О принципах спектрального преобразования света

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

О принципах спектрального преобразования света¹

С.И. Вавилов

При распространении света могут изменяться его направление, скорость, состояние поляризации, энергия и, наконец, спектр.

Если четыре первых явления составляют основное содержание физической оптики, то о пятом нередко просто забывают. Между тем спектральные преобразования света не менее существенны принципиально с технической точки зрения.

Задача моего сообщения - выяснить некоторые общие черты процессов изменения спектра. Полезно, однако, сначала подчеркнуть особенности технических требований к световой трансформации, определившие во многом и физическое исследование.

1. Основное направление техники спектральной трансформации света. Нет надобности доказывать, что все технические применения света развились главным образом потому, что человек располагает глазом. Ясно, что именно возможность изображения предметов внешнего мира на сетчатке определила наиболее обширный и важный класс оптических приборов и приспособлений, которые правильно назвать изобразительными; к ним относятся очки, телескопы, микроскопы, дальномеры, прицелы, фотографические камеры и даже прожекторы и все источники света в том случае, когда назначение их в конечном счёте состоит в облегчении образования отчётливого изображения. При этом безразлично, получается ли изображение на сетчатке или на фотографической пластинке; окончательное назначение оптического изображения всегда глаз. Для автоматического прибора изображение только в редких случаях имеет цену.

Наряду с изобразительными приборами год от году всё большую роль получают оптические приборы совсем иного характера, которые можно назвать аналитическими. Они анализируют свойства световых пучков, излучаемых, рассеиваемых, отражаемых или проходящих через вещество. Исследование спектров, интенсивности, поляризации таких световых пучков даёт однозначные сведения о химическом составе и структуре вещества. Для таких целей служат спектральные приборы, рефрактометры, поляриметры, фотометры, колориметры и т. д. Несомненно, что и здесь до сих пор в большинстве случаев приборы и методы приспособлены к глазу, хотя связь аналитической оптики и глаза уже не является принципиальной.

Много эже третья область техники света - сигнализационные приборы и устройства. Таковы старинный оптический телеграф, телефония на инфракрасных лучах, разнообразные автоматические заградительные устройства и фотоэлектрические автоматы на различных производствах. В этом разделе глаз применяется часто, используется его громадная чувствительность, но он далеко не всегда обязателен.

Наконец, с достаточным основанием можно предполагать, что в будущем громадное значение приобретут оптические гелиотехнические установки. В них глаз, разумеется, не при чём. Однако на-сегодня гелиотехника занимает очень скромное место, и господствующее положение в технической оптике сохраняют приборы и приёмы, опирающиеся на глаз как на основу. спектральный трансформация свет флуоресценция

Напомнить об этом приходится потому, что с технической стороны проблема спектрального преобразования света получает особую важность вследствие желательности, а иногда необходимости максимального приспособления любых световых пучков к спектральным свойствам глаза.

Хорошо известно, что спектральная кривая чувствительности глаза соответствует распределению энергии в спектре солнца. Можно сказать даже в более общей форме, что чувствительность глаза довольно хорошо приспособлена к максимуму распределения энергии в спектре вселенной, так как среднее распределение энергии в излучении совокупности звёзд мало отличается от солнечного. Например, по недавним измерениям П. П. Феофилова [1], цветовая температура ночного свечения неба осенью 1941 г., если вычесть люминесценцию неба, составляет примерно 4000°.

Область чувствительности глаза и определяет главные направления техники спектрального преобразования света. Например, важнейшая новая светотехническая область люминесцентных ламп есть особенно показательный и ясный случай световой трансформации, имеющей целью наиболее экономным образом приравнять распределение энергии в спектре источников света к глазу и солнцу [2]. Специальным примером может служить цветовой метод микрофотографии и микроскопии в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах, разработанный недавно Е. М. Брумбергом [3]. Он также является приёмом, переносящим все преимущества визуального наблюдения, до цвета включительно, в невидимые участки спектра. В рентгеноскопических экранах происходит трансформация лучей Рентгена в видимое глазом изображение. Таков же характер и прочих «гражданских» применений трансформации света, почти без исключений. Все они стремятся к превращению невидимых радиаций в видимую.

Военное дело ставит иногда в области преобразования света, как, впрочем, и везде, условия, диаметрально противоположные нормальным требованиям удобства и экономии. Для военных целей в некоторых случаях, например, нужно иметь невидимое освещение. Только для глаз посвящённого, располагающего прибором, преобразующим невидимые лучи в видимые, освещаемые предметы должны быть различимыми. К этому сводится проблема так называемого ночного видения.

Частными случаями спектральной трансформации служат также некоторые приёмы светомаскировки, в которых ультрафиолетовые лучи применяются для возбуждения слабой люминесценции надписей, указателей, шкал и т. д. Разумеется, спектральное преобразование может быть применено для демаскировки в невидимых лучах, для секретной сигнализации и для очень многих мелких и крупных надобностей военного дела.

В связи с ростом практических требований необходимо, конечно, оглянуться и на принципиальную, физическую сторону дела. Здесь многое вполне ясно и хорошо известно, но есть также вопросы основного значения, доселе нерешённые. Моя задача коротко напомнить об известном и выдвинуть нерешённое.

2. Преобразование монохроматического света. Задачу целесообразно разделить на две части, сосредоточив сначала внимание на возможностях преобразования практически монохроматического света и затем перейдя к трансформации света сложного спектрального состава. Из дальнейшего станет ясным, что эти два случая принципиально различны.

Для правильности исторической перспективы нелишне напомнить, что понятие о монохроматическом свете принадлежит Ньютону; он же выдвинул постулат о неизменности монохроматического света. Этот постулат, о котором в наше время основательно забыли или который считают само собой разумеющимся, составлял фундамент ньютоновской оптики и был весьма популярен в XVIII в., привлекая к себе широкое внимание. Его воспевали даже в стихах. В дидактической поэме Дюлара [4] 1758 г. постулат спектральной неизменности монохроматического света излагался, например, так:

Mais quoi? De ces rayons la subtile structure

Ne peut ni s'alterer, ni changer la nature,

L'art ne la dйtruit point, et des efforts vainqueur

Le rayon rouge ou bleu conserve sa couleur!²

Для поддержания стройности своего учения Ньютону приходилось, по-видимому, просто умалчивать о поразительных фактах изменения спектрального состава однородного света при падении на флуоресцирующие и фосфоресцирующие вещества. Факты свечения вытяжки нефритового дерева (эскулина) и болонского камня были ему хорошо известны. Не берусь решительно сказать, задержало ли или, наоборот, ускорило развитие оптики такое умолчание. Несомненно только то, что эмпирика люминесцентных явлений со всей своей сложностью, распутанной, и то лишь до известной степени, только в наше время, в XVII и XVIII вв. внесла бы изрядную сумятицу и растерянность в научное исследование.

В современной физике постулат Ньютона превратился в утверждение о неизменности частоты света при регулярном (когерентном) распространении. Единственной причиной изменения частоты света может быть только относительное движение источника и наблюдателя, т. е. доплерово смещение. Поэтому единственным способом вариации частоты во всякого рода термодинамических мысленных опытах со времён В. Вина остаётся перемещение зеркал, меняющее частоту отражаемого света. Правда, этим дело не ограничивается; из наблюдений в космических масштабах мы теперь достоверно знаем о существовании загадочного универсального красного смещения в спектрах спиральных туманностей, возрастающего с расстоянием туманности от нас. Можно ли считать это смещение также доплеровским, вызванным трудно постижимой рецессией туманностей, или же причина кроется в новых, неизвестных нам доселе свойствах света,- это вопрос открытый, который, может быть, несколько разъяснится после того, как начнёт функционировать пятиметровый рефлектор обсерватории Паломар в США. Хэббл [5], установивший самый факт и закон красного смещения, считает, что фотометрические данные не благоприятствуют интерпретации красного смещения как доплерова. Во всяком случае нельзя забывать, что, изучая свет спиральных туманностей, мы имеем дело с лучами, не испытавшими никаких воздействий со стороны вещества в течение десятков и сотен миллионов лет и существовавшими без всяких воздействий в течение этих громадных периодов. Экспериментальные попытки (без каких-либо серьёзных опытных или теоретических оснований) влиять силовыми полями на частоту светового потока, начинающиеся с Фарадея и продолжающиеся до последнего времени [6], никакого положительного результата не дали.

Совсем иначе, несравненно сложнее и разнообразнее, складываются обстоятельства при взаимодействии света с веществом и некогерентных превращениях светового монохроматического пучка. Если даже ограничиться «обратимыми» процессами в смысле отсутствия остающихся изменений, то всё же можно говорить о всевозможных спектральных преобразованиях света. В релеевском рассеянии и резонансном излучении перед нами полная неизменность частоты. В комбинационном рассеянии света и в явлении Комптона происходят очень небольшие спектральные изменения. В своеобразном процессе, обнаруженном П. А. Черенковым, лучи гамма превращаются через промежуточное звено комптоновских электронов в видимую радиацию. Можно без труда превратить электромагнитные волны, длина которых измеряется десятками и сотнями метров, в видимое излучение, заставляя их воздействовать на разреженный газ в эвакуированных трубках. Всем известное вспыхивание электрических ламп накаливания вблизи радиостанций относится к той же категории явлений. Механизм таких превращений вполне очевиден в классическом учении об электромагнитном поле и, надо сознаться, несколько неясен с квантовой, оптической точки зрения. Наряду с этими явлениями стоят бесчисленные примеры фотолюминесценции, механизм которых ясен далеко не всегда; они тем не менее не занимают какого-либо особого места в категории процессов, которые можно объединить как спектральную трансформацию света, если к ним подходить только с качественной стороны наличия спектрального изменения.

Процессы преобразования монохроматического света придётся, однако, принципиально разделить на две группы, если подойти к ним с количественной, экономической стороны. Можно установить, как увидим дальше, вполне общий закон: трансформация может происходить с большим выходом, или к. п. д., если волна преобразуется в среднем в более длинную, чем она сама, и, наоборот, трансформация протекает всегда с уменьшенным выходом при обратном превращении длинных волн в короткие.

Наиболее простым и ясным примером этого правила может служить комбинационное молекулярное рассеяние света. Со времени классических работ Г. С. Ландсберга и Л. И. Мандельштама и Рамана хорошо известно, что длинноволновые компоненты рассеяния интенсивнее коротковолновых, причем разница тем резче, чем ниже температура среды; при высоких температурах смещённые компоненты рассеяния с красной и фиолетовой стороны начинают заметно выравниваться, если только смещение не слишком велико. Общеизвестны квантовая природа явления и его количественная интерпретация.

Фиг. 1. Зависимость выхода флуоресценции от длины волны возбуждающего света: Пунктиром намечен ход кривой, который она имела бы, если бы строго соблюдался закон эквивалентов Эйнштейна

Несмотря на несравненно бульшую сложность других процессов спектральной трансформации света с точки зрения формулированного правила, они протекают так же и с такой же, по крайней мере с качественной стороны, зависимостью от температуры и длины волны. Приведу примеры для флуоресценции красителей. В 1927 г. мной был экспериментально установлен закон изменения выхода флуоресценции, т. е. отношения излучённой энергии к поглощённой, от возбуждающей длины волны. В области коротких л выход пропорционален л, в видимой области у максимума поглощения он почти не зависит от л; далее, начиная от некоторой л, приблизительно соответствующей максимуму спектрального распределения флуоресценции, выход резко падает (фиг. 1). Этот закон, неоднократно бывший предметом дискуссии с экспериментальной стороны, подтвердился, однако, всеми дальнейшими опытами [7]. Наиболее обширный материал по этому вопросу опубликован в 1941 г. Соломиным [8], подтвердившим найденный закон для 13 органических веществ и также для уранового стекла. Резкий спад кривой выхода определяется температурой среды: чем ниже температура, тем круче падение [9]. На фиг. 2 приведены результаты для различных растворов флуоресцеина. К сожалению, до сих пор отсутствуют соответствующие данные для кристаллических фосфуров. Классические измерения Ленарда относительно выхода люминесценции этих фосфуров производились только для двух длин волн - 435 и 365 mм - и недостаточны для определённых заключений. Во всяком случае, формулированное правило стоит в полном согласии с имеющимися до сих пор экспериментальными данными.

Фиг. 2. Зависимость выхода флуоресценции растворов флуоресцеина

в воде, глицерине и спирте от длины волны возбуждающего света

Примечания

^{1 Доклад на собрании Отделения физико-математических наук Академии Наук СССР 29 июня 1942 г.}

^{2 Перевод:}

«Но что же? Сих лучей тончайшее строенье

Не в силах изменить людское ухищренье!

Вотще старания! Луч красный, иль иной,

Усилья одолев, цвет сохраняет свой!»

Литература

1. П. П. Ф е о ф и л о в. ДАН СССР 34, 252, 1942.

2. С. И. В а в и л о в. Вестн. АН СССР 8, 59, 1941.

3. Е. М. Б р у м б е р г. ДАН СССР 25, 473, 1939; 31, 658, 1941.

4. D u l a r d. La grandeur de Dieu dans les merveilles de la nature. Poиme, Paris, 1758, стр. 29; ср. С. И. Вавилов. Усп. физ. наук 7, 87, 1927.

5. Ср. Е. H u b b l e. Science 95, 213, 1942.

6. С. I. В a n w е 11 а. С. С. F а r r. Proc. Roy. Soc. A 175, 1, 1940.

7. S. V a l e n t i n e r u. M. R ц s s i g e r. Zs. f. Phys. 36, 81, 1926; С. И. В а в и л о в. Zs. f. Phys. 42, 311, 1927; S. S z c e n i o w s k i. Bull. int. del' Ac. Polonaise, 127, 1927; С. R. de la Soc. pol.-phys., fasc. VIII, 53, 1927; В. Ф а б р и к а н т. Phys. Zs. d. Sow. Union 3, 567, 1933; A. J a b l o n s k i. Acta Phys. Pol. 2, 98, 1933.

8. С. С. С о л о м и н. ДАН СССР 31, 741, 1941.

9. E. L o m m e l. Ann. d. Phys. 3, 251, 1877; 8, 244, 1879; Carl's Repertorium, VII, стр. 65.

Размещено на Allbest.ru