Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики

Некоторые виды люминесценции — «холодное» свечение некоторых твердых тел и жидкостей — были открыты очень давно. Но несмотря на это, на протяжении нескольких веков развитие люминесценции не выходило за пределы накопления разрозненных наблюдений и опытных фактов, сопровождаемых всевозможными полуэмпирическими правилами и противоречивыми гипотезами. Достаточно сказать, что в то время, когда С. И. Вавилов начинал свою научную работу, не существовало научного определения самого понятия люминесценции, вследствие чего нельзя было ответить на вопросы о том, что такое люминесценция, каковы ее основные признаки и чем она отличается от других видов излучения.

В результате длительных исследований С. И. Вавилов дал определение люминесценции, которое теперь является общепринятым: люминесценцией называется избыток свечения тела над тепловым излучением того же тела в данной спектральной области и при данной температуре, если этот избыток имеет конечную длительность свечения, т. е. не прекращается сразу же после устранения вызвавшей его причины.

Это определение позволяет по доступным измерению признакам отделить люминесценцию от теплового излучения, рассеяния света и других световых процессов.

Элементарный акт люминесценции состоит из следующих трех частей: 1) поглощения кванта падающего света центром свечения (атомом, молекулой, группой атомов или молекул), 2) пребывания центра свечения в возбужденном состоянии и 3) излучения нового кванта при переходе центра свечения из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом, основной особенностью люминесцентных процессов является то, что поглощение и испускание света происходит здесь в двух отдельных актах, между которыми центры свечения (поглощающие и излучающие энергию) находятся в промежуточных возбужденных состояниях. Длительность возбужденных состояний, в зависимости от механизма люминесценции, заключена в пределах от миллиардных долей секунды до многих месяцев и даже лет, т. е. значительно превосходит период одного светового колебания (10 −15 сек ).

Введенный С. И. Вавиловым критерий длительности, являющейся основным свойством люминесценции, позволил выделить люминесценцию из большого числа различных видов излучения, по внешности весьма сходных с ней (т. е. «холодных», не определяющихся температурой светящихся тел), свечение которых прекращается за время 10 −15 сек по прекращении возбуждения.

Люминесценция различных веществ чрезвычайно разнообразна по спектральному составу испускаемого излучения и по другим его свойствам (зависимость от температуры, посторонних примесей и т. д.). Поэтому единственными законами люминесценции, справедливыми для любых люминесцирующих тел независимо от их агрегатных состояний, являются законы спектрального преобразования света.

Однако длительные поиски этих законов привели лишь к установлению некоторых эмпирических правил, которые не охватывали всех основных опытных фактов и допускали значительные исключения. Примером такого правила является «закон» Стокса, согласно которому длина волны излучения люминесценции должна быть больше длины волны возбуждающего света. Так как энергия излучения прямо пропорциональна его частоте ν (и обратно пропорциональна длине волны λ ), то увеличение длины волны при люминесценции свидетельствует о том, что некоторая доля энергии, поглощенной люминесцентным веществом, остается в нем, переходя в тепло. Но этот «закон» нередко нарушается на опыте.

Подлинные законы спектрального преобразования света были открыты С. И. Вавиловым в результате длительного экспериментального и теоретического исследования энергетики люминесцентных процессов. Они являются теоретической основой не только для науки о люминесценции, но и для ее технических приложений.

Большая серия работ С. И. Вавилова посвящена изучению поляризованной люминесценции. При освещении люминесцентного раствора линейно поляризованным светом свет люминесценции оказывается частично поляризованным. Изучение этого явления С. И. Вавиловым вместе с его учениками В. Л. Левшиным и членом-корреспондентом АН СССР П. П. Феофиловым проложило новые пути к выявлению природы и свойств элементарных излучателей в сложных молекулах. Исследуя у различных веществ графики зависимости степени поляризации люминесценции от длины волны возбуждающего света (Вавилов назвал их «спектрами поляризации»), можно установить, какие группы атомов в сложных молекулах этих веществ испускают или поглощают свет определенных длин волн. Благодаря этому можно получить ценные сведения о структуре сложных молекул.