Почему дома становятся такими светлыми и яркими?
Из главы 2 мы узнали, что энергия не возникает ниоткуда и не исчезает никуда. Поскольку свет – разновидность энергии, из закона сохранения энергии следует, что он тоже должен возникать из чего-то, откуда-то должна появляться энергия, которую он переносит. Источник света может быть любым: факел, старая восковая свеча, спрятанная давным-давно на случай перебоев с электричеством и найденная под мойкой, или современная экономичная неоновая лампа.
Откуда же берется свет? Он возникает из атомов. Как мы уже видели ранее, атом – мельчайшая частица материи, основная масса которой сосредоточена в ядре, состоящем из протонов и нейтронов. На периферии атома находятся легкие частицы – электроны. Их обычно столько же, сколько и протонов. Чтобы представить себе электроны, которые вращаются вокруг атомного ядра по своим орбитам, представьте себе, что эти орбиты – поперечные срезы головки лука. Но в целом картинки строения атомов, которые мы рисуем (или видим), можно считать правдивыми только с большой натяжкой. Как рассказывает в своей книге об истории деления атома Брайан Кэткарт, ядро атома сравнимо по размерам с «мухой в кафедральном соборе» или с фасолиной в центре футбольного поля.
Забудем на секунду мух, фасоль и футбол и сосредоточимся на электронах, которые заполняют в атоме пустое пространство. Если атому сообщить некоторую энергию, он «возбудится». При этом один или несколько электронов, двигающихся по удаленным от ядра орбитам, «перепрыгивают» на еще более далекие от ядра орбиты. Теперь, чтобы «вытолкнуть» электрон еще дальше, нужна дополнительная энергия (так же, как вам нужна энергия, чтобы подниматься по приставной лестнице и удаляться от земли). Так атом поглощает энергию извне. Как и люди на приставных лестницах, которым не нравится шататься наверху и которые стараются побыстрее спуститься, атом хочет поскорее вернуться в первоначальное состояние, называемое стабильным. К сожалению, он может достичь этого, только отдав энергию, которую поглотил (можете сравнить его с грабителем, который старается побыстрее закопать добычу). Атом совершает это, «выбрасывая» фотон света примерно через наносекунду (миллиардная доля секунды) после того, как поглотил порцию энергии. После этого электрон внутри него занимает первоначальную орбиту. Именно тогда и возникает свет: атомы поглощают энергию (из тепловых или электрических источников), становятся неустойчивыми и «выбрасывают» свет. Почти любой свет возникает в ходе подобного простого процесса, который называется спонтанной эмиссией (излучением).
▲ Как атомы производят свет. Предположим, вы решили нагреть железный брусок на огне до красноты. Почему железо краснеет? Его атомы поглощают тепловую энергию от огня. Каждый атом при этом становится «возбужденным» и выталкивает свои электроны на более высокоэнергетические орбиты. «Возбужденные» атомы становятся неустойчивыми и стремятся вернуться в первоначальное состояние примерно через наносекунду. Для этого они «выбрасывают» поглощенную (изначально в виде тепла) энергию в виде фотонов – частиц видимого света. В случае с железом фотоны имеют красный цвет, поэтому нагретый железный брусок краснеет.
Солнечный свет
Откуда берется теплый солнечный свет в погожий день? Всего около 8,5 минуты назад он находился на поверхности Солнца, за 150 млн км от Земли. По сути, солнечный свет – очень успешный экспортный продукт, производимый ядерными фабриками в глубинах космоса. Миллиарды лет Солнце бурлит ядерными реакциями, в ходе которых атомы водорода превращаются в атомы гелия, выделяя колоссальные объемы энергии. Эта энергия, рожденная термоядерным синтезом, возбуждает атомы и заставляет их излучать огромное количество света, включая ультрафиолет, который обжигает кожу, и видимый свет, который освещает улыбки ваших друзей. Задумайтесь: слова, которые вы сейчас читаете, были некоторое время назад парой атомов, которые слились в синтезе на Солнце.
Свет свечи
До электричества человечество пользовалось открытым огнем: свет тогда получали термическим способом. Для освещения был необходим процесс горения или тления. Когда вы разжигаете костер, зажигаете камин или свечи в канделябре, вы запускаете химическую реакцию (горения), в ходе которой топливо (дерево, воск, уголь или другой материал) окисляется, выделяя тепло и свет. Внешняя энергия возбуждает атомы в топливе. Возвращаясь в исходное состояние, они эмитируют энергию в виде инфракрасного излучения (когда вы ощущаете тепло) и видимого света (в котором присутствуют красный, оранжевый, желтый и белый цвета). По яркости освещения последнее место, наверное, занимают свечи. Мерцающего света одной свечи иногда еле хватает для того, чтобы читать. Но при горении свеча нагревается до очень высокой температуры (около 1400 °C), что значительно выше температуры вулканической лавы.
Лампы накаливания
Старомодные электрические лампочки служат нам до сих пор и работают на принципе накаливания. В отличие от существовавших во времена их появления других ламп накаливания, в которых горел фитиль с топливом, электрическая лампочка питается электроэнергией. Когда электричество проходит через тонкую металлическую проволоку, атомы в ней возбуждаются настолько, что уже не в состоянии удерживать в себе электроны. Чем тоньше проволока, тем труднее электрическому току проходить по ней – здесь возникает то, что мы называем электрическим сопротивлением. Поддерживая напряжение на должном уровне, вы можете добиться разогрева проволоки до красного или даже белого цвета. Загвоздка в том, что в таких случаях легко сжечь проволоку. Поэтому ее заключают в стеклянную вакуумную оболочку, внутри которой нет кислорода. Если бы люди не додумались до этого, наши электролампочки работали бы всего несколько минут. В вакууме электричество, проходя по проволоке, разогревает ее, заставляя атомы «выбрасывать» свет.
«Долгоиграющая» нить накаливания появилась только в 1880 году, когда Томас Эдисон запатентовал свою электрическую лампочку. Обычно историю изобретения величайшего устройства всех времен, ставшего символом человеческой изобретательности, подают так, будто оно ждало своей очереди в ряду других блестящих изобретений Эдисона. Но это миф. Еще до Эдисона многие занимались идеей создания электрического освещения. И даже сам Эдисон добился успеха скорее в результате упорного труда, а не озарения. В лаборатории в Менло-Парке, которую охранял сидевший на цепи медведь, Эдисон испытал около 6000 разных вариантов нитей накаливания, от бамбука и хлопка до рыжего волоса из бороды шотландца, пока наконец не нашел единственный вариант: вольфрамовую нить накаливания, заключенную в стеклянную колбу, в которой создан искусственный вакуум. Эта классическая лампочка служит нам по сей день. Главной находкой Эдисона была, конечно, вакуумная колба. Без нее любая нить накаливания обречена на такое же быстрое сгорание, как капризная голливудская звезда.
Флуоресцентные лампы
Главная проблема с лампами накаливания в том, что они излучают вместе со светом и огромное количество тепла. По некоторым подсчетам, при их эксплуатации до 90 % потребляемой электроэнергии теряется на разогрев нити, окружающего ее стекла и воздуха вокруг. Современные энергосберегающие лампы гораздо эффективнее, потому что генерируют столько же света, сколько и прежние, при значительно меньшем производстве тепла. Но если нет тепла, откуда берется энергия для того, чтобы заставить атомы производить свет? Она получается в результате столкновения атомов.
Флуоресцентная лампа представляет собой закрытую стеклянную трубку с двумя полюсами (электродами). Когда вы включаете лампу в электрическую цепь, атомы заполняющего трубку газа превращаются в ионы и начинают быстро двигаться внутри трубки. Атомы, электроны и ионы часто сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия от него возбуждает атомы, и возникает вспышка невидимого ультрафиолетового света. Этот свет был бы для нас невидимым, если бы внутренняя поверхность стеклянных трубок не была покрыта порошкообразным фосфором. Когда ультрафиолет попадает на атомы фосфора, они тоже возбуждаются, и электроны в них «перепрыгивают» на более высокие орбиты. Затем атомы возвращаются в первоначальное состояние. При этом вместо ультрафиолета, который они поглотили, они «выбрасывают» фотоны видимого света. Почему флуоресцирующие лампы всегда белые, а не прозрачные? Как раз потому, что изнутри они покрыты фосфорсодержащим материалом.
Неоновые лампы работают по тому же принципу, но они заполнены специальным газом (неоном), который создает красный свет при пропускании через него электрического тока. Неоновыми называют большую группу ламп, и не все они заполнены неоном. В других используются «благородные» газы ксенон и аргон (или смесь разных газов, известных как инертные). Они используются для получения разных цветов свечения, а также различных эффектов.
Для получения флуоресцентного света не нужно электричество. Всё, что способно атаковать атомы с достаточной энергией, может «выбить» из них вспышку света. Поэтому, например, некоторые леденцы светятся во рту, когда вы разгрызаете их зубами. Ваши зубы становятся источником энергии укуса и «жевания», а компоненты леденцов (обычно это винтергрен метилсалицилат) превращают ее в видимый свет примерно так же, как фосфорное покрытие во флуоресцентных лампах. Но свет получается голубой, а не белый.
Светодиодный свет
Почему разные типы света различаются по эффективности? Закон сохранения энергии говорит нам, что свет от лампы производится другой энергией. Чем легче мы заставим электроны генерировать свет, тем меньше будут потери энергии и тем более эффективным окажется ее источник. Поэтому флуоресцентные лампы (где атомы просто сталкиваются) намного эффективнее ламп накаливания (которые требуют нагревания нити или элемента накаливания), а лампы накаливания гораздо эффективнее свечей (где для получения света мы должны уничтожить гигантский кусок воска).
Получается, что самым эффективным способом получения света может стать только организация направленного движения электронов. Именно это и происходит в светодиодных лампах, которые по эффективности и долговечности превосходят даже компактные флуоресцентные. Диод – самый простой микрочип. Он работает наподобие улицы с односторонним движением для электронов. Электрический ток может течь в диоде только в одном направлении. Светодиод, как подсказывает его название, – особый вид диода, который светится при пропускании через него электричества. Это кремниевый (а лучше полупроводниковый) эквивалент нити накаливания.
Как он работает? Диоды изготавливаются из маленьких кристаллов кремния (маленькие черные точки на вашей ладони, если на нее высыпать немного сухого песка). Вырастите этот маленький фрагмент в кристалл, и вы получите сырье для внутренностей компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств. В нормальном состоянии кремний не очень хорошо проводит электричество. Чтобы заставить его работать в светодиодах, к нему необходимо добавить примеси других материалов. Разрежьте кристалл на две части и к одной из них добавьте атомы бора. В результате некоторые атомы кремния потеряют свои электроны, на их местах останутся «дырки», и атомы получат некоторый положительный заряд (так называемая акцепторная примесь). К другой половине кристалла кремния добавьте атомы сурьмы; в нем появятся лишние электроны и отрицательный заряд (так называемая донорная примесь). Главное произойдет, когда вы соедините два этих «легированных» кристалла кремния вновь. Включите их в цепь (она будет называться диодной), и вы увидите, что электрический ток течет в ней только в одном направлении. По мере протекания тока лишние электроны «перепрыгивают» через место контакта кристаллов и занимают свои места в дырках, в результате чего их атомы рекомбинируют с облегчением – излучением фотона. Вот что происходит в светодиоде: электроны перепрыгивают через область контакта двух кристаллов. Именно поэтому это такой эффективный способ получения света: впустую не тратится практически ни капли энергии.
Светящиеся червячки и светлячки
Живые организмы тоже могут излучать свет. Но не для того чтобы читать в темноте или освещать себе путь, а чтобы привлекать партнеров или отпугивать хищников. На земле хвосты светящихся червяков и светлячков мерцают, точно огонек свечи в ночи. В глубинах океанов замечены величественные кальмары, сардины и морские звезды, которые освещают океанскую толщу таинственным голубоватым светом. По-научному этот подводный фейерверк называется биолюминесценцией. Он порожден возбужденными атомами, которые выплескивают избыточную энергию.
Разумеется, живые существа создают свет по-своему. Светлячки не поджигают себя, как свечи, и не работают на батарейках, как карманные фонарики. Они заставляют химические вещества, которые накапливаются в их теле (люциферин и люциферазу), взаимодействовать друг с другом и генерировать свет. Это похоже на химические фонари, которые развешивают по стенам поездов на случай аварии. Разломите такой фонарь пополам, и вы разрушите стеклянный контейнер, смешав два вещества и создав свет в качестве побочного продукта реакции. От личинок или светлячков много света получить невозможно. Чтобы добиться яркости свечи, нужно более сотни светлячков. Однако само явление выглядит впечатляюще.
Наука о сверкающих ботинках
Когда я был ребенком, то не понимал, почему меня постоянно заставляют чистить ботинки. В чем смысл? Начищенные ботинки оставляли пятна гуталина на полу в кухне. А уж запах от них исходил – точно от химического завода. Когда я шагал по грязи, то презирал свои чистые ботинки. Держа нос по ветру, я никогда не обращал внимания, что происходит на земле. Сегодня, гуляя по английской глубинке, я понял всю пользу, которую может принести моим тяжелым ботинкам обувной крем. Он не только защищает обувь от влаги, но и заставляет ее служить чуть ли не вдвое дольше (крем для обуви смазывает ее и предохраняет от растрескивания при сжатиях и натяжениях).
Почему начищенные ботинки сверкают? Простая кожа выглядит непривлекательно, потому что покрыта морщинами и трещинами. Когда свет падает на такую поверхность, он рассеивается во все стороны. Но лучи света попадают в ваши глаза, поэтому вы, собственно, и видите свои ботинки и различаете их цвет – коричневый, голубой или какой-то еще. Лучи света отражаются от поверхности ботинок неравномерно. Такое отражение называется диффузным. При этом лучи света расходятся от отражаемой поверхности во всех направлениях и под разными углами. Она совсем не похожа на плоское полированное зеркало. Отражения всех ваших прыщиков и морщин падают на зеркало под определенным углом и под тем же углом достигают хрусталиков глаз. Так что вы получаете идеальное отражение своего лица. И оно называется зеркальным.
Когда вы чистите туфли, вы покрываете их кремом на основе воска, который заполняет все неровности на коже и создает более или менее однородную поверхность. Это похоже на то, как в ходе ремонта дороги рабочие заделывают ямки. Попадающие на кожу лучи света отражаются более упорядоченно, поэтому поверхность ботинка становится немного похожей на зеркало.
Если вам нравится видеть свое отражение в сверкающей обуви, но ненавистна мысль потратить на достижение такого блеска 10 минут, подумайте о людях, которые делают телескопы. Компания Perkin Elmer, которая изготавливала зеркало для гигантского телескопа «Хаббл» диаметром 2,4 м, работала над ним 18 месяцев. Почему так долго? Потому что, когда вы имеете дело с таким явлением, как свет, и пытаетесь найти объекты в центре Вселенной, малейшие изъяны и царапины на поверхности зеркала даже размером с атом могут вам помешать. Зеркало для телескопа компания Perkin Elmer полировала с точностью до 20–30 нм (это примерно сумма диаметров 50 атомов, помещенных друг на друга). Если бы это зеркало имело размеры Земли, то изъяны на нем были бы меньше вашей ладони (около 10 × 4 см). К сожалению, инженеры компании были так одержимы идеей идеальной полировки зеркала, что форму ему придали неправильную.
Но это уже совсем другая история.
