Удивительная химия - Илья Леенсон

Многие жители больших городов заметили, что в последние годы небо по ночам имеет красновато-оранжевый цвет, особенно в облачную погоду. Это происходит потому, что для освещения улиц и площадей стали использовать натриевые лампы, в которых светятся пары не ртути, а натрия. Свет, излучаемый раскаленными парами натрия, знаком любой хозяйке, у которой хоть раз «убегал» и попадал на горящую конфорку посоленный суп. Желтый свет паров натрия довольно сильно отличается от солнечного света, поэтому к натрию добавляют другие металлы, что делает свет желто-оранжевым. Натриевые лампы экономичнее, так как при той же затрате электроэнергии дают значительно большую освещенность.

Химики синтезировали множество соединений, которые могут светиться, оставаясь холодными. Такие вещества называют люмино форами (от латинского lumen — «свет» и греческого «форос» — «несущий»). Чтобы люминофор светился, его атомы надо возбуждать, т. е. подводить энергию. Делать это можно разными способами. Самый распространенный способ возбуждения — светом, видимым или ультрафиолетовым. Общее название свечения, вызванного таким способом, — фотолюминесценция. У нее есть две разновидности. Так, если возбужденное светом вещество излучает свет очень короткое время — порядка 10-8—10-9 секунды после поглощения возбуждающего фотона, то такое излучение называется флуоресценцией. Свое название этот вид излучения получил от названия минерала флюорита, у которого данное явление было впервые обнаружено. Кристаллы флюорита довольно редки, однако многие из вас, возможно, видели синеватое свечение кристаллов нафталина на солнечном свету, зеленоватое свечение растворов флуоресцсина или эозина (эти красители иногда добавляют к шампуням и экстрактам для ванн), яркое свечение бакенов, цветных афиш, деталей одежды, специальных красок для фломастеров (маркеров) и т. д. Все они содержат так называемые дневные флуоресцирующие красители — сложные органические соединения, поглощающие ультрафиолетовые и синие солнечные лучи и излучающие зеленые, оранжевые или красные. Школьник младших классов, ранец которого окрашен яркой флуоресцентной краской, может с меньшей опасностью переходить дорогу, так как шофер увидит его издалека. Еще не так давно в метрополитене некоторых городов использовались турникеты, принцип действия которых основывался на эффекте флуоресценции. В турникеты тогда надо было опускать круглые пластмассовые жетоны, в которые был подмешан флуоресцирующий краситель. Внутри турникета была спрятана ртутная лампочка — источник ультрафиолета, под действием которого пролетающий мимо жетон на мгновение вспыхивал яркой флуоресценцией — в Москве сине-голубой, в других городах она могла быть иного цвета. Специальный фотоэлемент реагировал на эту вспышку и открывал проход. Глядя в щель автомата, можно было заметить эту яркую вспышку.

Сильной флуоресценцией обладает хинин — сложное органическое соединение исключительно горького вкуса, содержащееся в коре хинного дерева. Хинин используют как лекарство от малярии, а также добавляют к различным тонизирующим напиткам. Малые добавки хинина придают напиткам чуть горьковатый привкус, а также… способность ярко светиться под действием ультрафиолетовых лучей!

Флуоресцирующие красители входят в состав многих моющих средств. Здесь они выполняют роль оптических отбеливателей, о которых говорилось в разделе, посвященном технике безопасности. Люминесцирующие красители вводят для защиты or подделок и в денежные купюры. Многие видели, как кассир проверяет подлинность 500- или 1000-рублевой купюры, подставляя ее под специальный ультрафиолетовый светильник. Светятся разным цветом на темном фоне отдельные элементы купюры — надписи, узоры, а также вкрапленные в бумагу волокна.

Иногда фотолюминесценция не исчезает сразу после прекращения действия источника возбуждения. Такая ее разновидность называется фосфоресценцией (от греческих слов «фос» — «свет» и «форос» — «несущий»). Она может длиться от долей секунды до нескольких часов и даже суток. Фосфоресценцию органических молекул можно наблюдать только в специальных лабораторных условиях. А вот с неорганическими фосфорами (ударение на 2-м «о») знаком каждый: ими покрыты (конечно, изнутри) лампы дневного света, а также баллоны ртутных светильников на улице. По своему составу это чаще всего соединения металлов с кислородом, серой, фосфором и кремнием (химики такие соединения называют оксидами, сульфидами, фосфатами и силикатами). Кроме этих веществ в состав люминофора вводят так называемые активирующие добавки сурьмы, марганца, олова, серебра, меди и других тяжелых металлов. Порошок люминофора светится, когда на него попадает ультрафиолетовое излучение, которое возникает в парах ртути под действием электрического разряда. От ламп дневного света не требуется, чтобы они обладали послесвечением, т. е. светились после отключения от сети; главное для них — высокая световая отдача, приятный для глаза цвет и стабильность. Люминофоры для ламп дневного света выпускаются в огромном количестве. В мировом выпуске всех классов люминофоров их доля составляет примерно 90 %.

Некоторые промышленные люминофоры обладают довольно длительным послесвечением, измеряемым многими минутами. Это позволяет использовать их для покрытия циферблатов и стрелок часов, а также деталей других измерительных приборов. Если предметы, покрытые люминофором длительного действия, «насветить» несколько минут на солнце, то потом в темноте они будут светиться не один час — сначала ярко, потом все более тускло. В конце 1980-х годов группа энтузиастов-школьников перед поездкой в летнюю химическую школу в подмосковном городе Пущино «сбросилась» и купила в магазине химреактивов на улице 25 Октября в Москве (сейчас нет в помине ни этого названия улицы, ни магазина) люминофор типа ФКП-ОЗК (активированный медью сульфид цинка) по цене 36 рублей за килограммовую банку — немалые деньги по тем временам. Но они были потрачены не зря: порошок люминофора ребята смешали с эпоксидной смолой и намазали этой смесью невесть откуда добытый череп собаки. Когда смола застыла, череп можно было использовать в самых разнообразных ситуациях; например, «насветив» как следует под яркой лампой, внести неожиданно в соседнюю комнату, где в темноте показывали слайды. Эффект был потрясающий… После положенных в такой ситуации визгов (несколько наигранных) «исполнители» во всем признались: назвали и марку люминофора, и его формулу, и даже цену. Руководителям оставалось только прочитать небольшую лекцию о «холодном свете».

Люминофоры для экранов телевизоров, мониторов, осциллографов относятся к катодолюминофорам — они возбуждаются пучком электронов. Как и фотолюминофоры, они известны с XIX века. Еще в 1893 году для исследования катодолюминесценции было предложено использовать электронно-лучевую трубку с маленьким окошком из тонкой алюминиевой фольги, обладающей способностью пропускать электроны (катодные лучи) наружу. Это позволило изучать действие электронов на различные вещества прямо на воздухе, а не в вакууме. В результате было просмотрено большое число образцов и выбраны те, которые светятся под действием электронов лучше. В настоящее время по масштабам мирового производства (сотни тонн в год) катодолюминофоры занимают второе место после ламповых люминофоров. Некоторые из них перестают светиться после прекращения возбуждения очень быстро; если бы, к примеру, люминофор на экране телевизора светился хотя бы секунду после того, как с него ушел «рисующий» изображение электронный луч, картинка на экране была бы полностью смазана. Кстати, катодолюминофоры могут слабо светиться и под действием обычного света: если поднести в темноте к экрану выключенного черно-белого телевизора яркую лампу, а затем выключить ее, то некоторое время экран будет слабо светиться. Другим люминофорам, наоборот, свойственно послесвечение, что позволяет, например, делать фотографии быстро протекающих процессов с экрана осциллографа. Это так называемые экраны с «памятью» (они есть в некоторых осциллографах, радиолокационных трубках). Для получения цветного изображения используют люминофоры с другими активаторами. Например, в цветных телевизорах синее свечение экрана может давать сульфид цинка, активированный серебром, зеленое — то же соединение, активированное медью, красное — сульфид редкого металла иттрия, активированный еще более редким металлом — европием. Разработаны и другие композиции, в которых сочетание трех основных цветов в различных соотношениях дает миллионы разнообразных оттенков. Используются они и при производстве компьютеров — для экранов цветных мониторов. К катодолюминофорам близки рентгенолюминофоры, которыми покрыты экраны в рентгеновских кабинетах — они светятся под действием рентгеновских лучей (рис. 6.2).