Вавилов и Левшин выявили количественную связь между вязкостью растворителя и степенью поляризации свечения раствора. Они установили, что у различных люминесцирующих веществ существует почти одна и та же предельная поляризация свечения: 35–40 процентов.
В 1924 году Левшин открыл существование зависимости между степенью поляризации и длиною волны возбуждающего света. Это именно обстоятельство и указывало на связь поляризации с природой самой излучающей молекулы. Вавилов глубоко исследовал это явление.
Перед физиками раскрылась заманчивая перспектива — изучать тончайшую структуру вещества по степени поляризации света при взаимодействии его с молекулами. Впоследствии этот метод получил широкое распространение.
Явление поляризации люминесценции было главным объектом исследований Вавилова и в лаборатории Берлинского университета. Исследованию подвергались сахарные фосфоры, молекулы которых обладали* свойством длительного свечения.
Исключительно яркая люминесценция этих веществ была открыта Вавиловым и Левшиным еще в Москве.
Однажды сотрудник института нечаянно рассыпал пакетик с леденцами-«петушками», купленными для детей.
— Дайте-ка один, — попросил Сергей Иванович, когда конфеты были собраны. — Этот краситель нами еще не проверялся.
Когда леденец был подвергнут облучению, все вдруг с удивлением увидели, что он засиял, как звезда во лбу Василисы Прекрасной. Опытные люминесцентщики не встречали ничего подобного.
Однако «петушки» светились недолго и были малопригодны для люминесцентных исследований.
Гораздо лучше показали себя другие, те, что научился изготовлять В. Л. Левшин. Постепенно увеличивая вязкость сахарных растворов, чтобы удлинить свечение, Вадим Леонидович добился того, что получил исключительно эффектные люминесцирующие составы.
С той поры сахарные фосфоры московских оптиков были признаны во всем мире одним из самых интересных объектов для исследований на холодное свечение.
Изучая в лаборатории Прингсгейма особенности длительного свечения сахарных фосфоров, Вавилов неожиданно обнаружил, что эта фосфоресценция не является однородной.
Оказалось, что она состоит из двух видов свечений. Оба длительные. Но одно по цвету совпадает с цветом флуоресценции, то есть короткого свечения, характерного для данного вещества в виде жидкого раствора. Другое значительно «краснее» первого. Спектр второго свечения сдвинут в сторону длинных волн по сравнению со спектром первого свечения.
Выяснилась еще одна особенность двух свечений.
Первое, совпадающее по цвету с цветом флуоресценции, было поляризовано. Второе, состоящее из более длинных волн, было не поляризовано, даже если фосфоресценция вызывалась поляризованным светом.
Эта работа дала возможность польскому ученому А. Яблоньскому создать его широко известную в кругах специалистов схему так называемых метастабильных (то есть полустабильных, неустойчивых) состояний люминесцентных веществ. Позднее советский ученый А. Н. Теренин и американец Дж. Льюис объяснили эту схему теоретически.
Вавилову принадлежит классификация явлений люминесценции, основанная на сравнении законов затухания свечения и длительности возбужденных состояний. Все явления люминесценции он разделил на три вида: спонтанная (то есть самопроизвольная), вынужденная и рекомбинационная. В первом случае акты поглощения и испускания света разделены только временем пребывания атома или молекулы в возбужденном состоянии. Во втором случае микросистема, поглотившая квант света, переходит из возбужденного состояния в некоторое промежуточное.
Чтобы осуществить люминесценцию в данном случае, нужна дополнительная энергия, как говорят — энергия активации. Но что ее может дать? Хотя бы собственное тепло тела. Чем выше температура тела, тем значительнее энергия активации. Естественное следствие отсюда — большая зависимость длительности люминесценции от температуры. Когда температура низка, эта длительность может быть очень большой.
Третий вид — рекомбинационное свечение — тоже длительное свечение, и оно, подобно вынужденному, зависит от температуры. От второго вида люминесценции рекомбинационное свечение отличается своим внутренним механизмом. Но этот механизм довольно сложен, и мы не будем останавливаться на его описании.
Эта первая научная классификация люминесценции, основанная на учете длительности свечения и характера его затуханий, была произведена С. И. Вавиловым значительно позднее открытия явления неполяризованной люминесценции, в 1934 году.
Но вернемся к более раннему периоду.
В мае 1926 года Сергей Иванович закончил свои исследования в лаборатории Прингсгейма. Выполнив важную научную работу и обогатившись полезными сведениями о постановке физических исследований в Германии, советский физик вернулся на родную землю.
Двадцать шестой год не походил на то время, когда физики Москвы впервые сколачивали свой коллектив, чтобы помочь народной власти. Много переменилось за это время. Не осталось и следов от недавних бедствий, вызванных войной и голодом. Люди были уже довольно хорошо одеты, веселы. На улицах впервые устанавливался тот жизнерадостный, стремительный ритм, который присущ столицам процветающих государств.
Со страниц газет и журналов, с деревянных афиш и стен предприятий к населению обращались слова пламенного призыва: «Превратить нашу страну из аграрной в индустриальную, способную производить своими собственными силами необходимое оборудование». Начиналась пора напряженной работы всего народа — рабочих, крестьян, интеллигенции, — неуклонно направленной на социалистическую индустриализацию.
С возвращением Сергея Ивановича в Москву в оптической лаборатории Института физики и биофизики Наркомздрава резко увеличился объем исследований. Особенно расширилась тематика работ по люминесценции. Постепенно небольшая лаборатория на Миусской площади становилась основным и чуть ли не единственным научным центром в стране, занимающимся вопросами холодного свечения. В других городах Советского Союза никаких более или менее значительных исследований в области люминесценции не производилось.
Академик Николай Иванович Вавилов — брат С. И. Вавилова.
Сергей Иванович Вавилов на совещании (1946 г.).
С. И. Вавилов (1945 г.).
Вавилову и его сотрудникам первым — ценой неустанных поисков — удалось понять физическую сущность холодного свечения. Под совсем еще недавно непонятное явление природы была, как говорят, подведена прочная научная основа. Один из учеников Д. С. Рождественского, выдающийся фотохимик Александр Николаевич Теренин, впоследствии академик, с достаточным основанием мог написать позднее:
«Исследования Сергея Ивановича и его школы по люминесценции определили в значительной мере развитие мировой науки в этой области, занимая в ней ведущее место».[13]
Исходя из основных положений квантовой механики, статистической физики и термодинамики, Вавилов выяснил то главное, что отличает люминесценцию от других явлений. Оказалось, что это главное представлено тремя особенностями: редкостью люминесценции, длительностью свечения, наличием особого закона цветового (спектрального) преобразования.
Первая особенность не нуждается в пояснении. «Бесспорно, что „холодный“ свет может появляться только за счет поглощенной первичной энергии, — писал Вавилов, — иначе нарушался бы основной закон природы — сохранение энергии. Неверно, однако, обратное: не всякое поглощающее свет вещество дает люминесценцию. Например, обычные чернила, черные или красные, очень сильно поглощают свет, но не дают вторичного свечения, в то время как растворы красителей флуоресцеина, родамина и других прекрасно светятся».