Самый «универсальный» способ заставить тело
испускать свет-сильно нагреть его. Так излучают свет сильно нагретый
металлический пруток, спираль электроплитки, электрическая лампочка,
Солнце и звезды, свечка, факел и другие горящие вещества. Чем выше
температура, тем более энергично движутся атомы в веществе. При
достаточно сильном нагреве атомы любого вещества, сталкиваясь друг с
другом, способны возбуждаться, при этом находящиеся в них электроны
приобретают дополнительную энергию. Чем выше температура, тем с большей
силой сталкиваются атомы, тем больше энергии способны запасти электроны.
Однако долго «излишек» энергии они удержать не могут: через очень
короткое время (а практически — мгновенно) электроны теряют запасенную
энергию, возвращая ее в виде фотона — «частицы» света (по-гречески
«фотос» — родительный падеж слова «фос» — «свет»). Разные электроны
разных атомов при нагреве запасают (а затем испускают) разную энергию.
Поэтому нагретое тело излучает фотоны разного цвета. Чем меньше энергия
фотона, тем «краснее» свет, а чем энергия выше, тем свет «голубее». При
очень слабом нагреве вещества фотоны имеют такую низкую энергию, что
глаз их не воспринимает: они «греют», но не светят. Свет, состоящий из
таких фотонов, называется инфракрасным, потому что он находится за
пределами красной области спектра и невидим (на латыни infra —
«под», инфракрасный свет как бы находится «под» видимым светом). Много
инфракрасных лучей испускает, например, хорошо протопленная печка.
Если постепенно повышать температуру
тела, оно начинает светиться, и по цвету его свечения опытный металлург
может определить температуру раскаленного металла. При +500… +600 °C
появляется темно-красный цвет, чуть заметный в темноте, при +600…
+800 °C цвет становится вишнево-красным, при +800… +1000 °C —
ярко-красным, при +1000… +1100 °C — желтым, а если вещество нагреть еще
сильнее, оно начнет испускать белый свет (недаром говорят: «довести до
белого каления»). Конечно, сильно раскалить можно далеко не все тела.
Даже многие металлы сгорят на воздухе намного раньше. И тем более это не
получится с деревом или пластмассой. Возьмем, например, спираль от
электроплитки (она сделана из тугоплавкого сплава) и начнем пропускать
через нее все более сильный электрический ток. Сначала спираль остается
темной, хотя и горячей, а потом начинает светиться. Сперва свет будет
чуть заметен в темноте («красное каление»). Затем, с повышением
температуры, цвет станет ярко-красным, потом желтым, а когда вещество
будет нагрето «до белого каления» (как угли электрической дуги), в его
излучении появятся все цвета радуги. Правда, спираль плитки до белого
каления нагреть не удастся — сплав никеля и хрома (нихром), из которого
она сделана, еше раньше расплавится или сгорит на воздухе. А вот
тугоплавкую и химически стойкую платину можно нагреть очень сильно; на
расплавленную платину (+1770 °C) невозможно даже смотреть с близкого
расстояния — настолько яркий свет она испускает. Еще сильнее — до многих
тысяч градусов можно нагреть вещества в газообразном состоянии. Сильно
раскаленное тело, кроме инфракрасных и видимых лучей, испускает также
ультрафиолетовые лучи (они находятся за пределами фиолетовой части
спектра; на латыни ultra — «сверх»). Чем выше температура тела,
тем оно ярче светит и тем больше испускает ультрафиолетовых лучей. Так
светятся все нагретые тела, в том числе наше Солнце и звезды; по цвету
звезды астрономы могут определить ее температуру (вероятно, вам не надо
говорить, что Луна и планеты сами не светятся, а лишь отражают солнечный
свет).
Когда горит свеча или факел, светятся
мельчайшие раскаленные частички угля в пламени. Их температура не так
высока, поэтому пламя красноватое. В пламени природного газа, если
воздуха для горения достаточно, раскаленных частичек угля практически
нет, поэтому такое пламя почти бесцветное. Когда в XIX веке появились
первые газовые фонари, их пламенем сильно нагревали специальные
«калильные сетки», изготовленные из оксидов тория и других редких
металлов. Раскаленные сетки испускали яркий свет, которым освещали по
ночам улицы. Вечером специальные рабочие должны были зажечь каждый
фонарь, а утром — погасить его. Конечно, это было неудобно. С появлением
достаточно дешевой электроэнергии инженеры, разрабатывая конструкцию
электрической лампочки, перебрали массу различных материалов для
светящегося волоска: ведь чем сильнее его нагреть током, тем ярче он
будет светиться, тем ближе его свет будет к дневному. После многих
неудач остановились на тугоплавком металле вольфраме, который плавится
при очень высокой температуре (+3420 °C). Но это все равно намного
меньше, чем температура поверхности Солнца (+6000 °C). Кроме того,
спираль нельзя очень сильно нагревать, так как задолго до своего
плавления вольфрам начинает испаряться и лампочка быстро перегорает.
Первые лампочки светили тусклым красноватым светом, а срок службы у них
измерялся всего лишь десятками часов. Чтобы поднять температуру спирали,
лампочки стали заполнять газами, которые с вольфрамом не реагируют.
Молекулы газов чисто механически мешают атомам вольфрама покидать
спираль. Чем тяжелее молекулы газа, тем лучше они справляются со своими
обязанностями. Современные криптоновые лампочки светят намного ярче, а
гореть могут тысячи часов (такие лампочки легко отличить по их
грибовидной форме).
Однако и это не удовлетворило ученых.
Они научились «залечивать» вольфрамовую спираль в том месте, где она
становится тоньше и вот-вот может перегореть (как известно, «где тонко,
там и рвется»). Конечно, никто лампочку для этого не разбирает:
«лекарство» закладывают в нее еще на заводе. Это «лекарство» — крошечный
кристаллик обыкновенного иода, водно-спиртовый раствор которого есть в
каждой домашней аптечке. Как же иод «лечит» раскаленную спираль? Химики
обнаружили, что если в лампу ввести немного йодных паров, они образуют с
атомами вольфрама, которые уже покинули спираль, летучие химические
соединения. Когда эти соединения случайно оказываются вблизи раскаленной
спирали, они от сильного жара распадаются, атомы вольфрама возвращаются
куда им положено — на спираль, а молекулы иода, оставаясь в газовой
фазе, начинают искать новых «беглецов», чтобы водворить их на прежнее
место. Благодаря этой хитрости температуру вольфрамовой спирали в таких
лампах (их еще называют галогенными) можно значительно повысить. Вы,
возможно, видели, насколько ярче горят галогенные лампы (например, в
фарах новых моделей автомобилей, в кинопроекторах) по сравнению с
обычными.
Кстати, с помощью такого «иодидного»
метода сейчас получают некоторые металлы очень высокой степени чистоты.
Для этого загрязненный металл нагревают в парах иода, при этом
образуется летучее соединение иода только с атомами данного металла.
Полученное газообразное соединение переносят в другую часть реактора,
где его вводят в контакте раскаленной проволокой из того же металла, но
только предварительно хорошо очищенного. Когда летучее соединение
металла с иодом начинает на этой проволоке разлагаться, выделяющиеся
пары иода отводят в то место реактора, где находится загрязненный
металл, а на проволоке начинают расти кристаллы выделившегося металла
очень высокой чистоты.
Возбуждать электроны в атомах, чтобы
они начали испускать свет, можно и по-другому. Например, в лампах
дневного света свет испускают ртутные пары, а энергию атомы ртути
получают за счет электрического разряда. Если трубку для такой лампы
сделать из специального стекла, пропускающего ультрафиолетовый свет, то
лампа будет гореть бледно-синим светом, испуская также невидимые
ультрафиолетовые лучи, которые убивают микробов. Такие лампы называют
бактерицидными, их устанавливают в больницах и поликлиниках и
периодически включают для стерилизации помещений.
Если трубку для лампы сделать из
обычного стекла, но покрыть ее изнутри специальным белым порошком —
люминофором (о люминофорах мы еще поговорим), то этот порошок, поглощая
вредный для глаз ультрафиолет, сам начнет светиться белым светом. Иногда
этот свет имеет приятный желтоватый оттенок, который придает ему
сходство с солнечным светом, соответственно бывают люминесцентные лампы
дневного, белого, тепло-белого и холодно-белого света. Эти лампы
значительно экономичнее ламп накаливания: современная 11-ваттная
люминесцентная лампа дает света столько же, сколько 75-ваттная лампа
накаливания! Срок службы люминесцентных ламп также в несколько раз
больше. Еще одно преимущество — давление паров ртути в люминесцентной
лампе низкое, поэтому ее трубка чуть теплая, случайно до нее
дотронувшись, невозможно обжечься, значит, уменьшается опасность
возгорания или оплавления пластмассового светильника. Но есть у
люминесцентных ламп и неприятная особенность: в них содержится немного
ртути, и когда такие лампы просто выбрасывают на свалку, где они бьются,
это приводит к загрязнению воздуха и почвы ядовитым металлом.
Если к парам ртути в лампе добавить под
давлением инертный газ, а трубку сделать из тугоплавкого кварцевого
стекла, можно значительно повысить температуру и получить лампу типа
«горное солнце». Именно такими лампами нас облучают в поликлиниках,
когда врач назначает «кварц». Сейчас кварцевые ультрафиолетовые лампы
можно купить в магазине и использовать для загара в зимнее время
(особенно в северных районах страны, где мало естественного солнечного
ультрафиолета). Однако необходимо очень строго придерживаться
инструкции, чтобы не получить ожога (особенно надо беречь глаза), а еще
лучше — проконсультироваться с врачом: не всем искусственный
ультрафиолет полезен.
Ртутные лампы высокого давления,
наподобие тех, что применяют в кабинетах физиотерапии, исправно работают
и для освещения улиц. Это двойные лампы: внутри у них кварцевая лампа, а
снаружи — большой стеклянный баллон, также покрытый изнутри
люминофором, который излучает свет, несколько напоминающий дневной.
Такие лампы могут иметь мощность в десятки киловатт; их используют для
освещения площадей, стадионов, железнодорожных узлов — везде, где
требуется создать хорошее освещение на большой площади. Для этой цели
используют также ксеноновые лампы сверхвысокого давления (рис. 6.1). В
такой лампе электрический разряд создается между двумя массивными
вольфрамовыми электродами, которые впаяны в кварцевый баллон. Лампа
заполнена тяжелым газом ксеноном. Она излучает не только в видимой, но и
в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и потому
используется в качестве источника света в различных приборах.
Рис. 6.1. Горящая ослепительно белым светом ксеноновая лампа сверхвысокого давления
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. |
