Вилен Барабой - Солнечный луч

• Название: Солнечный луч
• Автор: Вилен Барабой
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1976

В книге рассказывается о роли Солнца и солнечного света в возникновении и развитии жизни на Земле, в процессах фотосинтеза. Анализируются физическая природа и особенности действия на организм видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей; рассматривается влияние физических процессов, протекающих в недрах Солнца, на ритм разнообразных процессов в биосфере. Особое внимание автор уделяет изучению воздействия солнечных лучей на организм человека.

Утверждено к печати редколлегией серии научно-популярных изданий Академии наук СССР

---

При некоторых болезнях печени и желудочно-кишечного тракта из-за недостатка витаминов группы В иногда нарушается процесс образования гемоглобина, в организме накапливается известное количество фотосенсибилизатора гематопорфирина. Это заболевание называется порфирией. После пребывания на свету у больных эритроциты частично разрушаются. Но солнечные лучи не проникают в тело человека глубоко. Поэтому у людей, страдающих гематопорфирией, при освещении наибольшей пасности подвергаются клетки кожи: образуются плохо заживающие сильные ожоги, воспаления, язвы. Поскольку гематопорфирин поглощает главным образом лучи с длиной волны 3500—4200 А, т. е. фиолетовые и ближние ультрафиолетовые, то особенно опасен прямой солнечный свет, содержащий ультрафиолетовые лучи. Свет Солнца, прошедший через оконное стекло, так же, как и свет ламп накаливания, не опасен для больного.

По роду своих занятий человек соприкасается с тысячами красящих веществ, и многие из них он изготовляет своими руками. Не могут ли они вызвать одну из описанных выше реакций в организме, которые объединяются названием «фотодинамический эффект»? Такая опасность действительно существует. Если краситель длительное время всасывается через кожу, то при несоблюдении мер предосторожности под лучами Солнца на коже образуются долго незаживающие язвы, экземы, воспаления. Так действуют, например, применяемое в парфюмерии бергамотовое масло, которое добывают из кожуры цитрусовых, зеленое мыло, некоторые синтетические продукты. Из числа естественных красителей фотодинамическое действие оказывают растительные соединения — фурокумарины псорален, ангелицин, бергаптен, ксантотоксин и др.

Все канцерогенные вещества обладают свойствами фотосенсибилизаторов. Поэтому не исключено, что их способность поглощать и передавать лучистую энергию благоприятствует злокачественному перерождению клеток.

Некоторые болезни домашних животных вызываются попавшими в организм фотосенсибилизаторами растительного происхождения. Такова, например, болезнь овец, проявляющаяся в сильном возбуждении, беге, судорогах (в народе она называется вертячкой), когда растительный корм овец содержит фотосенсибилизатор гиперицин. В Южной Африке у больных овец появляются желтуха, отек кожи на голове. Виновником заболевания оказывается продукт частичного разрушения хлорофилла — филлоэритрин, образующийся в кишечнике овец. При нормальном состоянии он всасывается в кровь и затем выводится с желчью. Но если отток желчи нарушен, филлоэритрин, накапливаясь в организме, вызывает болезнь.

Таким образом, некоторые красители в результате фотодинамического эффекта могут оказывать вредные воздействия на организм. Но иногда с их помощью удается получить и полезный, даже лечебный эффект. Например, гематопорфирин в малом количестве, в виде препарата гемофирина, успешно применяется при пониженном кровяном давлении, угнетенном состоянии, депрессии, некоторых психических заболеваниях. Он повышает жизненный тонус, улучшает настроение, работоспособность.

Существует также кожное заболевание витилиго, при котором отдельные участки кожи лишены пигмента, не загорают и выделяются на фоне пигментированных участков. Длительная (в течение 1—2 месяцев) обработка этих участков растворами фурокумаринов и псоралена в ряде случаев дает хороший эффект, обеспечивает пигментацию кожи.

Фотосенсибилизация — это только один из типов фотохимических реакций, в которых участвуют молекулы красителей, поглотившие свет. Важнейшее значение ее состоит в том, что с помощью особых веществ — фотосенсибилизаторов — организм получает возможность утилизировать энергию фотонов видимого света, которая сама по себе слишком мала, чтобы вызвать значительный фотохимический эффект. «Посредническая» роль в этом процессе красителей-фотосенсибилизаторов, и в первую очередь хлорофилла, весьма велика.

Послесвечение и свечение

Одним из естественных путей отдачи энергии света, поглощенной красителями, является излучение. Возбужденный электрон скачком возвращается на свое место в атоме, а избыточная энергия высвечивается в виде кванта излучения. Вторичное излучение, называемое флуоресценцией,— одна из разновидностей послесвечения. Как ни мала длительность возбуждения электрона (10-7—10-9 сек), часть электронной энергии успевает за это время рассеяться в виде энергии вибрации молекул. Поэтому излученный квант обычно немного меньше поглощенного, а длина волны излучаемого света — несколько больше (правило Стокса).

При некоторых обстоятельствах длительность послесвечения составляет десятые доли секунды и даже целые секунды. Это явление было названо фосфоресценцией, так как оно казалось похожим на свечение фосфора. В действительности же фосфор светится по совершенно другим причинам. Что же касается фосфоресценции, то физическую природу этого явления раскрыл выдающийся советский физик С. И. Вавилов. Он обратил внимание на то, что фосфоресценция лучше выражена при низких температурах или в жестких, стеклообразных средах, т. е. в условиях, когда подвижность молекул ограничена. Чтобы понять природу процесса фосфоресценции, рассмотрим более подробно схему возбужденного состояния атома.

Когда электрон возвращается с высокого энергетического уровня на исходный, иногда происходит «заминка». Если до разрядки электрон успевает растратить значительную часть своей энергии, он оказывается на промежуточном уровне. Вернуться на исходную, основную орбиту электрон теперь не может. Чтобы выбраться из «ямы», электрон должен приобрести растерянную им часть энергии, подняться на уровень возбуждения, а затем скачком вернуться в исходное состояние. Такой сложный путь требует времени для выполнения, поэтому метастабильное возбужденное состояние сохраняется значительно дольше обычного. При высокой температуре раствора недостающая для разрядки метастабильного состояния энергия может быть легко получена за счет теплового движения молекул. Но при низкой температуре или стеклообразном состоянии раствора разрядка затруднена, поэтому метастабильное состояние и фосфоресценция сохраняются особенно долго.

Рассмотренные нами виды послесвечения имеют различную физическую природу, но внешне сходны. В отличие от рассмотренного в одном из предыдущих разделов этой главы температурного свечения, спектральный состав которого зависит от температуры источника и с ростом ее изменяется в соответствии с законом Вина, флуоресценция и фосфоресценция должны быть отнесены к холодному свечению, или люминесценции [Люминесценция (от греческого «люмен» — свет) — это всякого рода надбавка над температурным свечением источника.], и носят общее название фотолюминесценции, ибо причиной их возникновения является поток фотонов — свет.

Фотолюминесценция широко используется на практике. Улицы наших городов, многие общественные здания и учреждения освещаются лампами дневного света, работающими по принципу фотолюминесценции. Находящиеся в электрическом поле пары ртути испускают главным образом ультрафиолетовые лучи. Если на внутреннюю поверхность стеклянной трубки предварительно нанесен слой люминофора — вещества, превращающего кванты ультрафиолета в меньшие по величине фотоны видимого света в соответствии с правилом Стокса, такая лампа при одинаковой мощности потребляемого тока дает в 3—4 раза больше света, чем обычная лампа накаливания. Путем подбора люминофоров ученые добиваются приближения спектра излучения люминесцентных ламп к спектральному составу дневного света.

В нашей стране выпускают в настоящее время люминесцентные лампы четырех типов: дневного света (ДС), холодно-белого света (ХБС), белого (БС) и тепло-белого света (ТБС). Во всех лампах возбуждает люминесценцию резонансная линия паров ртути с длиной волны 2537 А. Стеклянная трубка лампы изнутри покрывается тонким слоем люминофора — галофосфата кальция, активированного сурьмой или марганцем. Изменяя соотношение компонентов, получают 4 названных типа ламп. Излучение ламп дневного света голубовато-белое, соответствует тепловому излучению источника с температурой 6500°С; свет ламп холодно-белого света — 4200°С, белого — 3500°С, тепло-белого (белого с розовато-оранжевым оттенком) — 2700°С. Сейчас более половины светового потока, создаваемого искусственными источниками света, производится люминесцентными лампами. Наряду с высокой экономичностью им присущи малая яркость и слепимость, а также другие ценные качества. Один из недостатков — так называемый стробоскопический эффект — обусловлен тем, что свечение люминесцентных ламп — это по существу ряд вспышек, следующих друг за другом каждую сотую долю секунды, т. е. соответствующих половине периода переменного тока, питающего лампу. При малейшем падении напряжения (а они неизбежны при питании переменным током) лампа гаснет. Спираль лампы накаливания за сотую долю секунды не успевает остыть, а свечение люминесцентной лампы успевает исчезнуть и вновь зажечься. Поэтому движущиеся предметы в свете таких ламп мы видим не плавно перемещающимися, а мелькающими. Устраняют эффект соединением нескольких ламп в одном светильнике.