Еще в древности люди наблюдали необъяснимые явления. В море ночью они видели светящихся кальмаров, медуз, рыб и многих других морских обитателей.
На суше возможно встретить светящихся насекомых (улиток, светлячков, скорпионов, бабочек, пауков) и рептилий (лягушек и ящериц) [2]. Считалось, что светятся и драгоценные камни (минералы) [6]. Это вызывало удивление, мистический страх и казалось магическим холодным огнем. Такое явление было названо люминесценцией (от латинского luminis — свет и escent — слабое действие).
Первые исследования люминесценции были проведены алхимиком из Болоньи (Италия) Винченцо Каскариоло в 1603 году: он нагрел смесь сульфата бария и древесного угля. Когда полученный порошок охлаждался, он приобретал голубоватое свечение в ночное время, и Каскариоло заметил, что это свечение можно оживить, если подвергнуть его воздействию солнечного света.
Алхимики надеялись, что с помощью этого вещества можно превратить металл в золото, символизирующее солнце, и поэтому вещество получило название lapis solaris — солнечный камень. Это послесвечение заинтересовало многих ученых того времени, которые дали веществу другие названия, например «фосфор» — приносящий свет.
Без преувеличения можно сказать, что современные технологии были бы немыслимы без люминесценции. Это и лампы дневного света, и неоновые лампы, и телевидение, и различные мониторы, и радары на экранах приборов электрооптического наблюдения (флюороскопов).
Все новые технологические требования к качеству светящихся составов стимулируют детальное изучение этого явления и способствуют развитию теории люминесценции.
Проблема исследования состоит в том, что в современной жизни мы повсеместно сталкиваемся с явлением люминесценции. Мне стало интересно, что за процессы протекают при возникновении этого явления, какова их природа. Возможно ли получить вещество, обладающее свойствами люминесценции, дома без применения специфических условий синтеза, редких реактивов, сложного оборудования и при этом без вреда здоровью.
Актуальность нашей работы заключается в том, что без применения явления люминесценции невозможно представить ни одну из сфер деятельности человека: авиацию, аварийное освещение (в системах эвакуации и пожарной безопасности), источники света, дефектоскопию, криминалистику, картографию, реставрационные работы, военное дело, научные исследования и многие другие.
Люминесцентный анализ находит применение в гигиене (определение качества продуктов, питьевой воды), промышленной санитарии (определение содержания вредных веществ в воздухе) и т. п.
Способность некоторых веществ (сцинтилляторов) люминесцировать под действием элементарных частиц высоких энергий обеспечило широкое применение методов люминесценции в ядерной физике (сцинтилляционный счетчик, люминесцентная камера).
Цель работы — рассмотреть сферы деятельности человека, где используется явление люминесценции, определить возможность изготовления люминофора в домашних условиях, применить изготовленный люминофор.
Гипотеза: мы предполагаем, что в домашних условиях возможно получить вещество, обладающее свойствами люминесценции, без применения специальных условий синтеза, редких реактивов и сложного оборудования.
Практическая значимость исследования заключается в том, что мы выполним обзор сфер деятельности человека, где используется явление люминесценции, а также попытаемся самостоятельно приготовить люминофор и изготовить для МБУДО «ДДТ «Дриада» план эвакуации, который светится в темноте.
Теоретический обзор
Люминесценция — это излучение света. Свет представляет собой электромагнитные волны длиной 400–700 нм (нанометров) — это видимый свет, который регистрируется человеческим глазом. Такое определение видимого света дано в соответствии с чувствительностью человеческого глаза. Когда речь идет о люминесценции, имеются ввиду и те диапазоны, которые находятся правее и левее 400–700 нм, то есть за границами видимого света [2].
Существует большое количество разнообразных как органических, так и неорганических веществ, обладающих люминесцентной способностью. Свойства люминесценции также могут быть различными. Эти различия вызывают необходимость в классификации явлений люминесценции.
В основу первой попытки классификации была положена продолжительность процесса излучения. В результате такой классификации все известные виды люминесценции были разделены на два больших класса, названные флуоресценцией и фосфоресценцией.
Явление люминесценции в природе
Иногда в лесу вечером внезапно появляется зеленоватый свет. Это свет от гниющих пней. Полусгнившие осиновые или березовые пни испускают слабое зеленовато-голубое свечение. Если надавить на пень ногой, то он рассыпается на множество мелких кусочков и светится в траве. Это свечение называется хемилюминесценцией. Оно возникает в результате химической реакции, в ходе которой в клетках растений окисляется фосфор. Высушенные листья дуба и березы, долгое время лежавшие толстым слоем, также излучают свет [1].
История открытия и использования люминесценции
Открытие люминесценции связано с открытием фосфора. Гамбургский алхимик Хеннинг Брандт открыл элемент в 1669 году путем выпаривания мочи.
В 1877 году с помощью флуоресцеина ученые доказали, что подземные водные пути соединяют реки Дунай и Рейн: краситель был вылит в воды Дуная и через несколько часов в притоке Рейна появилось свечение [3].
Сообщения о 35 люменах на ватт, достигнутых лабораторией General Electric к августу 1934 года, перевернут мир искусственного освещения, и уже в декабре начнется производство ламп в США. К 1938 году 48-дюймовые трубчатые лампы дневного света на 40 ватт можно будет увидеть в каждом офисе [4].
Радиевые девушки
В 1930-х годах предприятие компании U. S. Radium выпускало часы для военных и циферблаты для военной техники. На росписи циферблатов люминесцентными красками были задействованы десятки женщин, они вошли в историю как радиевые девушки [5].
Хоть ХХ столетие и было веком технического прогресса, простые люди не знали свойств многих веществ, из-за чего часто страдали.
Люминесцентные краски, светящиеся в темноте, использовали в ХХ веке как для нанесения цифр и делений на обычные наручные часы, так и на циферблаты военной техники.
Работа это была не тяжелая, но очень кропотливая, и поэтому на росписи работали молодые женщины с тонкими ловкими пальцами и острым зрением. Никто из рядовых сотрудниц U. S. Radium не знал, что эта профессия смертельно опасна, так как радий — радиоактивное вещество, требующее при использовании соблюдения строгих мер безопасности.
Так как кончики кисточек теряли свою форму уже после нескольких мазков краской, руководство U. S. Radium предлагало работницам восстанавливать форму кисточек губами или языком. Ради забавы многие работницы красили себе смертельно опасной краской, произведенной на фабрике, ногти, зубы и лицо.
Многие из работниц фабрики позже стали страдать от анемии, частых переломов и некроза челюсти. По некоторым предположениям, использование рентгеновских аппаратов врачами, которые обследовали работниц во время болезни, способствовало ухудшению состояния, так как давало дополнительное облучение.
Описание исследования и его результаты
В нашей работе мы не будем пользоваться радиолюминесцентным пигментом на основе радия-226 (светомассе постоянного действия, СПД), а воспользуемся более доступными и безопасными веществами.
Для наших экспериментов мы изготовим стандартный люминофор, который состоит из двух основных компонентов: борной кислоты и концентрата хвои. Но для начала необходимо выполнить проверку борной кислоты на пригодность к изготовлению высококачественных люминофоров.
Для проведения опыта поместим небольшое количество борной кислоты (5–10 г) в чистый керамический тигель и аккуратно нагреем до полного плавления и частичного ее обезвоживания.
Рис. 1. Борная кислота, приобретенная в аптеке
Нагреваем до начала загустения. После этого остается только подождать полного остывания полученной стекловидной массы. При этом используемая тара должна быть тщательно вымыта ото всех загрязнений, обезжирена и просушена.
Рис. 2. Проверка качества борной кислоты
Выключим свет и включим ультрафиолетовый фонарик, а потом выключим и его. Если борная кислота качественная, то не будет наблюдаться ни флуоресценции, ни остаточной фосфоресценции. Если же данные явления наблюдаются, то это говорит о наличии в борной кислоте сторонних примесей, выполняющих роль активатора.
С некачественной борной кислотой изготовить люминофоры не получится, так как собственные примеси не позволят использовать некоторые активаторы. Мы использовали борную кислоту из аптеки. Как показала практика, чистота приобретенной нами борной кислоты достаточна для изготовления люминофоров.
Рис. 3. Проверка качества борной кислоты
Изготовление люминофора. Компоненты для изготовления люминофора найти несложно. К примеру, хвойный концентрат мы купили на известном маркетплейсе, а борная кислота продается во всех аптеках. При этом будьте внимательны: нужен не экстракт, а именно концентрат. Для приготовления люминофора это очень важно.
Далее мы действовали в приведенной ниже последовательности:
- Насыпаем концентрат хвои в заранее подготовленную посуду.
- Добавляем небольшое количество воды с целью получения раствора тартразина. Сам тартразин представляет собой синтетический краситель, имеющий желтый цвет. Данный элемент относится к категории пищевых добавок (известен под названием Е102). Как правило, тартразин добавляется в йогурты, пюре, мороженое, супы и прочую еду. Минус таких красителей — опасность для астматиков. Чрезмерное попадание Е102 в организм может привести к зуду, нарушению зрения, мигрени и так далее.
- Насыпаем немного борной кислоты в ложку.
- Смачиваем полученную смесь с помощью тартразина.
- Перемешиваем состав до тех пор, пока не получится однородная масса.
- Греем смесь до момента, пока она не превратится в густой состав зеленоватого оттенка. Чтобы лучше прогреть смесь, возникшие сверху пузырьки необходимо протыкать.
- Охлаждаем смесь и вливаем небольшое количество тартразина. После этого снова прогреваем состав. В итоге получается желтое однородное вещество.
Рис. 4. Нагрев смеси для получения однородной массы
Мы подействовали на получившийся состав ультрафиолетовым фонариком (яркие световые лучи необходимы для активации). Мы получили люминофор своими руками, однако время его свечения оказалось очень непродолжительным, и для достижения всех целей исследования нам пришлось добавить люминофор фабричного производства.
Изготовление плана эвакуации МБУДО «ДДТ «Дриада»
С целью практического применения результатов нашего исследования мы решили изготовить план эвакуации при пожаре для МБУДО «ДДТ «Дриада». Для этого мы купили обычный лист ватмана формата А2. Приготовленный люминофор мы перетерли в порошок.
Перед нами встала проблема, каким образом приклеить самодельный порошок к ватману. Для начала мы решили использовать клей ПВА, однако у нас ничего не вышло. Мы испортили достаточное количество люминофора, но поверхность оказалась непригодной для последующего нанесения плана.
В интернете в основном рекомендуют использовать лак в пропорции 1:4 (одна часть люминофора и четыре части лака), но это очень примерно. Мы смешивали лак с люминофором в соотношении 1:2, и все прекрасно окрашивалось. Также надо учитывать степень текучести лака, чтобы он не стек с поверхности, пока не затвердел.
Ватман с нанесенным люминофором мы просушили в темном сухом месте в течение двух недель.
Рис. 5. Нанесение люминофора на ватман
После чего мы начали маркерами рисовать план эвакуации. Как только мы касались маркером бумаги, краска начинала растекаться, и изображение расплывалось. Лист ватмана с нанесенным люминофором был испорчен. Тогда было принято решение нарисовать элементы плана эвакуации на компьютере, наклеить их на ватман и сверху нанести люминофор.
Рис. 6. Изготовление плана эвакуации
Если на него подействовать ультрафиолетовым фонариком или ярким светом, то он будет светиться в темноте достаточно продолжительное время: около 1,5–2 часов.
В настоящей исследовательской работе рассмотрены сферы деятельности человека, где используется явление люминесценции. В ходе проделанной работы подтверждена возможность изготовления люминофора в домашних условиях. Я узнал способы его изготовления. Мы нашли полезные варианты использования люминофора. Полученный люминофор был применен для изготовления плана эвакуации при пожаре.
В очередной раз я убедился, что мир познаваем и очень удивителен. А чтобы наша жизнь стала ярче, люминофор можно получить даже в домашних условиях, потому что это совершенно безопасно!
Литература:
- Вавилов, С. И. Выход флуоресценции растворов красителей в зависимости от длины волны возбуждающего света // Вавилов С. И. Собрание сочинений. Т. 1. — М., 1954.
- Владимиров, Ю. А. Хемилюминесценция клеток животных / Ю. А Владимиров, М. П. Шерстнев // Итоги науки и техники. Биофизика. — 1989. — Т. 24. — С. 3–172.
- Миронов, В. Использование явления люминесценции в алмазодобывающей промышленности // Наука и техника в Якутии. — 2005. — № 1. — С. 11–14.
- Галанин, М. Д. Измерение интенсивности двухфотонно возбуждаемой люминесценции как метод определения длительности пикосекундных лазерных импульсов / М. Д. Галанин, З. А. Чижикова // Квантовая электроника. — 1977. —Т. 4. — С. 2462–2464.
- Радиевые девушки: история «живых мертвецов», изменившая мир [Электронный ресурс]. — URL: https://fishki.net/3807631-radievye-devushki-istorija-zhivyh-mertvecov-izmenivshaja-mir.html (дата обращения: 07.04.2025).
- Солодова, Ю. П. Определитель ювелирных и поделочных камней / Ю. П. Солодова, Э. Д. Андреенко, Б. Г. Гранадчикова. — М. : Недра, 1985. — 223 с.
