Сегодня мы расскажем, каким бывает химическое действие света, как это явление применяется сейчас и какова история его открытия.
Свет и тьма
Вся литература (от Библии до современной фантастики) эксплуатирует эти две противоположности. Причем всегда свет символизирует хорошее начало, а темнота – плохое и злое. Если не вдаваться в метафизику и разобраться в сущности явления, то в основании вечного противостояния лежит страх перед мглой, вернее, отсутствием света.
Человеческий глаз и электромагнитный спектр
Человеческий глаз устроен так, что люди воспринимают электромагнитные колебания определенной длины волны. Самая большая длина волны принадлежит красному свету (λ=380 нанометров), самая короткая – фиолетовому (λ=780 нанометров). Полный спектр электромагнитных колебаний гораздо шире, а видимая его часть занимает лишь крохотную часть. Инфракрасные колебания человек воспринимает другим органом чувств - кожей. Эту часть спектра люди знают как тепло. Кто-то способен видеть немного ультрафиолета (вспомните главного персонажа фильма «Планета Ка-Пэкс»).
Основной канал поступления информации для человека – это глаз. Поэтому люди теряют способность оценить происходящее вокруг, когда после заката видимый свет исчезает. Темный лес становится неуправляемым, опасным. А где опасность, там и страх, что придет кто-то неведомый и «укусит за бочок». В темноте живут страшные и злые существа, а на свету – добрые и понимающие.
Шкала электромагнитных волн. Часть первая: низкие энергии
Когда рассматривается химическое действие света, физика подразумевает обычно видимый спектр.
Для того чтобы понять, что вообще такое свет, следует сначала рассказать обо всех возможных вариантах электромагнитного колебания:
- Радиоволны. Длина их волны настолько велика, что они могут огибать Землю. Они отражаются от ионного слоя планеты и несут информацию людям. Частота их равна 300 гигагерцам и менее, а длина волны – от 1 миллиметра и более (в перспективе – до бесконечности).
- Инфракрасное излучение. Как мы уже говорили выше, человек воспринимает ИК-диапазон как тепло. Длина волны у этой части спектра выше, чем у видимой – от 1 миллиметра до 780 нанометров, а частота ниже – от 300 до 429 терагерц.
- Видимый спектр. Та часть всей шкалы, которую воспринимает глаз человека. Длина волны от 380 до 780 нанометров, частота от 429 до 750 терагерц.
Шкала электромагнитных волн. Часть вторая: высокие энергии
Перечисленные дальше волны несут двоякий смысл: они смертельно опасны для жизни, но в то же время без них биологическое существование не смогло бы возникнуть.
- Ультрафиолетовое излучение. Энергия этих фотонов выше, чем видимых. Их поставляет наше центральное светило, Солнце. А характеристики у излучения такие: длина волны от 10 до 380 нанометров, частота от 3*1014 до 3*1016 Герц.
- Рентгеновские лучи. С ними знаком каждый, кто ломал кости. Но применяются эти волны не только в медицине. А излучают их электроны с высокой скоростью, что тормозят в сильном поле, или тяжелые атомы, у которых вырвали электрон с внутренней оболочки. Длина волны от 5 пикометров до 10 нанометров, частота колеблется между значениями 3*1016-6*1019 Герц.
- Гамма-излучение. Энергия этих волн часто совпадает с рентгеновскими. Их спектр значительно перекрывается, различается только источник происхождения. Гамма-лучи возникают только при ядерных радиоактивных процессах. Но, в отличие от рентгена, γ-излучение способно иметь и более высокие энергии.
Мы привели основные разделы шкалы электромагнитных волн. Каждый из диапазонов делится на более мелкие секции. Например, часто можно услышать «жесткое рентгеновское излучение» или «вакуумный ультрафиолет». Но само это разделение условно: где границы одного и начало другого спектра, определить довольно трудно.
Свет и память
Как мы уже говорили, основной поток информации мозг человека получает через зрение. Но как сохранить важные моменты? До изобретения фотографии (химическое действие света задействовано в этом процессе непосредственно) свои впечатления можно было записать в дневнике или позвать художника, чтобы тот написал портрет или картину. Первый способ грешит субъективностью, второй – не каждому по карману.
Как всегда, найти альтернативу литературе и живописи помог случай. Способность нитрата серебра (AgNO3) темнеть на воздухе известно давно. На основании этого факта была построена фотография. Химическое действие света заключается в том, что энергия фотона содействует выделению чистого серебра из его соли. Реакцию никак нельзя назвать чисто физической.
В 1725 году немецкий физик И. Г. Шульц случайно смешал азотную кислоту, в которой было растворено серебро, с мелом. А потом также случайно заметил, что солнечный свет затемняет смесь.
Затем последовал ряд изобретений. Фотографии отпечатывали на меди, бумаге, стекле, и, наконец, на полимерной пленке.
Опыты Лебедева
Выше мы рассказали, что практическая необходимость сохранять изображения привела к опытам, а в дальнейшем – теоретическим открытиям. Иногда бывает наоборот: уже высчитанный факт требуется подтвердить экспериментом. О том, что фотоны света – это не только волны, но и частицы, ученые догадывались давно.
Лебедев построил прибор, основанный на крутильных весах. Когда на пластинки падал свет, стрелка отклонялась от положения «0». Так было доказано, что фотоны передают поверхностям импульс, а значит, оказывают на них давление. И химическое действие света имеет к этому непосредственное отношение.
Как уже показал Эйнштейн, масса и энергия – это одно и то же. Следовательно, фотон, «растворяясь» в веществе, отдает ему свою сущность. Полученную энергию тело может использовать по-разному, в том числе и для химических превращений.
Нобелевская премия и электроны
Уже упомянутый нами ученый Альберт Эйнштейн известен благодаря специальной теории относительности, формуле E=mc2 и доказательству релятивистских эффектов. Но он получил главную премию науки не за это, а за другое весьма интересное открытие. Эйнштейн рядом опытов доказал, что свет может «вырвать» с поверхности освещенного тела электрон. Это явление называется внешним фотоэффектом. А немного позже тот же Эйнштейн обнаружил, что существует и внутренний фотоэффект: когда электрон под действием света не покидает тело, а перераспределяется, переходит в зону проводимости. И освещенное вещество меняет свойство проводимости!
Областей, в которых применяется этот феномен множество: от катодных ламп до «включения» в сеть полупроводников. Наша жизнь в современном ее виде была бы невозможна без применения фотоэффекта. Химическое действие света лишь подтверждает то, что энергия фотона в веществе может преобразовываться в различные формы.
Озоновые дыры и белые пятна
Чуть выше мы говорили, что когда химические реакции происходят под действием электромагнитного излучения, подразумевается оптический диапазон. Пример, который мы хотим привести сейчас, немного выступает за эти рамки.
Недавно ученые всей планеты били тревогу: над Антарктидой нависла озоновая дыра, она все время расширяется, и это обязательно плохо кончится для Земли. Но потом выяснилось, что все не так уж и страшно. Во-первых, озоновый слой над шестым континентом просто более тонкий, чем в остальных местах. Во-вторых, колебания размеров этого пятна не зависят от человеческой деятельности, их определяет интенсивность солнечного света.
Но откуда вообще берется озон? А это как раз свето-химическая реакция. Ультрафиолет, который излучает Солнце, встречается с кислородом в верхних слоях атмосферы. Ультрафиолета много, кислорода мало, и он разрежен. Выше только открытый космос и вакуум. И энергия ультрафиолетового излучения способна разбить стабильные молекулы О2 на два атомарных кислорода. А затем следующий УФ-квант способствует созданию соединения О3. Это и есть озон.
Газ озон смертельно опасен для всего живого. Он весьма эффективно убивает бактерии и вирусы, что используются человеком. Небольшая концентрация газа в атмосфере не вредна, но вдыхать чистый озон запрещено.
А еще этот газ очень эффективно поглощает ультрафиолетовые кванты. Поэтому озоновый слой так важен: он защищает жителей поверхности планеты от переизбытка излучения, которое способно стерилизовать или убить все биологические организмы. Надеемся, теперь понятно, в чем проявляется химическое действие света.
