Сергей Вавилов

Вавилов не стал искать чисто спектральные закономерности, как делали многие до него. Он подошел к проблеме энергетически, опираясь на основные положения термодинамики, статистической физики и квантовой механики. Он широко использовал введенные им в физику важнейшие характеристики люминесценции: энергетический выход (отношение энергии, полученной в виде люминесценции, к энергии, которая эту люминесценцию породила, то есть была поглощена телом) и квантовый выход (отношение числа излученных квантов к числу поглощенных квантов).

В результате многочисленных экспериментов и теоретических рассмотрений Вавилов пришел к выводу, что явление люминесценции подчинено двум правилам:

1. Энергетический выход люминесценции не может быть больше единицы. (Это общий термодинамический закон, нарушение его, как показал Вавилов, привело бы к противоречию с таким фундаментальным законом физики, как второй закон термодинамики.)

2. Энергетический выход антистоксовой люминесценции должен быть тем меньше, чем необычнее, «фиолетовое» кванты испускания. Говоря иначе, если природа и мирится иногда с парадоксами, то старается, чтобы их было поменьше и чтобы не они определяли процесс в целом. Чем необычнее явление, тем оно реже происходит.

Иногда эти выводы советского ученого называли законами Вавилова — первым и вторым. Они представлялись физическим оптикам как общий фундамент современной науки о люминесценции и лежали также в основе технических применений холодного свечения.

Уже после кончины Сергея Ивановича были открыты области, где энергетический выход люминесценции превышает единицу (без нарушения второго закона термодинамики). Это показали действительный член Белорусской академии наук Б. И. Степанов и москвичи — В. В. Антонов-Романовский, М. А. Аленцев и М. В. Фок. Поэтому сейчас принято говорить об одном законе Вавилова. Формулируют этот закон сегодня так:

«До тех пор, пока частота возбуждающего света больше частоты света люминесценции, квантовый выход остается постоянным (а энергетический выход растет пропорционально длине волны возбуждающего света). В области же, где частота света люминесценции становится больше частоты возбуждающего света (то есть в антистоксовой области), происходит быстрое падение выхода».

Основной закон люминесценции Вавилова дает естественное толкование и закону Стокса.

Открыв основной закон люминесценции, Вавилов одновременно открыл и тот источник, из которого берется «чудесная» добавочная энергия антистоксового излучения.

До работ Вавилова естествознание знало только две формы передачи энергии: непосредственный перенос ее движущимися частицами (упругий процесс) и волновой процесс.

— Как можно передать энергию на расстояние? — возникал вопрос.

Ответить можно было так:

— Способов не так уж много. Самое простое — перебросить энергию вместе с веществом из одного места в другое. Пример: выстрел из ружья. Выстрел — это перенос разрушительной энергии пороха от стрелка к цели. Энергия здесь перебрасывается летящей пулей. Можно переносить энергию с веществом непрерывным потоком, лавиной, как, скажем, на гидростанциях, но это, в сущности, одно и то же. И тут и там вещество странствует вместе с энергией.

Есть и другой способ. Морская волна, поднятая ветром, несется вдаль и наконец обрушивается на что-то, отдает свою энергию препятствию: берегу, кораблю и так далее. Но если присмотреться к волнам, то легко заметить, что волна несется, а вода ею не увлекается. Она только колышется на одном месте вверх и вниз. В этом случае энергия передается от слоя к слою без передвижения. Точно так же распространяется энергия звука в воздухе. Кроме этих двух способов передачи энергии, мы не знали раньше иных…

Однако Сергей Иванович описал и третий способ передачи энергии на расстоянии, так называемую резонансную индуктивную связь.

Повесьте на одну ось два маятника и раскачивайте один из них, описывал Вавилов. Маятник, качающийся на оси, постепенно вызовет такое же качание другого маятника, если только тот расположен близко, то есть если маятники, как говорят, резонансно связаны. Звук одной струны заставляет звучать другую, настроенную в резонанс с первой.

Нечто вроде этого может происходить и в люминесцирующих растворах.

Если спектры поглощения и испускания таких молекул перекрываются, то между частицами вещества устанавливается резонансная индуктивная связь, и происходит прямой переход энергии, как между связанными резонансными маятниками.

В конечном счете в люминесцирующем веществе ее запас энергии распределится, как остроумно выразился Вавилов, «как бы в двух не сообщающихся между собою этажах». В нижнем, «тепловом» этаже энергия обменивается и распределяется, и в результате устанавливается равновесие. В верхнем этаже уравнивания анергии не происходит. Возникает своеобразная блуждающая энергия, которая передается целиком от одной молекулы к другой и которая порою может привести к рождению квантов люминесцентного излучения, больших по величине квантов поглощения.