Очень легко перепутать эти два термина. Тем, у кого в детстве не было часов со светящимися в темноте стрелками, попытаемся объяснить этот феномен.
По большому счету принципиальной разницы нет — оба явления относятся к люминесценции. Термин имеет латинское происхождение: luminis — свет, — escent — суффикс, означающий слабое действие. Дословно — «слабое свечение». Советский физик академик С. И. Вавилов в 1948 г. дал определение, которое стало классическим: «Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно 10-10 секунд и больше».
Первая часть определения Вавилова отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения, исходящего от любого тела, температура которого выше абсолютного нуля. Как мы знаем, тепловое излучение становится видимым только при температурах в несколько сотен градусов — это свечение раскаленных докрасна предметов. А люминесцировать тела могут при любой температуре, поэтому люминесценцию часто называют «холодным свечением».
Вторая часть определения Вавилова отделяет люминесценцию от различных видов отражения и рассеяния света. Временной промежуток длительностью 10-10 секунды невообразимо мал, но он все же больше периода световых колебаний. То есть люминесценция — это не мгновенное переизлучение упавшего на тело света, а отдача света с некоторой задержкой.
С точки зрения практического опыта это, конечно, «мгновенная» отдача. Если после прекращения подвода энергии излучение быстро затухает, то такую люминесценцию называют флуоресценцией, по названию минерала флюорита, у которого его впервые обнаружили. Если затухает медленно, то говорят о фосфоресценции, по названию химического элемента фосфора, у которого впервые наблюдали длительное «холодное свечение».
Деление люминесценции на флуоресценцию и фосфоресценцию достаточно условно, четкой границы между ними нет. На практике флуоресценцией обычно называют свечение длительностью не более долей секунды. Все, что более длительно, — это фосфоресценция.
Энергия, возбуждающая люминесценцию, может поступать извне не только в виде видимого света. Но и в виде ультрафиолета, рентгеновского и гамма-излучения, быстрых электронов, альфа-частиц, энергии химических реакций и даже механической энергии при трении или акустических колебаниях.
В своей основе физика люминесценции проста. Внешние электроны в атомах и молекулах люминесцирующих веществ под воздействием подведенной извне энергии способны переходить из основного состояния в возбужденные. Затем они возвращаются в основное состояние, излучая при этом световой квант. Если в возбужденном состоянии они долго не могут находиться, то, как выше было сказано, мы имеем дело с флуоресценцией, если могут — с фосфоресценцией.
Среди окружающих нас технических устройств мы чаще имеем дело с флуоресценцией. Обычно она возбуждается электронами (люминесцентные лампы, экраны электронно-лучевых трубок телевизоров и компьютеров) либо ультрафиолетом, например в детекторах подлинности денежных знаков. Там в ультрафиолете флуоресцируют невидимые при обычном освещении защитные знаки. При выключении питания свечение в таких приборах прекращается очень быстро. Красивое природное явление — полярное сияние — тоже является примером флуоресценции. В этом случае имеет место комбинация возбуждения атомов и ионов верхних слоев атмосферы как электромагнитным, так и корпускулярным излучением Солнца. Но Солнце «выключить» никому не дано, поэтому приходится верить ученым на слово.
С фосфоресценцией мы встречаемся реже. Фосфоресцируют некоторое время после выключения света накладки на выключателях, стрелки и циферблаты часов, компасов и других приборов.
Очень часто, когда пишут о фосфоресценции, не понимают разницы между свечением чистого фосфора, что открыли исторически первым, и фосфоресценцией его соединений под воздействием света. Физика этих двух внешне похожих явлений не совсем одинаковая.
Термин «фосфор» происходит от греч. phоs — свет и phо"ros — несу, то есть он переводится как «светоносный». История его открытия типична для Средневековья. В 1669 г. гамбургский алхимик Хеннингем Бранд в бесплодных поисках «философского камня», который мог бы обращать медь в золото, нагревал смесь белого песка и выпаренной мочи. В результате он получил светящееся в темноте вещество, названное сначала «холодным огнем», а затем «фосфором». Свечение белого фосфора, которое наблюдал Бранд, относится к хемилюминесценции — свечению, вызванному химической реакцией медленного окисления белого фосфора на воздухе. Этот процесс происходит спонтанно, без участия внешнего освещения, и непрерывно вплоть до полного окисления фосфора. Он может длиться достаточно долго, в зависимости от количества и чистоты материала. Затем свечение прекращается. Свечение насекомых (светлячков), некоторых морских животных и болотные огни на старой трухлявой древесине — это тоже примеры хемилюминесценции.
Но тот же фосфор является и основным компонентом для многих люминофоров для фотолюминесценции, то есть люминесценции, возникающей в результате освещения. Такие люминофоры не «истощаются» окончательно как белый фосфор, их можно «подзаряжать» подобно световым аккумуляторам неограниченное количество раз. Именно такими фосфоресцирующими люминофорами покрывают стрелки часов, компасов и тому подобных приборов. Они полностью безопасны, в то время как чистый белый фосфор является сильным ядом. Но непрерывно долго светить они не могут — максимум десятки минут.
И, наконец, существуют радиоактивные источники слабого свечения. Радиоактивные элементы его не излучают в оптическом диапазоне, но их ионизирующее излучение инициирует оптическую люминесценцию. Такие источники слабого света активно использовались в первой половине ХХ века — от времени открытия явления радиоактивности до наступления настоящей атомной эры в 1945 году. После этой трагической даты слово «радиоактивность» вместо восторга стало вызывать ужас. Так, большинство светящихся циферблатов и стрелок приборов (наручных часов в т. ч.) в технике времен Второй мировой войны и сразу после войны были изготовлены на основе радиоактивных солей радия. В масштабе человеческой жизни такие источник света «вечные» — у радия-226 период полураспада — 1600 лет. Сегодня применение радиевых люминофоров запрещено как опасных для здоровья.
Недавно радиоактивные вещества снова вернулись в быт как источники слабого свечения. На этот раз в качестве источника радиации выступил сверхтяжелый изотоп водорода тритий с периодом полураспада 12 лет и 4 месяца. Сначала на его основе разработали светящиеся краски. Тритий является чистым источником бета-излучения, то есть обычных электронов с энергией того же порядка, что в кинескопах обычных телевизоров. Эти электроны инициируют свечение люминофоров (как на телеэкранах), а подбор люминофоров позволяет получить краску любого цвета.
Возвращение радиоактивных элементов в быт стало возможным благодаря тому, что тритий излучает исключительно бета-радиацию. Бета-излучение наименее опасно для человека, поскольку длина пробега электронов в атмосфере измеряется считанными миллиметрами, а лист обычной бумаги полностью защищает от них. Фактически, как источник внешнего облучения, тритий полностью безопасен для здоровья человека. Но все гораздо серьезнее, если тритий попадает внутрь организма. В зависимости от количества и формы тритийсодержащих веществ исход такого происшествия может быть любым, вплоть до летального. Поэтому тритийсодержащие краски имеют ограниченное применение, они не запрещены, как радиевые, но потенциально опасны. В отличие от радиевых, тритиевые люминофоры не «вечные», но время их «жизни» вполне устраивает большинство потребителей — 10—20 лет они сохраняют свои свойства.
На Земле природного трития почти нет. Ничтожное его количество образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием солнечной радиации. Но поскольку тритий — изотоп сравнительно короткоживущий, он не успевает накапливаться. До первого испытания термоядерного оружия в марте 1953 г. на всей нашей планете было примерно 2 кг природного трития. Сегодня его количество измеряется тоннами.
Практически весь имеющийся на Земле тритий произведен на ядерных реакторах как один из побочных (и нежелательных) радиоактивных продуктов. Но часть его произведена специально путем облучения литиевых мишеней нейтронами. Основным потребителем трития является военная промышленность, производящая термоядерное оружие, несмотря на то что арсеналы ядерных держав вот уже двадцать лет как не растут и даже сокращаются. Находящиеся на вооружении боеголовки требуют постоянного обслуживания и обновления своих компонентов, содержащих нестабильный тритий. Поэтому производство трития после некоторого перерыва в начале 1990-х годов возобновлено.
Помимо потенциально опасных тритийсодержащих красок (в случае их употребления вовнутрь), появились новые, можно сказать, практически безопасные миниатюрные тритиевые источники света. Идея таких источников заключается в следующем: газообразный тритий напускается в небольшой стеклянный сосуд, внутренние стенки которого покрыты люминофором. Бета-излучение трития вызывает его свечение, нужный цвет получают путем выбора люминофора. За пределы сосуда бета-радиация распространиться не может. Если же сосуд будет разрушен, то ничтожное количество газообразного трития выйдет в атмосферу и рассеется. Теоретически это опасно, но практически концентрация трития будет так мала, что окажется за пределами чувствительности биологических объектов.
Сегодня за 29 долл. в США можно купить светящиеся брелки, сделанные на такой основе (http://www.unitednuclear.com/traser.htm). Брелок весит 10 г, имеет длину 50 мм, диаметр 10 мм. В течение как минимум десяти лет он будет безотказным и безопасным источником света, который можно смело класть в карманы брюк. Аналогичный «вечный» радиевый брелок, если бы его кто-то сделал, владелец столько лет не проносил бы. Потому, что не дожил бы.
Швейцарская часовая фирма Tracer выпускает механические часы со светящимися индикаторами также на основе трития. Внешне это обычные «фосфоресцирующие» часы, но светящимися элементами являются микроскопические стеклянные трубочки и колбочки с тритием. Чтобы убедить покупателей в их безопасности, фирма приводит следующие результаты расчетов: ношение таких часов эквивалентно подъему их владельца на дополнительную высоту в 12 дюймов над уровнем моря. Как известно, чем выше над уровнем моря мы находимся, тем более интенсивному облучению космической радиацией подвергаемся.
Ну, а вдруг некий террорист ударом молотка разобьет все колбочки и трубочки таких часов, и весь радиоактивный тритий вырвется наружу, тогда что? Расчеты показывают, что для того чтобы получить дополнительную 50%-ную дозу от природного радиационного фона, в замкнутой комнате нужно одновременно разбить 40 таких весьма недешевых часов. Согласитесь — подобная диверсия маловероятна, а результата никакого!
