Электролюминесценция. — Люминесценцией (см.) называется всякое свечением (излучение телами видимых лучей света), не вызванное сильным повышением температуры и происходящее при температуре светящегося тела, значительно более низкой, чем та наименьшая температура (около 300 — 400°), при которой абсолютно черное тело (см. Электр. освещение, § 1) начинает излучать количество световой энергии видимых длин волн достаточное для того, чтобы вызвать впечатление на сетчатку глаза. Из всех видов люминесценции (см.) наиболее разнообразна по своим проявлениям Э., т. е. свечением газов при низких температурах вследствие прохождения по ним электрических разрядов [1]. Явления Э. крайне сложны, разнообразны и непостоянны, существенно меняясь при малейшем изменении внешних условий получения разряда. Механизм этих явлений совершенно неизвестен и даже какой-либо гипотетической картины этого механизма, которая охватывала бы и описала бы всю совокупность известных явлений Э., до сих пор не существует [2]. В виду этого вся эта область науки представляет в настоящее время лишь совокупность огромного количества наблюденных фактов, почти не связанных друг с другом; даже номенклатура этой области еще не вполне установилась. Поэтому в дальнейшем изложении необходимо ограничиться перечислением и описанием наиболее характерных видов Э. с их наиболее определенными и постоянными признаками.
Газы и пары представляют в обычных условиях совершенные изоляторы по отношению к электрическим силам. Поэтому, если в газовой атмосфере установить на некотором расстоянии друг от друга два проводника и поддерживать между ними некоторую постоянную разность потенциалов, то в обычных условиях и при не слишком большой разности потенциалов между проводниками, уравнения этих потенциалов в виде тока по газу между проводниками не произойдет. При некоторой достаточно большой разности потенциалов измерительные инструменты, соединенные с проводниками, докажут, однако, довольно быструю потерю электричества с проводников. Если мы наблюдения будем производить в темной комнате, то заметим, что эта потеря сопровождается рядом световых явлений, именно свечением поверхностей проводников и газов вблизи этих поверхностей. Совокупность всех явлений, вызывающих и сопровождающих эти потери электричества с проводников, называется тихим разрядом. Последовательность световых явлений, сопровождающих тихий разряд, приблизительно следующая.
Представим себе, что в качестве проводников мы взяли два шара, наэлектризованных соответственно положительно и отрицательно (напр., при посредстве электрической машины). При достаточной разности потенциалов между шарами верхушка полож. шара (анода) покрывается тонким слоем слабого синеватого сияния (Glimmlicht), на отрицательном шаре (катоде) появляется одна или несколько маленьких световых кисточек или звездочек (фиг. 1a). При увеличении разности потенциалов из анода выходит маленький конический красноватый световой стерженёк, внезапно переходящий на небольшом расстоянии от шарика в широкую ветвистую фиолетовую световую кисть (Büschel); явление кисти сопровождается легким шипящим или трещащим звуком; с повышением разности потенциалов увеличивается длина ветвей кисти и повышается тон, издаваемый кистью. При этом на катоде наблюдается лишь некоторое увеличение звездочки или кисточки (фиг. 1 б). Если еще увеличить разность потенциалов или приблизить шарики друг к другу, то внезапно из катода вместо звездочки исходит более бледная кисть, направленная к кисти анода; между двумя кистями темное пространство (фиг. 1 в). Эта третья форма тихого разряда (Streifenentladung) переходит в искру (фиг. 1 г) при дальнейшем увеличении разности потенциалов или уменьшении расстояния между шариками. Разность потенциалов, при которой появляется тихий разряд и при которой одна форма его переходит в другую, в сильной мере зависит не только от расстояния между проводниками, но и от формы их и от природы газа; так при заостренных проводниках и в водороде все явления, сопровождающиеся кистью, наступают при более низких потенциалах, чем при закругленных проводниках и в воздухе. Разность потенциалов, необходимая для появления свечения на остриях, значительно меньше для катода, чем для анода, и вначале медленно, затем быстро падает с уменьшением давления. Так, по наблюдениям Тамма при давлении в 76 см ртутного столба для появления в воздухе свечения на катоде необходим потенциал его в 2140 вольт, а на аноде 3760 вольт; при давлении в 40 см необходимы потенциалы 1900 и 3350 в., при 10 см всего 910 и 1580 в. В водороде разность потенциалов, необходимая для появления свечения, меньше, в углекислоте больше, чем в воздухе; но отношение между разностями потенциалов у анода и катода для всех газов приблизительно одно и то же самое. Самый разряд представляется явлением не непрерывным, но состоящим из множества одновременно происходящих частичных прерывчатых разрядов. Потеря электричества, сопровождающаяся описанными световыми явлениями, происходит путем уноса электричества струёй воздуха — электрическим ветром — исходящим с поверхности проводников. Этот ветер, исходя с поверхности проводника, производит некоторое давление на последний (реакция струи), которое по опытам Аррениуса (1897) для анода значительно больше, чем для катода; эта реакция пропорциональна упругости газа, а для различных газов растет пропорционально корню квадратному из молекулярного веса газов. По современным представлениям, ветер состоит из струи воздуха, увлекаемой движением выбрасываемых с поверхности проводников потоков ионов (см. Электрон). Явления тихого разряда мало исследованы, значительно меньше, чем явление искры, в которое они переходят при достаточно большой разности потенциалов и достаточно малом расстоянии между проводниками. Разность потенциалов, необходимая для того, чтобы образовать искру между проводниками, находящимися на данном расстоянии, зависит от природы газа между проводниками и от упругости его. Но и в газе данной упругости это не есть величина вполне постоянная, так как 1) достаточная разность потенциалов должна быть приложена достаточно долгое время, как показали исследования Яумана и Варбурга, чтобы искра могла образоваться; если разность потенциалов приложена к проводникам в течение очень непродолжительного времени, то иногда газ может выдержать разность потенциалов в 3—4 раз большую без образования искры; 2) разность потенциалов, необходимая для искры, зависит от состояния искрового пути, от того, проскакивали ли по нему искры непосредственно перед данной искрой, освещен ли путь и электроды, между которыми скачет искра и т. д.; 3) разность потенциалов, необходимая для искры, зависит от формы поверхностей, между которыми проходит искра. Предположим, что проводники направлены друг к другу поверхностями, между которыми электрическое поле на небольшом протяжении можно считать постоянным, напр., выпуклыми шаровыми поверхностями с большим радиусом кривизны; назовем затем искровым потенциалом ту предельную наибольшую разность потенциалов, которую можно поддерживать сколь угодно долго между электродами без проскакивания искры между ними, предположим затем, что на искровой путь не действуют какие-либо агенты (свет, Рентгеновы лучи), способные облегчать образование искры. Для так определенного искрового потенциала найдены были следующие законы: 1) искровой потенциал V возрастает с увеличением расстояния d между электродами, но не пропорционально расстоянию, а приближенно, согласно закону V = a + bd, где a и b постоянные для данного газа при данной упругости; для воздуха при нормальном давлении V = 1499 + 29878 d, где V выражено в вольтах, а d в см. Закон этот справедлив лишь для искр больше определенной длины, в воздухе выше 2 мм; при меньших расстояниях искровой потенциал меньше вычисленного по приведенной формуле. Для других газов постоянные а и b приведенной зависимости иные, для водорода меньше, чем для воздуха, для углекислоты больше [3]. 2) При уменьшении упругости газа искровой потенциал изменяется пропорционально упругости, так что с уменьшением упругости газа в несколько раз искровой потенциал во столько же раз уменьшается. Это справедливо лишь при давлениях выше некоторого критического давления, ниже которого искровой потенциал от наименьшей величины снова весьма быстро подымается. Критическое давление для данного газа увеличивается с уменьшением искры, но наименьший искровой потенциал для данного газа есть величина постоянная. Так для воздуха критическое давление равно 5 мм ртутного столба для искр в 1 мм, 1,9 мм для искр в 3 мм и 0,7 мм для искр в 10 мм, но наименьший искровой потенциал во всех этих случаях около 350 вольт, так что разность потенциалов меньше 350 вольт вообще не может вызвать искры в воздухе (см. ниже). 3) При давлениях как выше, так и ниже критического искровой потенциал зависит от произведения упругости газа p на длину искры d, и при постоянной величине этого произведения есть величина постоянная (закон Пашена). 4) При длине искр меньшей, чем некоторая определенная критическая длина (для воздуха при атмосферном давлении около одной тысячной мм), искровой потенциал снова быстро уменьшается (см. 2); так Ирхарт получал искры длиной в три десятитысячных мм при искровом потенциале в 32 вольта, т. е. в одиннадцать раз меньшем, чем наименьший искровой потенциал для искр большей длины. 5) При уменьшении радиуса кривизны поверхностей, между которыми проскакивает искра, искровой потенциал вначале возрастает, получает наибольшую величину при некотором определенном радиусе и затем снова падает (для воздуха и длины искры в 3 мм нужна разность потенциалов в 10600 вольт между плоскостями, 10980 в. между шарами диаметром в 3 см, 11200 в. между шарами в 6 мм, 10890 в. между шарами в 3,5 мм и 7240 в. между шариками в 1 мм.). Строение искры мало известно. По-видимому, всякая искра состоит из собственно искрового пути и окружающей его неправильно ограниченной цилиндрической светящейся в оболочки, состоящей, вероятно, из раскаленного воздуха; оболочка не составляет с искровым путем неразрывного целого, так как может быть сдута в сторону сильной струёй воздуха; температура оболочки выше температуры искрового пути; наивысшую температуру оболочка имеет, по-видимому, не в середине искры, а ближе к катоду. Искра обыкновенно не представляет собой одного явления, а последовательность целого ряда отдельных световых явлений; продолжительность её поэтому не может быть указана с точностью, тем более, что эта продолжительность сильно зависит, как показал опыт, от электрических условий цепи, в разрыве которой возникает искра; различными наблюдателями найдены продолжительности в десяти- и стотысячные доли секунды. Цвет искры зависит от металла электродов, и в спектре искры ясно видны линии, присущие металлам, из которых приготовлены электроды. На цвет искры влияет затем природа газа, в котором возникает искра; в воздухе искра имеет синеватый оттенок, в водороде красный, в углекислоте зеленоватый; возможно, что от газа зависит лишь окраска оболочки, окружающей искру. В искровой оболочке в момент проскакивания искры появляется значительный избыток давления, доходящий по опытам Гашека до нескольких десятков атмосфер. Сама искра производит давлением на электроды, между которыми проскакивает; давление на катод значительно больше, чем на анод. Электроды искры нагреваются; при коротких искрах нагревается сильнее анод (как в вольтовой дуге), при длинных — катод. Как явление искры, так и вытекающее из него явление вольтовой дуги (о нем см. Электрическое освещение) представляют в отношении свечения совокупность явлений люминесценции и температурного свечения. В искре вероятно преобладает люминесценция, в обыкновенной вольтовой дуге несомненно преобладает температурное свечение [4]. Чрезвычайное разнообразие и сложность представляют явления Э. в весьма разреженных газах. Представим себе, что мы имеем стеклянную трубку с двумя впаянными в стенки её электродами и что из этой трубки мы можем посредством воздушного насоса выкачивать воздух. Соединим электроды с электрической машиной или с индукционной катушкой так, чтобы между электродами начала проскакивать искра. Начнем выкачивать воздух из сосуда. Искра, с треском перескакивавшая ввиде резко очерченного зигзага с одного электрода на другой, начнет расширяться и бледнеть, мало-помалу превратится в спокойную белесовато-фиолетовую полосу, начинающуюся ярко светящейся точкой на аноде и расплывающуюся в широкое свечение у катода. Если мы уменьшим упругость газа ниже 75 мм ртутного столба, то расширившаяся световая полоса отделится от окруженного свечением катода и между ними окажется темное пространство (фиг. 2).
При дальнейшем разрежении свечение, окружающее катод, начинает от него отделяться и между катодом и его свечением образуется тонкий темный слой —темное катодное пространство. В то же время световой столб, исходящий из анода, но не доходящий до катода, начинает разбиваться на тонкие светлые поперечные слои — страты, разделенные более темными промежутками; это красивое явление носит название «наслоения» света или «стратификации» и начинает появляться при упругости в несколько мм ртутного столба; явление при таком разрежении изображено на фиг. 3. При дальнейшем разрежении страты делаются шире и бледнее, темное катодное пространство вырастает и катодное свечение все больше отстает от катода. В то же время из катода начинают исходить еле видные синеватые лучи, пронизывающе все внутреннее пространство трубки и ударяющие в стенки трубки, противолежащие катоду. Эти катодные лучи, появляющиеся при разрежениях довольно сильных и упругости газа ниже 0,1 мм ртутного столба, замечены были впервые Гитторфом (1869 г.), но удивительные свойства их изучены были впервые Круксом (1879 — 1880 гг.), почему вызываемые этими лучами явления часто называют явлениями Крукса. На фиг. 4 дано изображение трубки с разреженным газом в момент образования в ней катодных лучей; а — анод, k — катод, т — страты; вокруг катода катодное сияние bp, отделенное от катода темным катодным пространством, из катода исходит пучок катодных лучей l. Рассмотрим пока явления в разреженном газе при упругостях высших чем те, которые соответствуют появлению катодных лучей (Гейсслеровы трубки). Свечение газа в этих условиях есть несомненно явление люминесценции, так как непосредственные измерения температуры газа внутри сосудов показали, что температура газа никогда не превышает 100°. В неслоистом разряде (по опытам Вуда) температура анодного светового столба постоянна, затем уменьшается в темном пространстве за анодным столбом и вдоль катодного светового слоя, и затем снова быстро возрастает в темном катодном пространстве. В случае слоистого разряда температура в стратах выше, чем в темных промежутках между ними. Окраска свечения зависит от газа, наполняющего трубку. В воздухе анодный свет имеет красноватый оттенок, катодный — голубой; в водороде оба свечения красные, в углекислоте — белые. Если трубка наполнена смесью нескольких газов, то иногда замечается свечением газовой смеси внутри трубки в течение некоторого времени и по прекращении прохождения разряда; это «послесвечение» (Nachleuchten) особенно заметно в газах, к которым примешаны пары сернистой кислоты. Если мы будем питать трубку от постоянного источника тока, напр., от батареи из очень большого числа гальванических элементов, то можем убедиться, включив в цепь гальванометр, что прохождение тока через трубку с разреженным газом есть явление непрерывное. Если мы будем измерять разность потенциалов на электродах трубки и силу тока, проходящего по трубке, то убедимся, что между этими величинами нет постоянного соотношения, т. е. что прохождение электричества через разреженные газы не подчиняется закону Ома. Прохождение тока происходит так, как будто бы сопротивление газового столба не сохранялось постоянным, но уменьшалось с увеличением силы тока. Если при некоторой силе тока исследовать падение потенциала вдоль газового столба, то оказывается, что сопротивление различных частей газового столба неодинаково; наибольшее сопротивление представляет темное катодное пространство, а сопротивление катодного очень незначительно; значительно больше сопротивление анодного светового столба, особенно в светлых частях страт. Полное сопротивление газового столба уменьшается с уменьшением упругости газа, но лишь до некоторого критического давления (доли миллиметра ртутного столба); при дальнейшем разрежении сопротивление вновь возрастает. Когда в трубке достигнуто разрежение, при котором начинают получаться катодные лучи, то дальнейшее разрежение трубки приводит к постепенному исчезновению как анодного света, так и катодного сияния и к постепенному развитию слабо светящегося пучка катодных лучей; это наступает при упругости газа в несколько тысячных долей миллиметра. При таком сильном разрежении были исследованы замечательные, ниже перечисленные свойства катодных лучей: 1) катодные лучи излучаются катодом по направлениям, перпендикулярным к поверхности его и дальше распространяются по прямым линиям; направление катодных лучей вовсе не зависит от положения и формы анода в трубке. Если катод представляет пластинку, то лучи исходят из него цилиндрическим пучком, если он представляет вогнутую чашечку, то лучи выходят сходящимся пучком, пересекающимся в одной точке и вновь расходящимся за ней. 2) Ударяя в поверхность стекла трубки, катодные лучи вызывают яркую флюоресценцию (см.) стекла, цвет которой зависит от состава стекла; обычное стекло флюоресцирует яблочно-зеленым светом. Катодные лучи вызывают флюоресценцию и в других веществах, во многих минералах, в драгоценных камнях, в светящихся красках; фиг. 5 изображает трубку с кучкой неошлифованных рубинов, ярко светящихся кроваво-красным светом под влиянием удара катодных лучей.
3) Встречая препятствие на пути распространения, катодные лучи им задерживаются; это можно показать на трубке (фиг. 6), в которой на пути катодных лучей поставлен металлический крест — на ярко светящейся левой стенке трубки вырисовывается тень креста.
Прозрачными для катодных лучей являются лишь тончайшие листочки из алюминия. 4) Падая на препятствия, задерживающие их распространение, катодные лучи эти препятствия нагревают. Если сосредоточить пучок катодных лучей, выходящих из вогнутого катода, на тонкой платиновой пластинке, то эта пластинка может расплавиться под влиянием удара катодных лучей. 5) Падая на препятствия, катодные лучи производят давление на них. Если на пути катодных лучей пометить (фиг. 7) легкую слюдяную мельничку, то она придет во вращение и покатится по направлению от катода.
6). Пучок катодных лучей отклоняется от своего пути под влиянием магнита в том направлении, в котором отклонялся бы совпадающий с пучком гибкий проводник, по которому ток идет к катоду. Совокупность всех свойств катодных лучей привела Крукса (1879) к заключению, что катодные лучи представляют поток отрицательно заряженных материальных частиц, выбрасываемых из катода и несущихся с огромной скоростью. В этих частицах, по мнению Крукса, вещества являлись в форме особого четвертого состояния, значительно более тонкого, чем пар. Фосфоресценция и нагревание тел, давление лучей на тела являются следствием удара частиц в тела, отклонение лучей магнитом — следствием отрицательного заряда, несомого частицами, срывающимися с отрицательно заряженного катода. Когда после открытия лучей Рентгена (1895) вновь возник интерес к катодным лучам и они подверглись обстоятельному исследованию, гипотеза Крукса в общих чертах получила полное подтверждение. Опыты Перрена и Томсона показали, что катодные потоки действительно несут с собой отрицательные электрические заряды и что поэтому они могут быть отклоняемы не только магнитом, но и электрически заряженным телом, отталкивающим катодный поток, если оно заряжено отрицательно, и притягивающим поток, если оно заряжено положительно. Работы Дж. Дж. Томсона, его учеников и последователей дали возможность ближе исследовать природу частиц, из которых составляется катодный поток; оказалось, что заряд, несомый частицей потока, равен заряду, несомому каждым ионом в явлениях электролиза (см.), но массу частицы катодного потока необходимо принять ничтожно малой, даже в сравнении с массой наименьшего по массе атома водорода, а именно всего около одной двухтысячной доли его. Эти частицы называют электронами (см.); скорость движения их в катодном потоке оказалась огромной — всего лишь в 3 — 4 раза меньшей, чем скорость света. Дальнейшие исследования показали, что возникновение электронов возможно не только в условиях трубки Крукса, но и во множестве других случаев [5], так напр., всякое раскаленное тело, всякое тело, освещенное ультрафиолетовыми лучами, всякое радиоактивное вещество иссылает электроны, ничем по существу не отличающиеся от электронов катодного потока. Возникновение электронов необходимо по современным воззрениям представить себе так: каждый атом состоит из большой положительно заряженной массы и сцепленного о ней ничтожно малого по массе отрицательно заряженного электрона, имеющего, однако, тот же по абсолютной величине заряд, что и остальная масса. При известных условиях (в трубке Крукса, на поверхности раскаленного тела, в радиоактивном веществе) может произойти расщепление атомов и отделение электронов, которые, будучи свободными, начинаюсь двигаться под влиянием действующих на них электрических и магнитных сил. Остающиеся положительно заряженные атомы большой сравнительно массы могут образовать свои потоки, и такие потоки найдены были Гольдштейном в трубке Крукса (Kanalstrahlen); вследствие большей массы движущихся частиц скорость движения частиц в этих потоках значительно более медленна. Только что создавшееся учение об электронах уже неожиданно много дало науке; дальнейшую роль и значение его в науке даже приблизительно предугадать нельзя; подробнее о нем см. Электрон. См. также о лучах Рентгена, возникающих при о ударе катодных лучей в препятствия [6]
Литература. Сводку огромного количества фактов, обнимающих явления Э., можно найти в G. Wiedemann, «Die Lehre von der Elektricität» (т. IV, 1885) и в значительно дополненном, но бессистемном виде в О. Lehmann, «Die elektrischen Lichterscheir nungen oder Entladungen» (1898). Специально искре посвящена книжка В. К. Лебединского, «Учение об электрической искре» (СПб., 1901). Изложение явления Э. с точки зрения электронной теории можно найти в J. Stark, «Die Elektrizität in Gasen» (1902) и в особенности в J. J. Thomson, «Conduction of electricity through gases» (1903).
- ↑ Возможно, что всякое свечение газа представляет собой явление люминесценции и что температурное свечение газа (Эл. освещ. § 1) невозможно. Вопрос этот до сих пор является нерешенным.
- ↑ Этого можно ожидать от электронной теории (см.), которой уже удалось удовлетворительно объяснить ряд частных случаев разряда.
- ↑ При достаточной разности потенциалов можно получать искры огромной длины. Тесла и Троубридж получали искры длиною в несколько метров, а в молнии мы имеем дело с искрами может быть несколько километров длиной.
- ↑ Из других явлений, сопровождающих искру, следует упомянуть о том, что тихий разряд, искра, а также и некоторые формы разряда в разреженных газах, являются источником особого рода невидимых разрядных лучей (Entladungsstrahlen, открыты Е. Видеманом в 1895 г.). Некоторые вещества (смеси сернокислых солей металлов) обладают свойством начинать светиться под влиянием освещения, нагревания, но при температурах значительно более низких, чем температура каления. При продолжительном нагревании они теряют это свойство, но вновь приобретают его под влиянием разрядных лучей. Эти лучи сильно поглощаются твердыми телами и даже газами. Природа их неизвестна; возможно, что они представляют смесь Рентгеновых и крайних ультрафиолетовых лучей
- ↑ Этим объясняется, почему катодный поток в трубке Крукса возникает значительно легче (при меньшей разности потенциалов), если довести катод до каления
- ↑ Необыкновенной сложности и красоты явления, возникающие в воздухе и разреженных газах под действием переменных токов очень большого напряжения и чрезвычайно большого числа перемен, наблюдались H. Тесла и Э. Томсоном. Эти явления представляют, вероятно, лишь усложнения и видоизменения тех основных типов явления Э., которые описаны выше. Ввиду этого изложения в в статье «Э. » не дано; описание их можно найти в E. de Fodor, «Experimente mit Strömen hoher Wechselzahl» (1894).