних слоёв атмосферы, из-за чего эти слои начинают светиться. Также явление электролюминесценции широко применяется в трубках для рекламных надписей.

Если свечение вещества возникает за счёт его облучения быстрыми электронами, то такое явление называют катодолюминисценцией. Благодаря этому явлению светятся, например, экраны электронно-лучевых трубок, которые до последнего времени были основной деталью осциллографов, телевизоров и мониторов.

Фотолюминесценцией называется свечение некоторых веществ под действием падающего на них света. Примерами фотолюминесценции могут служить свечение красок, которыми покрываются ёлочные игрушки, создание световых эффектов в театрах, рекламах и так далее).

Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, нежели свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеином световой пучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светиться зелёно-жёлтым светом, то есть светом с большей длиной волны, чем у фиолетового света.

Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. В настоящее время её изобретателем считается немецкий учёный Эдмунд Гермер, который предложил покрывать колбы лампы флуоресцентным порошком. Этот порошок преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой, в более однородный бело-цветной свет. Разработкой люминесцентных ламп в России занимался выдающийся советский физик Сергей Иванович Вавилов.

Несмотря на то, что фотолюминесценция очень похожа на флуоресценцию, это, всё-таки два разных физических процесса, отличающиеся излучательными переходами.

Если свечение веществ происходит под действием химических реакций, идущих с выделением энергии, то мы наблюдаем хемилюминесценцию.

Данный тип люминесценции широко применяется в автономных химических источниках света и в качестве маркера для поплавка. Светящиеся браслеты для дискотек тоже работают на явлении хемилюминесценции. Применяется она и для оценки состава сложных газовых смесей, в частности, наличия примесей в атмосфере.

Хемилюминесценция также широко встречается в живой и не живой природе. Так, например, кусочки гниющего дерева — гнилушки, обладают свойством светиться в темноте. Ещё одним достаточно распространённым природным явлением являются светящиеся грибы. На сегодняшний день известно более 70 видов грибов, испускающих лучистый свет в темноте. Они встречаются в лесах Бразилии и Белизе, Пуэрто-Рико и Ямайке.

Встречаются светящиеся грибы и на территории России. Например, сине-зелёный свет часто излучают грибы-перестарки, у которых светятся нижние поверхности старых шляпок. А гнилые опёнки, весенние сморчки и грибы-трутовики часто называют лесными синоптиками, так как они светятся в темноте перед сырой погодой и грозой.

Фото светящихся грибов пользуются огромной популярностью и напоминают сказочные пейзажи, потрясающие своим великолепием.

Светятся и многие живые организмы в природе. Их свечение называется биолюминесценцией. Она так же основывается на химических процессах, при которых освобождающаяся энергия выделяется в форме света. Таким образом, биолюминесценция является особой формой хемилюминесценции.

Свечение живых организмов отмечалось ещё античными авторами. Ещё Плиний Старший в своей «Естественной истории» упоминал о свечении морских организмов. Светятся в темноте многие бактерии, насекомые и микроорганизмы.

На протяжении веков моряки рассказывали о виденном ими свечении океанических или морских вод. Это явление описывал Жюль Верн в романе «20 000 льё под водой». Очень романтично описание Чарльза Дарвина свечения моря около устья Ла-Платы, описание свечения Чёрного моря у Паустовского. Однако изучение данного явления началось лишь в середине XX века. Сейчас уже достоверно известно, что свечение моря (или океана) — это естественное явление биологического происхождения, возникающее, когда поверхностные слои моря или океана наполнены микроорганизмами, способными к биолюминесценции, в результате чего в ночное время суток складывается впечатление, что водоём светится изнутри.

Свечение моря наблюдается повсеместно, иногда охватывает огромные пространства водной глади до сотен и тысяч квадратных километров.

Ну а к третьему типу генерации излучения относится способ, в котором сочетаются механизмы излучения первых двух типов. Типичный пример таких источников — электрическая дуга. В ней излучение анода является тепловым, а межэлектродное свечение — люминесцентным.