Иллюзии, связанные с явлениями люминесценции

Описание

«Холодный свет». Очень много чудесных и удивительных явлений позволяет наблюдать современная техника люминесценции, или опыты, связанные с получением так называемого «холодного света».

Явления холодного свечения наблюдаются в следующих случаях:

1. хемилюминесценция — свечение, сопровождающее в лаборатории некоторые химические реакции, свечение в природе живых организмов или гниющих органических веществ (светлячки-черви, гнилушки, скопления особых бактерий, морские растения и рыбы и т. п.);

2. кристаллолюминесценция — свечение в момент кристаллизации (жидкое стекло в момент затвердевания и др.);

3. триболюминесценция — свечение при трении, разломе и раздавливании (сахар, соли урана и т. д.);

4. термолюминесценция — свечение при слабом нагревании или сильном охлаждении (алмаз, мрамор, урановая соль в жидком воздухе и т. д.);

5. электролюминесценция — свечение разреженных газов при прохождении через них электрического тока (например, аргон светится голубым, неон — оранжевым, гелий — розовым, а пары ртути — белым светом, в котором особенно сильно развиты синяя, зеленая и желтая части спектра);

6. катодолюминесценция — свечение твердых тел и, в частности, кристаллических порошков под действием потока быстрых электронов;

7. рентгенолюминесценция — свечение веществ под действием рентгеновских лучей.

Наконец, представляющая большой интерес с точки зрения оптических иллюзий фотолюминесценция, т. е, свечение тел, вызванное их облучением ультрафиолетовыми, видимыми и инфракрасными лучами. Этот вид люминесцентного свечения подразделяется на фосфоресценцию, когда свечение продолжается и после прекращения возбуждения лучистой энергией, и флуоресценцию, когда свечение вещества исчезает с прекращением возбуждения.

Фосфоресцирующие вещества известны уже несколько столетий, однако промышленное получение этих особых неорганических составов, которые иногда называют кристаллическими или минеральными фосфорами, началось в 70-х годах прошлого столетия.

В настоящее время различают светящиеся составы временного и постоянного действия.

В первом случае свечение имеет место после прекращения облучения лишь непродолжительное время (от нескольких минут до нескольких часов).

Во втором случае свечение обусловлено радиоактивным распадом и излучением альфа-, бета- и гамма-лучей, возбуждающих длительное свечение внутри состава. Свечение под воздействием лучей радиоактивного распада иногда называется радиолюминесценцией.

Светящиеся составы постоянного действия имеют в настоящее время ограниченное применение вследствие высокой стоимости радиоактивных материалов.

Наибольшее значение в современной технике приобрели люминесцирующие составы временного действия, называемые кристаллофосфорами. Они изготовляются обычно из трех компонентов: основного вещества, активатора и плавней. По типу основного вещества светосоставы разделяются на два класса: цинковые и щелочноземельные.

В первом случае основным материалом является сернистый цинк, во втором — сернистый кальций или сернистый кадмий. В качестве активатора вводят ничтожные примеси меди, серебра или марганца в первом случае и висмута — во втором. В качестве плавней применяют легкоплавкие соли лития, калия и натрия, которые не усиливают свечения, но для его возникновения их присутствие необходимо.

Основными характеристиками люминесценции является: спектральный состав излучений, длительность послесвечения, характер его затухания и, наконец, общий выход свечения.

Светосоставы цинковой группы обладают свойством более яркого свечения, но сравнительно малой продолжительностью, а светосоставы щелочноземельные имеют меньшую яркость, но их послесвечение может продолжаться в течение многих часов.

Кроме кристаллофосфоров находят применение флуоресцирующие органические красители. Они не обладают остаточным свечением и могут применяться только вместе с возбуждающими их источниками ультрафиолетового света. Растворенные в воде, эти красители способны окрашивать в самые разнообразные цвета белые ткани и бумагу, не нарушая их эластичности. Окрашиваемая ткань приобретает наибольшую яркость лишь при некоторых оптимальных концентрациях красителя.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

В настоящее время явления фосфоресценции, флуоресценции и др. имеют широкое практическое применение, например в люминесцентных источниках света, в люминесцентном анализе и дефектоскопии, при действии экранов и пленок различных электронно-лучевых трубок и приборов, в живописи (станковой, театральной, архитектурной), в аварийном, рекламном и декоративном освещении.

Применения «холодного света» . Наиболее широко для целей освещения применяются трубчатые ртутные лампы низкого давления (около 0,01 мм рт. ст.) с нанесенным на внутренние стенки трубок светосоставом (люминофором), известные под названием люминесцентных ламп (рис. 204).





Электрический ток, протекая между электродами лампы, вызывает разряд в парах ртути и аргона, наполняющих трубку.

Удивительная оптическая иллюзия в данном случае состоит в том, что внутри трубки... темно. Там еле брезжит слабое голубовато-синее свечение столба тихого разряда в парах ртути. Ультрафиолетовые лучи, составляющие 60% излучении разряда (электролюминесценция) против 2% видимых излучений, преобразуются частично слоем люминофора (флуоресценция), отложенным на внутренние стенки трубки, в видимое излучение. В этом случае трансформация излучения происходит в соответствии с законом Стокса, т. е. коротковолновое излучение преобразуется в длинноволновое. Световая отдача лучших образцов люминесцентных ламп составляет 70 лм/вт, тогда как световая отдача ламп накаливания не достигает и 15 лм/вт; срок службы люминесцентных трубок может быть в 5 раз больше, чем срок службы ламп накаливания (1000 час).

Другой разновидностью источников света с применением светосоставов являются ртутнодуговые лампы высокого давления типа ДРЛ. Эти лампы сочетают достоинства трубчатых люминесцентных ламп низкого давления — высокую световую отдачу с возможностью сосредоточить в относительно небольшом объеме значительную световую мощность.

Лампа ДРЛ (рис. 205)





представляет собой кварцевую трубку— капилляр (2), заполненную парами ртути под высоким давлением (5—10 атм) и заключенную в эллипсоидную колбу из термостойкого стекла (2), покрытую изнутри слоем люминофора. Лампа снабжается резьбовым цоколем.

Возможность трансформации невидимых (ультрафиолетовых, рентгеновских и т. д.) лучей в видимые световые излучения широко используется теперь в ряде областей для люминесцентного анализа (химическая, металлообрабатывающая и пищевая промышленность, медицина, биология, криминалистика и т.д.). Возбуждая свечение того или иного вещества различными излучениями, исследуют чистоту продуктов, обнаруживая в них ничтожные, но очень важные для производства примеси. При поисках полезных ископаемых люминесцентный анализ служит методом определения состава горных пород. В химической промышленности он используется для установления качества исходного сырья, в металлообрабатывающей промышленности люминесцентная дефектоскопия служит для обнаружения поверхностных трещин и других изъянов в изделиях. В криминалистике по свечению незаметных в обычном свете пятен может быть определена их природа и происхождение, могут быть обнаружены незаметные надписи и подделки документов.

Огромное значение имеет люминесцентный анализ в биологии и медицине, где с его помощью изучают структуры тканей, наблюдают жизнь и поведение микроорганизмов и т. д.

В современной технике весьма широкое применение получают люминесцирующие экраны для электронно-лучевых приборов (электронно-лучевые трубки для катодных осциллографов, электронных микроскопов, для радиолокации и телевидения), а также экраны для обнаружения невидимых излучений (рентгеновские лучи, ?-, ?- и (?-лучи и инфракрасные лучи).

Заметим, что телевизионные экраны делают из люминофоров, затухающих очень быстро после прекращения возбуждения. В каждый данный момент светится лишь небольшой участок строки, описываемой электронным лучом. Однако глаз человека сохраняет полученное световое впечатление в течение 0,1 сек.

Движущийся электронный луч в течение 1/25 сек вычерчивает на экране 625 строк, которые полностью покрывают поверхность экрана. Точки экрана, возбуждаемые импульсами с интервалами меньше 1/25 сек, создадут в глазе устойчивое световое впечатление. Весь экран будет казаться светящимся, хотя в каждый данный момент возбуждается только малый участок его поверхности. Вследствие большего или меньшего ослабления электронного луча на экране появятся темные и более светлые места передаваемого изображения.

Для фотографирования объектов на больших расстояниях в инфракрасных лучах применяются люминофоры с малой продолжительностью послесвечения. При этом для получения фотографических изображений удобнее применять люминофор не зеленого, а фиолетового свечения в виде вольфрамо-кислого кальция.

В приборах ночного видения применяются люминофоры с длительным послесвечением. Наличие инфракрасных излучений обнаруживается с помощью специальных приборов — электронно-оптических преобразователей (ЭОП).

Это сложные вакуумные приборы, в простейшем случае имеющие вид разрядной трубки с катодом, который под воздействием падающих на него инфракрасных лучей испускает заряженные частицы (фотокатод). Когда на фотокатоде с помощью объектива создается изображение в инфракрасных лучах, то отделившиеся от его поверхности электроны ускоряются электрическим полем. Поток электронов от отдельных частей фотокатода направляется на отдельные участки люминесцирующего экрана» На экране получается видимое изображение той невидимой картины, которая образуется объективом на фотокатоде.

Так, например, с помощью ЭОП легко можно видеть в темноте все источники инфракрасных излучений (нагретые тела), а также тела, отражающие невидимые инфракрасные лучи, падающие на них от некоторых облучателей.

Светящаяся живопись. Необычайно интересные зрительные иллюзии создаются светящимися составами и красками в современной люминесцентной живописи. Известно, что, пользуясь светящимися красками и ультрафиолетовыми облучателями, можно получить весьма чистые и насыщенные цвета, причем можно осуществить ступени яркостей, меняющихся в сотни раз. Лес, пронизываемый прямыми лучами солнца, когда чередуются яркие солнечные пятна и густая тень под деревьями, или небо с заходящим солнцем или восходящей луной совершенно недоступны живописи, а для люминесцентной они являются вполне реальными пейзажами.

Светящиеся краски дают насыщенные цвета, резкие цветовые и яркостные контрасты.

Отечественная промышленность теперь выпускает «светящиеся акварели», состоящие из набора светосоставов временного действия в количестве 24-х цветов, а также флуоресцирующие краски на крахмальной основе. Первые для Нанесения на различные поверхности растворяются в специальном желатинном составе, изготовленном по особому рецепту. Так, для бумаги и мягких тканей состав должен содержать 60 г пищевого или фото-желатина, 160 г глицерина и 10 см3 10%-ного раствора тимона на 1000 см3 воды. Если светящиеся краски наносятся на твердые поверхности, глицерина следует брать не 160, а 20 г. Краски на крахмальной основе обладают высокой стойкостью к внешним воздействиям.

Если живопись обычными красками проводится при естественном, дневном освещении, то живопись светящимися красками — при обычном и ультрафиолетовом освещении.

Освещение или, вернее, облучение невидимым «черным светом» люминесцентной живописи при ее выполнении и рассматривании производится с помощью специальных облучателей с ртутно-кварцевыми лампами высокого давления типа ПРК-4 или ПРК-7. Для возбуждения свечения люминесцирующих красок используется ультрафиолетовое излучение длиной волны 320—400 ммкм. Для выделения этой области спектра применяют черный увиолевый светофильтр, перекрывающий световое отверстие облучателя.

Характерной особенностью светящихся красок является то, что они в видимом свете выглядят бело-желтыми порошками. Благодаря этому светящаяся живопись получается как результат трансформации излучений. Например, если этими красками написать зимний пейзаж, на котором при обычном освещении деревья и кусты покрыты хлопьями снега, зимняя дорога слегка выделяется на фоне общего снежного покрова. При включении же ультрафиолетовых облучателей снег начинает светиться зеленым светом, деревья приобретут зеленый покров, а зимняя дорога может превратиться в сияющую голубизной отраженного неба прозрачную речку. Тем самым зимний пейзаж превратится в летний. При известном навыке, изобретательности и творческой фантазии художник может получить разнообразные виды с мгновенной или постепенной сменой рисунка или окраски.

Иногда обычный видимый свет создает яркости, перекрывающие свечение красок. Затем этот свет постепенно ослабляется и становятся видимыми светящиеся краски; при этом второй рисунок как бы вытесняет первый. Трансформацию можно производить мгновенно или медленно в прямом или обратном порядке. Еще более эффектна двойная трансформация, когда рисунки построены по типу загадочных картиною контуры одного рисунка маскируются контурами другого.

При выполнении таких рисунков с двойной трансформацией, но не очень сложных по сюжету можно пользоваться бумажными масками, закрывающими часть первого и повторяющего контуры второго. Светящиеся составы могут распыляться на бумажную маску при ультрафиолетовом облучении. По окончании работы маска снимается и в ней вырезается другой участок рисунка. Проводится снова распыление светящихся красок. В зависимости от сложности рисунка таких масок может быть несколько. Мелкие и тонкие детали рисунка дорабатываются от руки кистью.

Люминесцирующая живопись может быть широко использована для рекламных целей, где могут найти применение как сложные рисунки и большие полотна — панно, так и простые изображения рекламируемых изделий промышленности, товарных знаков, детали рекламируемых изделий и т. п.

Многолетний опыт работ художника Е. М. Мандельберга в области люминесцентной живописи показал очень широкие возможности ее применения театральными оформителями, декораторами, а также архитекторами при оформлении интерьеров различных общественных зданий.

Замечательные качества светящихся красок в настоящее время широко используются в ряде постановок московских, ленинградских и других театров. Приведем здесь некоторые примеры.

Так, в спектакле «Синяя птица» в Московском художественном академическом театре впечатляющий эффект производят передвигающиеся в темноте фосфорически огненные цифры, изображающие ход времени, летающие в воздухе предметы и многое другое. Эти поразительные световые эффекты — результат умелого использования светящихся красок, предварительно облученных «черным светом» ультрафиолетовых лучей.

Впервые светящиеся краски были применены для создания сценических эффектов в ленинградских театрах Д. Н. Лазаревым, который отдал много сил и времени разработке вопросов теории и практики ультрафиолетовых облучателей. Особенно эффектно их применение при изображении сцен из сказок и легенд. Об одной сцене в спектакле «Сказка об Иванушке и Василисе Прекрасной» Д. Н. Лазарев рассказывает: «Змей-Горыныч сеет всеобщий ужас. Вихрь, молнии и гром предшествуют его приближению, стада гибнут, деревья чахнут и реки высыхают. На сцене меркнет свет, и в ночной темноте появляется восьмиметровое трехголовое чудовище со светящейся зеленой чешуей, красными глазами и огнедышащими языками. В конце пьесы Иванушка, достав заветный шлем и меч булатный, ведет со змеем бой и отрубает ему все три головы; змей гибнет, рассыпаясь огненными искрами».

Эта сцена (рис. XIV)





выполнена декораторами с применением светящихся красок и источников «черного света».

Светящиеся краски в настоящее время используют на сцене не только в полной темноте, но и при слабом освещении. С помощью этих красок изображают на декорациях уличные фонари, освещенные окна, подъезды домов и т. п. Они успешно имитируют звездное небо, голубоватое сияние луны, отблески ее света на воде, на венчающих частях башен, на циферблате городских часов и т. д. Иллюзия вечера или ночи создается зажигающимися городскими огнями, увеличением яркости мерцания звезд, восходящей луной и т. п. Можно использовать трансформацию излучений и на сцене в той последовательности, как это было описано ранее. Например, лесную опушку на декорации, первоначально покрытую снегом и инеем, можно на глазах у зрителей со сказочной быстротой заменить яркой картиной весны, когда те же деревья оденутся в прекрасное убранство молодой листвы или цветов.

Используя органические флуоресцирующие красители, можно получить разноцветные светящиеся ткани. Ткань погружают в водный раствор этого красителя на 10— 15 мин. При этом, включив ультрафиолетовые облучатели, следят за тем, чтобы ткань окрасилась равномерно. Отжав и расправив ткань, ее сушат в помещении со слабым освещением. Такие ткани можно изготовлять и путем росписи их светящимися составами. Светящиеся декорации использовали постановщики известных спектаклей на сцене Государственного Академического Большого театра: «Руслан и Людмила», «Золушка», «Пламя Парижа». Например, в балете «Золушка» запоминается «танец звезд». Покрытая светящимися красками одежда балерин ярко вспыхивает в зоне облучения ультрафиолетовыми лучами — за границей этой зоны танцовщицы мгновенно исчезают.

Светящиеся ткани могут использоваться в торговой рекламе, ярко вспыхивая вечером в витринах при облучении ультрафиолетовыми лучами. Как на сцене, так и в рекламе мгновенное появление светящихся изображений может быть связано с использованием вращающихся или полупрозрачных зеркал.

Светящиеся краски могут быть использованы в качестве аварийного и маскировочного освещения. Так, например, покрыв этими красками некоторые ограждения, ориентиры или указатели для движения людей или же рабочие органы приборов и механизмов (телефонные диски, табло, пульты управления, шкалы приборов, штурвалы, рукоятки и т. п.), можно видеть их светящимися при выключенной общей системе освещения. Если послесвечение применяемых составов будет относительно продолжительным (от 1 до 5 час), то их свет (без применения «черных» облучателей) может быть использован до восстановления общего обычного освещения. Их свет может быть использован в условиях опасности воздушного нападения при светомаскировке, для ориентирования людей, направляющихся в бомбоубежища или выполняющих спасательные работы, и т. п.

Светящиеся составы, хорошо аккумулирующие дневной естественный свет и обладающие удовлетворительным по длительности и яркости послесвечением, могут найти широкое применение для дорожных знаков, ночных блокнотов, светящихся топографических карт и даже для освещения некоторых помещений.

Способность светосоставов временного действия разлагаться под действием лучистой энергии или влаги может быть замедлена дополнением к их составу ингибиторов — специальных веществ, задерживающих процесс разложения. Ингибиторами для сернисто-цинковых составов являются органические химические соединения, содержащие азот, например пиридин, лутидин, триэтиламин, хинин и др.

----

Статья из книги: Иллюзии зрения | 3-е издание | Артамонов И.Д.