С.И. Вавилов. Люминесцентные лампы

В 1909 году в Москве проходил XII Всероссийский съезд естествоиспытателей и врачей, одним из распорядителей физической секции на котором был первокурсник Сергей Вавилов, младший брат уже известного учёного Вавилова Николая, который заседал в секциях химии, ботаники, географии, этнографии и антропологии, статистики и агрономии. В физической же секции выступал сам Петр Николаевич Лебедев, своим открытием давления света экспериментально подтвердивший электромагнитную теорию света. Сергей Вавилов, со временем, становится его учеником, и в 1913 г. появляется его первая научная статья о выцветании красителей под воздействием света. После окончания университета его призывают в армию — он смотрит на этот вынужденный отпуск как на возможность собраться с мыслями и обдумать планы на будущее. Между тем, всходит заря новой физики — открыты электроны и радиоактивность, теория относительности и световые кванты! Сколько новых проблем требует проверки и развития!

Однако началась война, и прапорщик Вавилов служит сначала в сапёрном батальоне, а затем в радиодивизионе, где в его распоряжении оказалась масса физических и электроизмерительных приборов. В фронтовых условиях он ставит научные опыты, выводит основополагающую формулу частоты колебаний нагруженной антенны. И получает известие, что его работа о выцветании красителей удостоена в университете золотой медали.

Вернувшись с войны, Вавилов получает приглашение в Физический институт при Московском научном институте Наркомздрава, где под руководством академика П. П. Лазарева уже собрались многие ученики П. Н. Лебедева.

Он занялся исследованиями света на основе квантовых представлений. В первые годы здесь он не сделал фундаментальных открытий — но сумел сформулировать вопросы, предопределившие будущие открытия. И ставил опыты для проверки квантовой теории. Не будем углубляться, хотя проследить их было бы увлекательно (например, было подтверждено, что кванты света можно увидеть воочию, невооружённым глазом) — но у нас другая тема.

В 1921 году Сергей Иванович начал серию работ в одном из самых неизведанных разделов оптики — люминесценции.

Исходная идея была в том, что при мощном облучении поглощающего вещества поток фотонов, поглощаясь молекулами, переводит их в возбужденное состояние, но в этом состоянии они пребывают лишь мгновение — и молекула выбрасывает квант света люминесценции. Чтобы возбудить ее снова, надо посылать к молекуле новый квант. Для долгого свечения к каждой молекуле нужно подводить сотни миллионов квантов в секунду — это огромная энергия. Значит, надо применить поглощающее вещество с длительным послесвечением. Он нашёл: соли уранил-нитрата сохраняли возбуждение пять десятитысячных секунды — в сто тысяч раз дольше, чем предыдущие образцы.

Первый труд С. И. Вавилова по люминесценции (в 1922 г.) назывался «Зависимость интенсивности флюоресценции красителей от длины волны возбуждающего света» — вообще говоря, очень близко к практике восстановления разрушенного народного хозяйства. Но для Вавилова это означало и разгадку явления люминесценции.

Вспомним, термин «люминесценция» («очень слабое свечение») ввёл в науку в 1889 г. немецкий физик Айлхард Эрнст Видеман. Им обозначают самосвечение тел, излучение видимого света без нагрева, холодное свечение. Вообще-то, тепло и свет почти всегда вместе: солнечные лучи, костёр, свеча, керосиновые и электрические лампы …Древние говорили: свет — это разреженный огонь, а огонь — сгущённый свет.

Однако существуют тысячи видов светящихся насекомых, рыб, медуз, преобразующих в холодный свет химическую энергию своего организма, растений, даже бактерий, газов, минералов.

Выдающиеся умы от Аристотеля и Чжао Ли до Беккереля и наших Ломоносова и Петрова пытались объяснить это явление — но располагали средствами одной лишь классической физики.

С. И. Вавилов вторично открыл люминесценцию, объяснив её как квантовое явление. И обратил внимание, что это — самый выгодный в природе способ преобразования различных форм энергии в свет — нет потерь на тепло. И поставил цель изучить энергетику люминесценции с количественной стороны, найти её КПД — отношение энергии излучения к той поглощенной веществом энергии, которая её вызывает. Он разработал спектрофотометричесий метод измерения относительных значений световых характеристик излучающих и рассеивающих поверхностей, и уже в 1924 году опубликовал результаты. Они были ошеломляющими: типичные люминесцирующие вещества показали выход люминесценции от 66 до 80 процентов! Свечение люминесценции для некоторых веществ оказывалось главным, а не побочным, наряду с тепловыми, процессом.

Так открывался новый способ эффективного преобразования лучистой, то есть электромагнитной, энергии в свет.

Очень помогла Вавилову стажировка в Берлине, куда его направили как профессора-ударника. Вернувшись в 1926 году, он сформулировал закон спектрального преобразования в процессах люминесценции, который связывает частоты возбуждающего света и света люминесценции.

Вскоре под его руководством получены первые люминесцирующие составы, которые годились для изготовления практических ламп. К тому времени уже использовались в наружной рекламе разрядные цветные лампы высокого напряжения, в которых светились главным образом неон, аргон и пары ртути. Вавилов решил сочетать эти лампы с люминофорами — веществами, способными превращать один вид света в другой, невидимые лучи — в видимые.

Для приготовления люминофора брали сернистый цинк или вольфрамат магния, добавляли активаторы — соли меди, серебра или марганца, от которых зависит цвет свечения, присоединяли «плавень» — поваренную соль для соединения всего воедино, и прокаливали при 750–1500 градусах. Тончайшим слоем люминофора покрывали изнутри стеклянную трубку, её наполняли парами ртути или аргоном, при включении такой лампы в обычную электрическую сеть в ней возникал разряд. Пары ртути или аргон испускали невидимые ультрафиолетовые лучи, последние действовали на люминофор, и лампа начинала светиться ярким светом избранной окраски.

Так, задолго до появления за границей люминесцентных ламп, пригодных для практического освещения помещений и улиц, в СССР стали создавать — сперва в лаборатории Вавилова — новые экономичные источники света. В 1941 г. промышленные образцы ламп были выпущены на Московском электроламповом заводе на Светотехнике, но начавшаяся война не позволила развить их производство. Уже посмертно, в 1951 году, С. И. Вавилов был удостоен Сталинской премии за разработку люминесцентных ламп.

Сами же принципы люминесценции используются в телевизионных трубках, при качественном анализе различных веществ, в том числе пищевых продуктов, семян, неразрушающем контроле промышленных и строительных изделий, обнаружении излучений, изготовлении красителей.

В 1932 г. С. И. Вавилов стал действительным членом Академии наук СССР, его назначили руководителем Государственного оптического института в Ленинграде, затем — директором Физического института Академии наук — ФИАН — имени П. Н. Лебедева. Под его руководством ФИАН стал теоретическим и экспериментальным центром страны в области физической науки.

А в 1945 г — был избран Президентом Академии наук СССР, причём был единственным и естественным кандидатом на этот пост. А в 1958 году его бывший аспирант, П. А. Черенков, получил Нобелевскую — за открытие свечения, вызываемого в прозрачной среде заряженной частицей — эффект Вавилова-Черенкова.

А ещё — Вавилов нашел удачный образ для сравнения между собою теплового и люминесцентного источников света. Обычный тепловой источник — это беспорядочная, неорганизованная толпа. Все мечутся кто куда, бесцельно пропадает много энергии на взаимные столкновения. Организованные люди шагают целеустремленно, военным строем. Энергия идёт на поступательное движение. Хороший аналог люминесцентной лампы, экономической лампы будущего!