Удивительная химия

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).

_{Рис. 6.2. На фотографии 1897 года французский таможенник просматривает содержимое чемодана, помещенного между источником рентгеновского излучения и прибором, который он держит в руках и внутри которого — экран, светящийся под действием рентгеновских лучей. Обратите внимание на два обстоятельства: во-первых, снимок сделан спустя всего несколько месяцев после открытия Рентгеном новых лучей; во-вторых, многочисленные наблюдатели и сам таможенник никак не защищены от источника лучей — рентгеновской лампы, которая видна на снимке. Сейчас даже при выполнении рентгеновского снимка в стоматологической поликлинике на пациента надевают просвинцованный защитный фартук, а в ходе флюорографии медицинский сотрудник выходит в соседнюю комнату}

В отдельный класс выделяют электролюминофоры — вещества, светящиеся под действием электрического поля. Они непосредственно преобразуют электрическую энергию в световую, потребляя очень малую мощность и обладая очень большим сроком службы. Однако светимость электролюминофоров мала, поэтому их используют обычно для световой сигнализации. Например, надпись «ВЫХОД», светящаяся зеленым светом в концертных залах, театрах и кинотеатрах, — это как раз пример электролюминофора.

Наконец, последний класс люминофоров — радиолюминофоры, свечение которых возбуждается излучением естественных или искусственных радиоактивных препаратов. Такие люминофоры могут светиться годами. Радиолюминофоры сыграли в свое время огромную роль в изучении явлений радиоактивности: до изобретения электроизмерительных приборов (ионизационной камеры, счетчика Гейгера-Мюллера) ими покрывали небольшие пластинки-экраны и затем в полной темноте, иногда ночи напролет, подсчитывали число вспышек (сцинтилляций), чтобы определить интенсивность излучения от разных источников (более подробно об этом будет рассказано в следующей главе). Для покрытия экранов использовали ярко светящийся, но дорогой препарат платины. Под действием радиации в нем возбуждается яркая желто-зеленая люминесценция. В настоящее время используют значительно более дешевые люминофоры, например, активированный медью сульфид цинка. У кого-то, возможно, еще остались часы, в которых стрелки и цифры покрыты таким светящимся составом постоянного действия — в нем содержится в малых количествах радиоактивное вещество; из-за опасений нанести вред здоровью и тех, кто такие часы бы носил, и в еще большей мере тех, кто такие часы бы изготовлял, — их сейчас не выпускают.

Холодное «химическое» свечение

Совершенно особую группу светящихся веществ составляют соединения, испускающие свет за счет энергии химических реакций. Это явление называется хемилюминесценцией. Общеизвестно свечение гнилушек, светляков, некоторых морских организмов. Еще в древние времена моряки наблюдали свечение моря. Карфагенский флотоводец Ганно описал море, «горевшее ярким пламенем». А вот воспоминания Чарльза Дарвина: «Как-то в очень темную ночь вся поверхность моря светилась слабым светом. Корабль гнал перед собой две волны, точно из жидкого фосфора, а в кильватере тянулся молочный свет. Насколько хватало глаз, светился гребень каждой волны, а небосклон у горизонта, отражавший сверкание этих синеватых огней, был не так темен, как небо над головой». Это светились простейшие одноклеточные организмы. Светиться способны и многие морские животные, обитающие как на поверхности моря, так и на глубине.

Испускают свет не только морские организмы. Светятся гнилушки и пни в лесу, яркий мерцающий свет испускают самцы светляков. Это примеры биолюминесценции — свечения в живых организмах. Причина всех описанных явлений — химические реакции, идущие с выделением энергии. Обычно в ходе химических реакций энергия выделяется в виде тепла, но в редких случаях часть химической энергии переходит в световую. В живых организмах реакции, в том числе и с выделением света, регулируются особыми молекулами — ферментами. Давно известны и неферментативные химические реакции, в ходе которых наблюдается «холодное свечение». Еще в 1669 году немецкий алхимик из Гамбурга Хенниг Бранд (1630 — после 1710) случайно открыл белый фосфор по его свечению в темноте (рис. 6.3). Впоследствии химики выяснили, что белый фосфор легко испаряется и светятся его пары, когда они реагируют с кислородом воздуха. Это свечение подробно исследовали в 1920-х годах в Ленинградском физико-техническом институте в лаборатории Николая Николаевича Семенова (1896–1986). В результате был открыт совершенно новый класс химических реакций; за это открытие Н. Н. Семенов совместно с английским химиком Сирилом Норманом Хиншелвудом (1897–1967) был удостоен Нобелевской премии по химии.

_{Рис. 6.3. Так на картине английского художника Дж. Райта (1771) изображен момент открытия фосфора, свечение которого поразило старого алхимика и его помощника}

Свечение паров фосфора, хотя и привело к важному научному открытию, не имеет практического значения. Однако химики обнаружили, что при окислении некоторых органических веществ, например, перекисью водорода, наблюдается настолько яркая хемилюминесценция, что ее можно видеть даже при дневном освещении. Это явление уже используется для производства игрушек и украшений. Их делают в виде прозрачных пластмассовых трубочек, внутри которых находится раствор органического вещества, обладающий способностью светиться при окислении, а также стеклянная ампула с перекисью водорода. Непосредственно перед «применением» продавец (или покупатель) надламывает находящуюся в пластмассовой трубочке хрупкую ампулу, что и «запускает» реакцию. Цвет свечения может быть разным — оранжевым, голубым, зеленым и т. д. — в зависимости от находящегося в растворе красителя. Чем быстрее идет реакция окисления, тем ярче свечение. Но когда реакция идет быстро, она быстро и прекращается, а с ней прекращается и свечение. Если же реакция идет медленно, то длится она, конечно, дольше, но свечение получается менее ярким (так, если смесь держать в морозильнике, то свечение заметно даже через полгода после «запуска» реакции). Обычно выбирают «золотую середину», что в данном случае означает довольно яркое (можно читать в темноте) свечение, которое затухает в течение примерно 12 часов — для карнавала или дискотеки этого вполне достаточно. Туристы, побывавшие в итальянском парке «Гардаленд» (аналог американского «Диснейленда»), рассказывают, что видели одновременно сотни светящихся украшений, сделанных в виде цветков, бабочек, жуков и других насекомых, в которых щеголяли посетители (в основном, дети) после наступления темноты. Эффект усиливался множеством усиков-световодов, передающих свет на 10–20 см от его источника — ампулы с реагентами. Зрелище впечатляющее! К сожалению, после прекращения химической реакции свечение затухает и возобновить его уже невозможно.

ХИМИКИ ИЗУЧАЮТ РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

«Страшное» слово — радионуклид

Масса — не единственное свойство, по которому можно отличить изотопы одного и того же химического элемента, этих химических «близнецов». Исследования показали, что изотопы всех элементов по своему поведению можно разделить на две группы. Одни ведут себя смирно: какими они появились на свет, такими и остались. Причем появиться они могли и много миллиардов лет назад — когда возникла Вселенная, и совсем недавно. Поведение же других изотопов химических элементов прямо противоположное: они непрерывно «меняют лицо», превращаясь в изотопы других элементов. Такие превращения принято называть радиоактивным распадом. Почему распад — понятно: «смена лица» фактически приводит к уничтожению атомов данного элемента, к их распаду. А радиоактивными эти превращения названы потому, что они сопровождаются испусканием особых лучей. Что же это за лучи?

Конец XIX века был богат на открытия, связанные с обнаружением разного рода «излучений». В 1895 году немецкий физик В. К. Рентген (1845–1923) открыл лучи, названные впоследствии его именем. Они возникали, когда быстро летящие в вакууме отрицательно заряженные частицы — электроны ударялись о препятствие. Мы уже говорили о том, что почти одновременно с открытием рентгеновских лучей появилась соответствующая аппаратура, которая сразу же нашла практическое применение, прежде всего — в медицине. Сейчас рентгеновские лучи широко используются во всем мире. Редко можно найти человека, который бы ни разу в своей жизни не побывал в рентгеновском кабинете — хотя бы для того, чтобы сделать снимок зуба; рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани, но задерживаются костями и другими твердыми предметами (рис. 7.1, 7.2).

_{Рис. 7.1. Эта фотография руки охотника, пострадавшего от случайного выстрела мелкой дробью, была сделана профессором Майклом И. Пьюпином из Колумбийского университета в Нью-Йорке в феврале 1896 года — вскоре после первого сообщения Рентгена об открытии им новых лучей (28 декабря 1895 года). Но не Пьюпин был первым, кто применил рентгеновские лучи в медицинских целях: еще раньше М. Ястровиц в Берлине обнаружил новым методом осколки в руке стеклодува, Г. Кайзер в Вене — дробь в руке лесника, А. Шустер в Манчестере — иголку в ступне балерины (кстати, после газетных сообщений об этом успехе масса мнительных людей во всем мире начала обращаться к врачам с жалобами на болезненные ощущения в разных частях тела, где у них, по-видимому, застряли иголки…)}