Сергей Иванович Вавилов

Научная деятельность академика Сергея Ивановича Вавилова (1891—1951), ученика П. Н. Лебедева, началась еще до Октябрьской революции. Но только в советское время его дарование смогло развернуться в полную силу.

Теоретик, экспериментатор и историк науки, Вавилов был в то же время руководителем нескольких научных организаций и учреждений.

Сергей Иванович Вавилов.

Будучи президентом Академии наук СССР, С. И. Вавилов возглавлял огромный коллектив советских ученых. Выступая как организатор научной работы и как естествоиспытатель, Вавилов всегда тесно связывал научные проблемы с народнохозяйственными задачами.

В своей лаборатории Вавилов совершил крупные открытия.

Вавилов —  основатель новой области физики — микрооптики.

Он доказал, что ко многим явлениям неприменимы законы обычной оптики, и нашел новые законы, которым они подчиняются.

Оптика рассматривает луч света как сплошной поток. Но согласно воззрениям квантовой теории свет излучается порциями — квантами. Луч света состоит из отдельных частиц — фотонов. Можно ли не считаться с тем, что лучи света на самом деле состоят как бы из отдельных капель? Можно, но отнюдь не всегда, установил Вавилов. Если свет достаточно силен, а, следовательно, его лучи состоят из мириадов фотонов, прерывистое строение лучей будет незаметно. Множество фотонов сливается как бы в непрерывную струю.

С квантовой природой лучей можно не считаться, имея дело и со слабым лучом, но только при условии, что он длится достаточно долго. Луч успеет принести бесчисленное множество фотонов.

Но обычные законы не будут уже применимы, показал Вавилов, если иметь дело с чрезвычайно слабыми лучами, с быстрыми вспышками света и с расстояниями необычайно короткими, сравнимыми с длинами световых волн. Во всех этих случаях мы уже должны считаться с микроструктурой световых лучей. Вавилов очертил круг явлений, к которым неприменимы обычные законы оптики.

Ученый осуществил, казалось бы, невозможное. Он создал метод, позволяющий в полном смысле слова воочию убедиться в квантовой, прерывистой структуре света.

Опыт Вавилова учитывает два свойства человеческого глаза. Наш глаз обладает необыкновенно высокой чувствительностью. Вавилов показал, что, после того как наблюдатель долгое время посидит в темноте, глаз способен реагировать на свет столь слабый, что его не заметит ни один прибор.

Другая особенность глаза — существование четко выраженного порога зрительного ощущения. Если световая энергия меньше некоторого определенного значения, глаз перестает видеть свет.

Вот, в общих чертах, как устроена установка, сконструированная Вавиловым. Перед наблюдателем помещается диск с маленьким отверстием. За диском находится лампочка. Диск приводится во вращение. Пока лампочка горит достаточно ярко, наблюдатель при каждом обороте диска видит короткую вспышку. Затем яркость лампочки начинают уменьшать. И вот, когда яркость достаточно ослабнет, происходит удивительное явление. Наблюдатель видит вспышку уже не всякий раз, когда отверстие в диске открывает путь свету. Чем меньше яркость, тем больше не замеченных наблюдателем вспышек.

Из опыта, явствует, что энергия луча то увеличивается, то слабеет. Иной раз она больше порогового значения, иной раз меньше, — тогда наблюдатель не видит вспышки. Когда источник света слаб, говорит опыт, не может быть и речи  о том, чтобы считать его лучи сплошным потоком.

Результаты, опыта показывают, что свет состоит из отдельных частиц —  фотонов. Фотоны вылетают из источника то густыми, то редкими роями. Так оно и должно быть: ведь каждый атом светящегося тела «стреляет» фотонами совершенно, независимо от других атомов. Атомы ведут разрозненный «огонь».

Однако если  фотонов  в среднем «выстреливается» очень много, источник света ярок, «разброс» в числе фотонов неощутим. Сотней капель в  ливне больше, сотней меньше — заметить это невозможно. Иное дело, когда фотонов вылетает считанное число.

В опыте Вавилова яркость лампочки подбирают такую, чтобы число излучаемых фотонов было в среднем близко пороговому значению.

Используя свой метод, Вавилов исследовал, казалось, такие давным-давно изученные явления, как поляризация света, интерференция, сложение световых пучков и т. п. И оказалось, что в слабых световых лучах все эти явления выглядят как совершенно иные, управляемые особыми законами.

Много сил и труда отдал Вавилов исследованию люминесценции — явления, иногда называемого «холодным свечением».

Под действием света некоторые вещества начинают светиться и притом характерным светом, отличным от тех лучей, которые возбудили люминесцентное свечение. Взаимодействие между светом и веществом было необычайно тщательно исследовано Вавиловым и его учениками.

До Вавилова не существовало точного определения явления люминесценции. Вавилов первым установил четкие признаки, по которым можно отличить люминесценцию от излучения, порождаемого теплом, от рассеяния света и других световых процессов.

Люминесценция, по определению Вавилова, — это избыток свечения тела над излучением, порождаемым действием температуры. Для люминесцентного излучения характерно также, что оно прекращается не сразу после прекращения вызвавшего его действия.

Квант света при люминесценции поглощается атомом, молекулой или группами их. После этого они некоторое время пребывают в возбужденном состоянии. Затем возвращаются в нормальное состояние, излучая при этом новый квант света. Промежуток между поглощением и излучением света может длиться- от миллиардных долей секунды до нескольких лет. Во всяком случае, этот промежуток должен превосходить период одного светового колебания, равный примерно Ю-10 секундам. Если промежуток меньше, то мы имеем дело не с люминесценцией, а с другими явлениями, установил ученый.

Критерий длительности, входящий как один из основных признаков в определение, данное Вавиловым, помог открыть излучение совершенно нового вида.

Однажды ученик Вавилова П. А. Черенков, изучавший люминесценцию раствора уранила под действием гамма-лучей, заметил слабое синеватое мерцание раствора. Можно было принять это свечение за люминесценцию уранила. Однако установив, что после прекращения облучения раствора электронами оно погасает меньше чем за Ю-10 секунд, Вавилов пришел к убеждению, что это совершенно новое оптическое явление. Он высказал мысль, что свечение вызывается торможением электронов, выбиваемых гамма-лучами из молекул вещества. Тщательные исследования подтвердили справедливость этих утверждений. Оказалось, что подобное свечение возникает в любых прозрачных жидкостях и даже твердых телах.

Электроны, выбитые гамма-лучами из молекул, пронизывая вещество со скоростью большей, чем скорость света в этой среде, порождают свет.

Световой пучок похож своей формой на головную волну, расходящуюся от снаряда, рассекающего воздух со скоростью больше скорости звука. Электроны обгоняют порожденный ими свет!

Вместе с И. М. Франком и И. Е. Таммом Вавилов построил теорию нового замечательного явления — эффекта Вавилова—Черенкова. Исследования С. И. Вавилова, П. А. Черенкова, И. М. Франка и И. Е. Тамма были высоко оценены учеными.

Исследуя люминесценцию, Вавилов ввел основные характеристики этого явления, в частности понятие об энергетическом выходе. Эта величина показывает, какая доля энергии, поглощенной веществом, расходуется на излучения.

Вавилов открыл два закона, управляющих люминесценцией.

Первый закон показывает, что при люминесценции некоторая часть поглощенного света обычно переходит в теплоту.

Второй закон касается случая, когда вещество испускает фотоны, более мощные, чем фотоны, поглощенные им, — длина волны излучения меньше длины волны падающего на вещество света.

Вавилов нашел объяснение загадки этого явления. Добавочная энергия излучения берется за счет расходования тепловой энергии вещества.

Вавилов занимался не только теорией люминесценции, он многое сделал и в развитии практического применения «холодного огня».

Вавиловым и его учениками созданы разнообразные высококачественные светящиеся составы — люминофоры, вещества, которыми покрыты экраны телевизоров, катодных осциллографов и радиолокаторов, стрелки приборов в кабине летчика и капитанской рубке. С помощью люминесцентных красок художники добиваются замечательных эффектов.

Люминесцентная лампа.

Светящиеся составы работают в люминесцентных лампах.

Лампы накаливания обладают многими недостатками. Свет их сильно отличается по спектральному составу от света Солнца. В свете электрической лампочки красных и желтых лучей значительно больше, чем в дневном свете. При свете лампочки наши глаза не способны правильно различать цвета. К тому же лампа накаливания не экономична: 97 процентов энергии в ней теряется на нагрев, на создание инфракрасных, незримых лучей и только 3 процента энергии превращается в свет.

Вместе со своими сотрудниками Вавилов создал лампу, основанную на другом принципе.

В люминесцентной лампе свет добывается «холодным способом». Электрический ток проходит через пары ртути, наполняющие трубку лампы. Основная часть излучения паров ртути — незримые ультрафиолетовые лучи; поэтому в трубке возникает лишь слабое голубоватое свечение. Но затем происходит самое главное — ультрафиолетовые лучи порождают видимый свет. Излучение паров ртути заставляет светиться слой смеси из люминофоров, нанесенный на внутреннюю поверхность трубки.

Каждый из люминофоров излучает цветной луч. Смесь же подобрана таким образом, что сумма всех лучей дает белый свет, подобный солнечному.

Лампа дневного света в три-четыре раза экономичней обычных электрических ламп и к тому же значительно долговечнее их.

Этих светозарных ламп становится все больше на текстильных фабриках, в типографиях, в картинных галереях и музеях, в метро и коридорах шахт и в наших домах.