Ёлочные игрушки: Светящиеся игрушки (вещества

Далеко не все представляют себе, почему игрушки светятся. Фосфор тут ни при чём. Светом игрушки обязаны люминофорам — веществам, способным отдавать в виде излучения избыток энергии, которую они получили при подзарядке видимым светом либо ультрафиолетовыми лучами.

Довольно часто задают и такой вопрос: не вредно ли это свечение для здоровья? Давайте, разберёмся.

Науке известно много разных люминофоров. Например, биолюминофоры (возбудитель энергии — биохимическая реакция); электролюминофоры, которые начинают светиться под действием электрического разряда; хемилюминофоры, возбуждаемые химическими реакциями, а ещё фотолюминофоры, радиолюминофоры и многие другие.

Если вещество после возбуждения излучает лишь миллиардные доли секунды, то такое свечение называют флюоресценцией (слово происходит от названия плавикового шпата — флюорит; некоторые разновидности его светятся). Когда же вещество испускает лучи минуты, часы, дни, то это явление именуют фосфоресценцией, а светящиеся материалы — фосфорами. Как и название химического элемента, это слово происходит от греческого «фосфорос» — светоносный.

Термин «фосфор» применительно к люминесцирующим веществам появился в середине XVII века — после того, как было обнаружено, что после прокаливания некоторые минералы приобретают способность как бы впитывать солнечные лучи, а потом в темноте их испускать. В 1612 году такими минералами заинтересовался Галилей; он оставил нам одно из первых описаний фосфоресценции, однако причину этого странного явления объяснить не смог.

Прошло ещё 250 лет, прежде чем удалось разгадать загадку светящихся камней...

В семидесятых годах позапрошлого столетия английская фирма «Бальмен» начала промышленное изготовление бальменовской светящейся краски. Как и положено, состав её был секретом фирмы. Однако вскоре он был разгадан французским химиком Вернейлем. Учёный установил, что основа краски — сернистый кальций, а свойство светиться она приобретает благодаря ничтожной примеси солей висмута. Сейчас такие примеси называют активаторами.

Люминофоры, или кристаллофосфоры, состоят из основы и активатора (например, сернистого кальция и солей висмута, как в бальменовской краске; существует множество других сочетаний). Однако способностью светиться обладает не весь люминофор, а лишь некоторые участки его, так называемые центры свечения, или центры фосфоресценции. Это места, где в кристаллической решётке основы есть нарушения.

Вот как они возникают: смесь основы и активатора подвергают термической обработке; тогда строго определённое количество примеси входит в решётку основы и происходит их совместная кристаллизация; там, где это произошло, кристаллическая решётка оказывается нарушенной.

Кстати, было обнаружено, что проникновение примеси облегчают легкоплавкие соли — плавни, поэтому при изготовлении люминофора их специально вводят в реакционную массу.

В кристаллофосфоре существуют три энергетические зоны; отличаются они тем, в какой степени их энергетические уровни заполнены электронами; отсюда и название зон: заполненная, или валентная (I), запрещённая (II), незаполненная, или зона проводимости (III).

Вероятность попадания электронов идеального кристалла в зону II ничтожно мала, поэтому она и называется запрещённой. Когда же в решётку внедряются специальные примеси — активаторы, то в местах их вхождения в решётку картина изменяется: в зоне II появляются новые уровни — центров свечения (Ц) и ловушек (Л), в которые могут забираться электроны люминофора.

На самом деле, конечно, никаких реальных ловушек тут нет, просто в таком энергетическом состоянии электрон может оставаться довольно долго и после прекращения возбуждения кристалла.

Под действием тепловых колебаний решётки электроны постепенно высвобождаются из ловушек, теряют энергию, и люминофор светится.

Было замечено, что длительность послесвечения тем больше, чем ниже расположена ловушка, то есть чем больше энергии требуется для освобождения электрона.

Под действием видимого света или ультрафиолетовых лучей, от соударения с быстро движущимися заряженными частицами (например, альфа- или бета-) электроны люминофора возбуждаются и перемещаются на уровни с более высокой энергией. Возвращаясь затем в исходное состояние, электроны излучают избыток энергии в виде квантов света. Простым глазом мы видим не отдельные вспышки, а сплошной поток света, а вот через лупу можно наблюдать и единичные сцинтилляции, хотя длительность каждой — около 0,00005 секунды.

Рис. Стрелками обозначены основные переходы, объясняющие послесвечение люминофора:

1 — ионизация люминофора возбуждающим излучением или частицами;

2 — захват электрона в ловушку;

3 — высвобождение электрона под действием тепловых колебаний;

4 — переход электрона на центр свечения с излучением кванта света.

Люминофоры подразделяют на временные и постоянно действующие.

Вспомните советские ёлочные игрушки, покрытые люминесцентными красками. В состав таких красок входили короткоживущие люминофоры... Лампы выключены. Игрушки светятся ярко. Но через некоторое время их уже не видно. Если опять включить свет и затем выключить, игрушки снова загорятся.

Короткоживущие люминофоры безвредны для людей.

Основу светящихся составов временного действия составляют сернистые соединения цинка, кальция, кадмия, стронция, бария. Их прокаливают с ничтожными количествами солей тяжёлых металлов: меди, марганца, висмута. Одни люминофоры светятся голубым светом, другие — красным, третьи — зелёным.

Рис. Цвет люминофоров в отражённом дневном свете и цвет их свечения чаще всего не совпадают.

А эта информация для тех, кому интересно знать о люминофорах больше:

В советское время использовали люминофоры в производстве часов. Их добавляли, чтобы светились стрелки, циферблат часов. Но использование короткоживущих люминофоров было неудобно (циферблаты должны быть различимы по крайней мере спустя 10-12 часов после освещения), поэтому использовали чаще люминофоры постоянного действия. Хотя, надо заметить, что среди люминофоров временного действия встречаются "долгожители", например, стронций-сульфидный люминофор; он излучает свет около 12 часов без подзарядки. Но у этого вещества есть существенный недостаток: в присутствии влаги происходит гидролиз сульфида стронция и выделяется сероводород — агрессивный газ, разъедающий механизм часов. Поэтому-то в часовом деле тогда стали применять люминофоры постоянного действия. К таким веществам относятся радиолюминофоры. В их состав, кроме обычных основы и активатора, входит ещё и источник энергии — радиоактивное вещество. Люминесцентные смеси такого рода не нуждались в периодическом освещении: люминофор заставляют работать заряженные частицы, испускаемые радиоактивной добавкой. Естественно, к радиоактивным добавкам в часовой промышленности предъявлялись строгие требования. Вначале в люминофоры вводили соединения радия-220. Но период его полураспада — 1500 лет. Часы старели, ломались, а циферблат продолжал оставаться источником радиоактивного излучения. В дальнейшем стало ясно, что в люминесцентных составах более приемлемы в качестве источников энергии тритий, прометий-147, углерод-14. Живут они около 10 лет. К тому же эти вещества испускают мягкие бета-лучи, что тоже очень важно. Чем больше радиоактивного вещества добавляется в фосфоресцирующую массу, тем она ярче светится. Но постоянная бомбардировка заряженными частицами не проходит для самого люминофора бесследно. Если частиц слишком много и они несут слишком большую энергию, центры свечения фосфоров быстро разрушаются. Пустили жильцов в дом, а они его развалили... Поэтому из радиоактивных веществ брали те, что испускают бета-лучи: во-первых, они меньше разрушали люминофор, а, во-вторых, их почти полностью поглощал корпус и стекло часов.

К люминофорам предъявлялись жёсткие санитарно-гигиенические требования.

В своё время была тщательно замерена величина радиоактивного излучения от циферблатов со светомассой постоянного действия, и медики пришли к выводу, что носить часы с такими люминофорами можно, угрозы для здоровья они не представляют.

Однако полностью не были решены проблемы производственной вредности: как наносить светящиеся составы, соблюдая при этом правила техники безопасности; куда девать отходы; как хранить большие партии таких часов. Это привело к тому, что в 1958 году в СССР был прекращен выпуск часов с радиоактивной светомассой.

Вернёмся к игрушкам для ёлки.

Современным светящимся ёлочным игрушкам пожары не страшны, ведь эффект послесвечения в том и состоит, что для его поддержания не требуется никаких дополнительных источников света.

Ёлочная игрушка, покрытая светящимся порошком (например, ТАТ33), накапливает свет от любого его источника (дневной свет, лампы накаливания и др.) и возвращает эту накопленную энергию, как только внешний источник прекращает свое действие.

Другими словами, как только в комнате выключается свет, игрушки на новогодней ёлке начинают светиться сами по себе. И вам не нужно пользоваться электроприборами для получения этого эффекта – всё работает без дополнительных источников.

Люминофор ТАТ 33 заряжается от любого источника света - солнце, ультрафиолет, обычная лампочка, дневное освещение, фонарик и т.д. и затем светится автономно в темноте (ультрафиолетовая лампа НЕ требуется, свечение полностью автономное).