Сьогодні ми розповімо, яким буває хімічна дія світла, як це явище застосовується зараз і яка історія його відкриття.

Світло і темрява

Вся література (від Біблії до сучасної фантастики) експлуатує ці дві протилежності. Причому завжди світло символізує гарний початок, а темрява – погане і зле. Якщо не вдаватися в метафізику і розібратися в сутності явища, то на підставі вічного протистояння лежить страх перед імлою, вірніше, відсутністю світла.

Людський очей і електромагнітний спектр

Людське око влаштоване так, що люди сприймають електромагнітні коливання певної довжини хвилі. Найбільша довжина хвилі належить червоного світла (?=380 нанометрів), найкоротша – фіолетового (?=780 нанометрів). Повний спектр електромагнітних коливань набагато ширше, а видима його частина займає лише крихітну частину. Інфрачервоні коливання людина сприймає іншим органом почуттів - шкірою. Цю частину спектру люди знають як тепло. Хтось здатний бачити трохи ультрафіолету (згадайте головного персонажа фільму «Планета Ка-Пекс»).


Основний канал надходження інформації для людини – це око. Тому люди втрачають здатність оцінити те, що відбувається навколо, коли після заходу сонця видимий світло зникає. Темний ліс стає некерованим, небезпечним. А де небезпека, там і страх, що прийде хтось невідомий і «вкусить за бочок». В темряві живуть страшні і злі істоти, а на світлі – добрі і розуміють.

Шкала електромагнітних хвиль. Частина перша: низькі енергії

Коли розглядається хімічна дія світла, фізика передбачає зазвичай видимий спектр. Для того щоб зрозуміти, що взагалі таке світло, слід спочатку розповісти про всі можливі варіанти електромагнітного коливання:

Радіохвилі. Довжина їх хвилі настільки велика, що вони можуть огинати Землю. Вони відбиваються від іонного шару планети і несуть інформацію людям. Частота їх дорівнює 300 гигагерцам і менше, а довжина хвилі – від 1 міліметра і більше (в перспективі – до нескінченності).

Інфрачервоне випромінювання. Як ми вже говорили вище, людина сприймає ІЧ-діапазон як тепло. Довжина хвилі в цій частині спектра вищий, ніж у видимій – від 1 міліметра до 780 нанометрів, а частота нижче – від 300 до 429 терагерц.

Видимий спектр. Та частина всієї шкали, яку сприймає око людини. Довжина хвилі від 380 до 780 нанометрів, частота від 429 до 750 терагерц.

Шкала електромагнітних хвиль. Частина друга: високі енергії

Перелічені далі хвилі несуть двоякий сенс: вони смертельно небезпечні для життя, але в той же час без них біологічне існування не змогла б виникнути.

Ультрафіолетове випромінювання. Енергія цих фотонів вище, ніж видимих. Їх постачає наше центральне світило Сонце. А характеристики випромінювання такі: довжина хвилі від 10 до 380 нанометрів, частота від 3*10 14 до 3*10 16 Герц.

Рентгенівські промені. З ними знайомий кожен, хто ламав кістки. Але застосовуються ці хвилі не тільки в медицині. А їх випромінюють електрони з високою швидкістю, що гальмують в сильному полі, або важкі атоми, у яких вирвали електрон з внутрішньої оболонки. Довжина хвилі від 5 пикометров до 10 нанометрів, частота коливається між значеннями 3*10 16 -6*10 19 Герц.

Гамма-випромінювання. Енергія цих хвиль часто збігається з рентгенівськими. Їх спектр значно перекривається, розрізняється лише джерело походження. Гамма-промені виникають тільки при радіоактивних ядерних процесах. Але, на відміну від рентгена, ?-випромінювання здатне мати більш високі енергії.

Ми навели основні розділи шкали електромагнітних хвиль. Кожний з діапазонів ділиться на більш дрібні секції. Наприклад, часто можна почути «жорстке рентгенівське випромінювання» або «вакуумний ультрафіолет». Але саме цей поділ умовно: де межі одного і початок іншого спектру, визначити досить важко.

Світло і пам'ять

Як ми вже говорили, основний потік інформації мозок людини отримує через зір. Але як зберегти важливі моменти? До винаходу фотографії (хімічна дія світла задіяна в цьому процесі безпосередньо) свої враження можна було записати в щоденнику або покликати художника, щоб той написав портрет або картину. Перший спосіб грішить суб'єктивністю, другий – не кожному по кишені. Як завжди, знайти альтернативу літературі і живопису допоміг випадок. Здатність нітрату срібла (AgNO 3 ) темніти на повітрі відомо давно. На підставі цього факту була побудована фотографія. Хімічна дія світла полягає в тому, що енергія фотона сприяє виділенню чистого срібла з його солі. Реакцію ніяк не можна назвати чисто фізичної. У 1725 році німецький фізик В. Р. Шульц випадково змішав азотну кислоту, якої було розчинено срібло, з крейдою. А потім випадково помітив, що сонячне світло затемнює суміш. Потім пішов ряд винаходів. Фотографії віддруковується на міді, папері, склі, і, нарешті, на полімерній плівці.

Досліди Лебедєва

Вище ми розповіли, що практична необхідність зберігати зображення призвела до дослідам, а в подальшому – теоретичним відкриттям. Іноді буває навпаки: вже вирахуваний факт вимагається підтвердити експериментом. Про те, що фотони світла – це не тільки хвилі, але і частинки, вчені здогадувалися давно.
Лебедєв побудував прилад, заснований на крутильних вагах. Коли на пластинки падало світло, стрілка відхилялася від положення «0». Так було доведено, що фотони передають поверхонь імпульс, а отже, чинять на них тиск. І хімічна дія світла має до цього безпосереднє відношення. Як вже Ейнштейн показав, що маса і енергія – це одне і те ж. Отже, фотон, «розчиняючись» у речовині, віддає йому свою сутність. Отриману енергію тіло може використати по-різному, в тому числі і для хімічних перетворень.

Нобелівська премія і електрони

Вже згаданий нами вчений Альберт Ейнштейн відомий завдяки спеціальній теорії відносності, формулою E=mc 2 та доведенню релятивістських ефектів. Але він отримав головну премію науки не за це, а за інше вельми цікаве відкриття. Ейнштейн поруч дослідів довів, що світло може «вирвати» з поверхні освітленого тіла електрон. Це явище називається зовнішнім фотоефектом. А трохи пізніше той же Ейнштейн виявив, що існує і внутрішній фотоефект: коли електрон під дією світла не покидає тіло, а перерозподіляється, переходить у зону провідності. І освітлене речовина змінює властивість провідності! Областей, в яких застосовується цей феномен безліч: від катодних ламп до «включення» в мережу напівпровідників. Наше життя в сучасному її вигляді була б неможлива без застосування фотоефекту. Хімічна дія світла лише підтверджує те, що енергія фотона у речовині може перетворюватися у різні форми.

Озонові діри та білі плями

Трохи вище ми говорили, що коли хімічні реакції відбуваються під дією електромагнітного випромінювання, мається на увазі оптичний діапазон. Приклад, який ми хочемо привести зараз, трохи виступає за ці рамки. Нещодавно вчені всієї планети били на сполох: над Антарктидою нависла озонова діра, вона весь час розширюється, і це погано скінчиться для Землі. Але потім з'ясувалося, що все не так вже й страшно. По-перше, озоновий шар над шостим континентом просто більш тонкий, ніж в інших місцях. По-друге, коливання розмірів цієї плями не залежать від людської діяльності, їх визначає інтенсивність сонячного світла. Але звідки взагалі береться озон? А це як раз світло-хімічна реакція. Ультрафіолет, який випромінює Сонце, зустрічається з киснем у верхніх шарах атмосфери. Ультрафіолету багато, кисню мало, і він розріджений. Вище тільки відкритий космос і вакуум. І енергія ультрафіолетового випромінювання здатна розбити стабільні молекули Про 2 на два атомарних кисню. А потім наступний УФ-квант сприяє створенню сполуки Про 3 . Це і є озон. Газ озон смертельно небезпечний для всього живого. Він дуже ефективно вбиває бактерії і віруси, що використовуються людиною. Невелика концентрація газу в атмосфері не шкідлива, але вдихати чистий озон заборонено. А ще цей газ дуже ефективно поглинає ультрафіолетові кванти. Тому озоновий шар так важливий: він захищає жителів поверхні планети від надлишку випромінювання, яке здатне стерилізувати або вбити усі біологічні організми. Сподіваємося, тепер зрозуміло, у чому проявляється хімічна дія світла.