Холодный свет: физика люминесценции
Большинство людей при вопросе «Что такое люминесценция?» вспоминают люминесцентные газоразрядные лампы. Действительно, это одно из наиболее известных применений яркого (в буквальном смысле) физического явления, а именно фотолюминесценции (возбуждения светом). В стеклянных трубках находятся пары ртути, возбуждаемые электрическим разрядом и излучающие в области ультрафиолета. Нанесенное на стенки трубки покрытие — люминофор — переводит ультрафиолет в видимое человеческим глазом излучение. В зависимости от типа люминофора цвет свечения может быть разным — это дает возможность выпускать лампы не только «холодного» и «теплого» света, но и разных цветов — красного, синего и др. Появившиеся в последнее время энергосберегающие лампы, превосходящие лампы накаливания в области видимого света, — это те же люминесцентные лампы, только сильно уменьшенные благодаря миниатюризации электроники. Другая разновидность люминесценции — катодолюминесценция. Именно она лежит в основе электронно-лучевых трубок: люминофор, покрывающий экран, светится под действием пучка электронов. Рентгенолюминесценция, например, используется при проведении флюорографии — покрытый люминофором экран светится под действием рентгеновского излучения.
Быстро и медленно
После прекращения возбуждения люминесценция затухает. Если это происходит быстро, то процесс относят к флюоресценции (от названия минерала флюорита, у которого было обнаружено это явление), а если свечение продолжается длительное время — то к фосфоресценции. Флюоресценцию под действием света (видимого и УФ) можно часто наблюдать в быту — светятся красители маркеров, покрытие дорожных знаков и ткани спецодежды. Именно флюоресценция отвечает за то, что свежевыстиранная белая рубашка кажется на ярком солнечном свету «белее белого». И эффект этот не психологический. Просто стиральные порошки содержат специальные вещества, оптические отбеливатели, которые под действием ультрафиолета излучают видимый свет (обычно в сине-фиолетовой области). Этим объясняется и тот факт, что белая одежда светится под действием УФ-ламп в дискотеках. Медленно затухающая люминесценция (фосфоресценция) также весьма распространена в быту — вспомните циферблаты часов и стрелки других приборов (а также экраны старых осциллографов).
И другие
Кроме вышеупомянутых разновидностей существуют радиолюминесценция — под действием проникающей радиации (применялась в сцинтилляционных счетчиках), хемилюминесценция под действием химических реакций (включающая биолюминесценцию), кандолюминесценция (при механических воздействиях), лиолюминесценция (при растворении кристаллов), электролюминесценция (под действием электрического поля)
Секретных надписей нет
Люминесценция под действием ультрафиолета активно применяется для проверки подлинности различных документов, бланков и банкнот. Сейчас практически у любого кассира под рукой находится аппарат с УФ-лампой для проверки денежных купюр. Этот способ применяется с начала XX века, Роберт Вуд, знаменитый американский физик, экспериментировал с ним еще в конце Первой мировой войны. Вот как описывает это сам Вуд в книге своего биографа Вильяма Сибрука «Роберт Вуд. Современный чародей физической лаборатории»:
...Они [Бюро главного цензора Британского военно-морского флота] гордо заявили мне, что изобрели бумагу, на которой невозможно сделать «невидимую» тайную запись. Ее продавали во всех почтовых отделениях, и письма, написанные на ней, можно было не подвергать никаким испытаниям. Эта бумага стала очень популярной, так как письма не задерживались цензурой. Это была обычная почтовая бумага, на которой были отпечатаны частые параллельные линии, розовые, зеленые и голубые. Красная краска разводилась в воде, зеленая в спирту, а голубая в бензине. На глаз бумага казалась серой. Так как практически любая жидкость, в которой растворены невидимые чернила, относится к одному из этих трех классов, одна из цветных линий растворится в бесцветной жидкости, стекающей с пера, и появятся следы надписи. Я вспомнил, что китайские белила получаются черными, как уголь, на фотографиях, сделанных в ультрафиолетовых лучах, и сказал: «Предположим, что я написал бы на ней тонкой палочкой китайскими белилами — тогда ни одна из линий не растворится, и все же надпись можно будет прочесть, если сфотографировать бумагу».
«О нет, — ответили они, — вы можете писать на ней даже зубочисткой или стеклянной палочкой без всякой краски. Цветные линии сделаны слегка мягкими или липкими, так что они смажутся и получатся темно-серые буквы. Вот вам стеклянная палочка — попробуйте сами!» (...)
Я сказал: «Хорошо. Все же я попытаюсь. Принесите мне резиновый штамп и немного вазелина». Мне принесли большой, гладкий чистый штамп военной цензуры. Я натер его вазелином, затем как следует вытер платком, пока он не перестал оставлять следы на бумаге. Затем я плотно прижал его к «шпионоупорной» бумаге, не давая соскальзывать в сторону.
«Можете ли вы обнаружить здесь надпись?» — спросил я.
Они испытали бумагу в отраженном и поляризованном свете и сказали: «Здесь ничего нет».
«Тогда давайте осветим ее ультрафиолетовыми лучами». Мы взяли ее в кабинку и положили перед моим черным окошечком. На бумаге яркими голубыми буквами, как будто к ней приложили штамп, намазанный чернилами, светились слова: «Секретных надписей нет».