Химическое действие света в физике — формулы и определение с примерами
Химические процессы, протекающие под действием видимого света и ультрафиолетовых лучей, называются фотохимическими реакциями. Химическое взаимодействие происходит, если энергия одного фотона не меньше энергии расщепления молекулы 
Свободные атомы водорода и брома после расщепления соединяются в молекулы:
Примерами фотохимических реакций являются: фотосинтез углеводов в растениях, распад бромистого серебра на светочувствительном слое фотопластинки, взаимодействие хлора с водородом на свету с образованием HCl.
Фотосинтез
Важнейшей для всего живущего на Земле является фотохимическая реакция образования органических веществ в зеленых листьях растений. Они дают нам пищу и кислород для дыхания. Этот процесс называется фотосинтезом, он происходит в листьях растений при поглощении света с помощью катализатора − хлорофилла. В результате фотосинтеза в недрах и на поверхности Земли накопились органические продукты в виде каменного угля, нефти, горючих газов, сланцев, торфа, а атмосфера обогатилась кислородом.
Фотография
Слово «фотография» происходит от греческого «фото» – свет, «графо» – рисую, пишу.
Фотоматериалы (пленка, пластинка, бумага) состоят из подложки, на которую наносят светочувствительный эмульсионный слой. Он содержит микроскопически малые светочувствительные кристаллы соли серебра, равномерно распределенные в желатине. Пленка подвергается действию света при фотосъемке. В эмульсионном слое под действием света образуются мельчайшие крупинки ионов, они представляют собой центры скрытого изображения:
Изображение на пленке проявляется с помощью восстановителя, который превращает ионы в чистое металлическое серебро:
На пленке появляется изображение. При фиксировании изображения в закрепителе из эмульсионного слоя в результате химических реакций вымываются остатки солей серебра.
Фотография находит все большее применение в науке, технике. Получены изображения Земли, Луны и других планет; изображения живой клетки и кристаллической решетки минералов. Высокоскоростная фотосъемка с частотой выше 10000 кадров в секунду широко применяется для изучения быстротекущих процессов, например, движение элементарных частиц в ускорителях (рис. 219). И, наоборот, автоматическая регистрация длительного процесса на фотопленку позволяет «сжать» информацию и наблюдать динамику медленно протекающих процессов, например, рост кристаллов.
Наряду с применением фотографии в науке и технике наиболее давнее и массовое распространение она получила как вид искусства (рис. 220).
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Влияние света на скорость реакций. Фотохимия
Свет можно рассматривать как своеобразный реагент, способный вызвать протекание необычных энергоемких реакций, идущих с разрывом прочных химических связей и образованием радикалов. Такие термодинамически невыгодные реакции не могут протекать самопроизвольно, но идут за счет энергии поглощаемых реагентами световых квантов и способны вызывать (индуцировать) протекание в той же системе других реакций, неосуществимых в отсутствие первой — фотохимической стадии. Химическими процессами, идущими под действием света, занимается фотохимия.
Фотохимические процессы широко распространены в природе, фотосинтез сложных органических соединений в растениях лежит в основе существования жизни на Земле. Фотохимия активно проникает в технику — достаточно вспомнить фотографию, серебряные и бессеребряные фотоматериалы. Фотохимическое преобразование солнечной энергии представляет собой одну из актуальных проблем, стоящих перед человечеством.
Важнейшей количественной кинетической характеристикой фотохимической реакции является ее квантовый выход.
• Квантовый выход реакции — это число прореагировавших или образовавшихся молекул на один поглощенный квант света в единицу времени.
Первые теоретические обобщения в области фотохимии были сделаны достаточно давно.
В 1818 г. Т. Гротгус сформулировал первый закон фотохимии.
Только поглощенный свет является фотохимически активным.
Отсюда, в частности, следует, что видимый свет способен вызывать фотохимические превращения только в окрашенных веществах, т.е. веществах, поглощающих свет в видимой части спектра. Так, важнейшие для жизни на Земле процессы фотосинтеза начинаются с поглощения солнечного света зеленым красителем хлорофиллом, содержащимся в растениях (если вещество окрашено в зеленый цвет, то это значит, что оно поглощает дополнительный к нему красный свет). Далее развивается весьма сложный процесс, включающий как фотохимические, так и темновые стадии. За счет энергии солнечного света идут чрезвычайно невыгодные термодинамически реакции синтеза сложных органических веществ из диоксида углерода и воды, например синтез глюкозы:
Именно участие световой энергии определяет возможность протекания этой сильно эндотермической реакции (Д#°98 = 2815 кДж), которая к тому же сопровождается большим понижением энтропии.
Второй закон фотохимии, сформулированный в 1912 г. А. Эйнштейном и И.-А. Штарком гласит следующее.
Одна молекула участвует в фотохимической реакции, поглощая один квант
Это означает, что в простых фотохимических реакциях, при которых поглотившая квант света возбужденная молекула реагента на следующей же стадии реагирует с образованием конечных продуктов, квантовый выход, определенный но расходованию этого реагента, должен быть не больше единицы.
Примерами фотохимических реакций с квантовым выходом (Ф), равным единице, могут служить реакции фотолиза (фоторазложения) паров ацетона 
Более распространены случаи, при которых квантовый выход процесса меньше единицы. Снижение квантового выхода может быть обусловлено двумя причинами. Первая — часть возбужденных молекул тратит свою энергию не на фотохимическую реакцию, а на другие, фотофизические процессы: дезактивацию при столкновении с другими молекулами, излучение света, в том числе флуоресценцию и фосфоресценцию. Вторая причина — заметное протекание обратной химической реакции, например рекомбинации радикалов. Скорость обратной реакции в растворе часто увеличивается за счет клеточного эффекта. Например, разложение этилиодида
идет в газовой фазе с квантовым выходом, равным единице. В растворе квантовый выход снижается до нескольких сотых за счет рекомбинации.
Квантовый выход фотореакции больше единицы свидетельствует об ее сложном характере. Например, газообразный иодоводород под действием света с длиной волны 207—282 нм разлагается на простые вещества по следующему механизму: 
Суммарное уравнение 
показывает, что на один поглощенный квант приходится две молекулы ио- доводорода, т.е. квантовый выход фотолиза равен двум.
Наконец, известен ряд фотопроцессов с очень высокими квантовыми выходами. Это возможно в случае цепной реакции, инициируемой светом. Например, смесь водорода с хлором, устойчивая в темноте, взрывается при освещении ее синим светом. При поглощении одного фотона молекулой хлора (напомним, что газообразный хлор окрашен в желтый цвет, т.е. поглощает дополнительный к нему синий свет) включается следующий цепной механизм:
Теоретически одного поглощенного кванта достаточно для превращения всей имеющейся смеси водорода и хлора в хлороводород, т.е. квантовый выход этой реакции стремится к бесконечности. В реальных условиях он может составлять величину порядка 10 6 из-за побочных процессов обрыва цепи за счет дезактивации радикалов на стенках сосуда или посторонних частицах и рекомбинации с образованием исходных молекул. Подобные цепные реакции в атмосфере Земли, инициируемые солнечным светом, имеют огромное экологическое значение (см. параграф 39.3).
Действия света
Химическое действие света — это изменение свойств веществ под действием света. Под действием света могут происходить химические превращения (фотохимические реакции). Важнейшими в живой природе являются процессы фотосинтеза. В жизни человека большую роль играет способность глаза воспринимать свет. Еще одно проявление химического воздействия света на вещество — это фотография.
На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.
Действия света
Под действием света из вещества могут вылетать электроны, в результате чего возникает электрический ток. Это — электрическое действие света. Его используют, например, в цифровых фотоаппаратах.
Фотоэффект
В 1887 г. немецкий учёный Герц открыл явление влияния света па электрический разряд. Изучая искровой разряд, Герц обнаружил, что если освещать отрицательный электрод ультрафиолетовыми лучами, то разряд наступает при меньшем напряжении на электродах.
Далее было обнаружено, что при освещении светом электрической дуги отрицательно заряженной металлической пластинки Z (рис. 325), соединённой с электроскопом, стрелка электроскопа опускается. Это свидетельствовало о том, что освещаемая электрической дугой металлическая пластинка теряет свой отрицательный заряд. Положительный заряд металлическая пластинка при освещении не теряет.
Потеря металлическими телами отрицательного электрического заряда при освещении их лучами света получила название фотоэлектрического эффекта или просто фотоэффекта.
В 1888 г. были начаты работы в области фотоэффекта знаменитым русским учёным А. Г. Столетовым.
Изучение фотоэффекта Столетов производил при помощи установки, схема которой изображена на рисунке 326, а, б.
Два небольших диска — сплошная цинковая пластинка К и тонкая сетка А —устанавливались вертикально друг против друга, образуя конденсатор. Пластинки конденсатора соединялись с полюсами источника тока, а затем освещались светом электрической дуги.
Свет свободно проникал через сетку и освещал поверхность сплошного цинкового диска.
Столетов установил, что если цинковая обкладка конденсатор а соединена с отрицательным полюсом источника напряжения (является катодом), то гальванометр g, включённый в цепь, показывает ток. Если же катодом является сетка, то ток отсутствует. Значит, освещённая цинковая пластинка испускает отрицательно заряженные частички, которые и обусловливают существование тока в промежутке между ней и сеткой.
Столетов брал для своих опытов диски из самых различных металлов: алюминиевые, медные, цинковые, серебряные, никелевые. Присоединяя их к отрицательному полюсу источника напряжения, он наблюдал, как под действием света от электрической дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток. Такой ток называется фототоком.
При увеличении напряжения между обкладками конденсатора К м А фототок увеличивался, достигая при некотором напряжении своего максимального значения, называемого фототоком насыщения.
Зависимость между фототоком и напряжением показана на рисунке 327; при некотором напряжении фототок достигает своего максимального значения. 
Исследуя зависимость фототока насыщения от величины светового потока, падающего на катодную пластинку, Столетов установил следующий закон:
величина фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на металлическую пластинку световому потоку.
Этот закон носит название закона Столетова.
В дальнейшем было установлено, что фототок представляет собой поток электронов, вырванных светом из металла.
Явление фотоэффекта, как мы увидим дальше, нашло широкое практическое применение.
Понятие о квантах
Согласно электромагнитной теории (§ 182), свет представляет собой электромагнитные волны. На волновые свойства света указывают такие явления, как интерференция и дифракция.
Однако целый ряд явлений, связанных с поглощением и излучением света веществом, не может быть объяснён на основе волновой теории. К числу таких явлений относится и фотоэффект.
Фотоэлектрический эффект, как уже указывалось, наблюдается при освещении любого металла. Но для каждого металла существует определённая длина световой волны, которая является так называемой «длинноволновой» границей фотоэлектрического эффекта. Свет, имеющий длину волны, большую граничной, не вызывает фотоэффекта, т. е. не вырывает ни одного электрона из данного металла. Так, например, если освещать цинковую пластинку лучами видимого света, то, какой бы величины ни был поток света, он не вырвет из цинка ни одного электрона. Но поток ультрафиолетовых лучей даже очень малой величины выбивает электроны из цинка.
Объяснить, почему при фотоэффекте свет с различной длиной волны по-разному действует на различные вещества, на основе волновой теории невозможно. Самым поразительным оказался тот факт, что энергия электрона, вырванного светом из металла, совершенно не зависит от величины светового потока, а зависит только от длины световой волны. Будем ли мы освещать металл очень сильным или слабым светом данной длины волны, вылетающий из него электрон будет иметь одну и ту же энергию, следовательно, одну и ту же скорость. При этом оказывается, что с уменьшением длины волны энергия электронов, а значит, и их скорость возрастают.
Объяснение всем этим явлениям даёт квантовая теория, возникшая в конце XIX в. Основателем квантовой теории является немецкий учёный Планк.
Согласно квантовой теории, свет испускается и поглощается атомами или молекулами вещества не непрерывным потоком, но отдельными порциями вполне определённой величины. Эти отдельные порции света были названы квантами света или фотонами2. Величина энергии фотона е зависит от частоты света:
где буквой 
обозначается частота колебаний в световой волне, а h — постоянная Планка:
Знаменитый учёный Эйнштейн, пользуясь представлением о фотонах, создал теорию фотоэффекта. Согласно этой теории, фотон, падая на металл, вырывает из него электрон. При этом энергия фотона 
расходуется на работу Р вырывания электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии 
, т. е.
Если для некоторой частоты 
окажется, что 
и явление фотоэффекта не будет иметь места.
Из сказанного следует, что для каждого вещества должна существовать своя особая частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Так, например, для цинка наименьшая частота, вызывающая фотоэффект, соответствует длине волны 370 ммк, для калия 450 ммк, для натрия 680 ммк и т. д.
Из формулы (1) видно, что кинетическая энергия вырванных электронов определяется лишь частотой падающего света; она не зависит от того, будет ли поток света большим или малым. Это как раз и соответствует тому, что наблюдается на опыте.
Теория световых квантов радикальным образом меняет существовавшие ранее взгляды на свойства света. Представление о свете, как только о волнах, недостаточно. Оно не отражает всех свойств света.
В таких явлениях, как фотоэффект, свет ведёт себя как поток особого рода частиц — фотонов; иначе говоря, обладает корпускулярными свойствами.
Таким образом, имея электромагнитную природу, свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
Фотоэлементы
Приборы, в основе устройства которых лежит явление фотоэффекта, называются фотоэлементами.
На рисунке 328 изображён внешний вид современного фотоэлемента и схема устройства фотоэлемента.
Светочувствительный слой — катод — покрывает почти всю внутреннюю поверхность стеклянного баллона, за исключением небольшого окошечка для доступа света. Анод же представляет собой проволочное кольцо, укреплённое внутри баллона. В баллоне — вакуум.
Если соединить кольцо с положительным полюсом батареи В, а светочувствительный слой металла через гальванометр G с отрицательным её полюсом, то при освещении слоя надлежащим источником света в цепи появится ток.
Можно батарею выключить совсем, но и тогда мы будем наблюдать ток, только очень слабый, так как только ничтожная часть вырываемых светом электронов будет попадать на проволочное кольцо — анод. Чтобы заставить все вырванные светом электроны попасть в анод, достаточно приложить между анодом и катодом напряжение порядка 80—100 в.
Фотоэлектрический эффект можно наблюдать, используя любой металл. Однако большинство из них, такие, как медь, железо, платина, вольфрам, чувствительны только к ультрафиолетовым лучам. Одни лишь щелочные металлы — калий, натрий и особенно цезий — чувствительны и к видимым лучам. Они-то и применяются для изготовления катодов фотоэлементов.
Основное техническое применение фотоэлементы находят в фототелеграфии (передача изображения на расстояние по проводам), в телевидении и в звуковом кино. Кроме того, фотоэлементы широко применяются в устройстве реле, имеющих назначение автоматически приводить в действие самые разнообразные механизмы. Такие реле носят название фотореле. Для примера рассмотрим применение фотоэлементов в качестве фотореле и в звуковом кино.
Фотореле
Фотореле называется прибор автоматического управления различными установками, использующий безинерционность фотоэффекта, т. е. способность фотоэлемента практически мгновенно реагировать на световое воздействие или его изменение. Представляя комбинацию фотоэлемента с электромагнитным реле, фотореле может иметь то или другое устройство в зависимости от типа фотоэлемента и от назначения самого фотореле.
Фотореле может работать либо при попадании света на элемент, либо при прекращении освещения фотоэлемента.
Необычайно разнообразны применения фотореле. Фотореле могут с успехом в нужное время включать и выключать уличные фонари в городах, свет маяков и бакенов, сортировать различные детали по цвету и форме, пускать в ход или останавливать электродвигатели и станки. На рисунке 329,а изображена установка для автоматического счёта изделий, движущихся на конвейере.
Узкий пучок лучей света от фонаря S (рис. 329, а) падает на фотоэлемент Ф; при этом счётный механизм С, подключённый к фотоэлементу, не работает. В момент, когда изделие А, движущееся по конвейеру, прерывает пучок света, фотореле «срабатывает» и счётный механизм отмечает прошедшую деталь.
Схема устройства фотореле изображена на рисунке 329, б. При освещении катода фотоэлемента светом возникает фототок и на участке с сопротивлением R, включённым между сеткой и нитью накала — катодом, создаётся напряжение. Сетка лампы L, приключённая к одному из концов этого участка, получает отрицательный потенциал относительно катода, так как в цепи фототока потенциал точки Д ниже потенциала точки С. Вследствие этого сетка препятствует электронам с катода попадать на анод. Лампа в таком положении «заперта». Когда же свет не попадает на фотоэлемент, лампа «открыта». В анодной цепи её, питаемой батареей 
, возникает ток. Этот ток намагничивает включённый в анодную цепь электромагнит М, который, притягивая якорь N, поворачивает на один зубец колесо Z счётного механизма.
На рисунке 330 изображён люксметр с фотоэлементом — прибор, измеряющий освещённость. В зависимости от освещённости в цепи фотоэлемента возникает различный ток, фиксируемый соединённым с фотоэлементом чувствительным гальванометром, показания которого проградуированы в люксах.
Запись и воспроизведение звука
Из всех разнообразных применений фотоэлемента в современной технике наиболее массовым является применение его в звуковом кино.
Существует несколько систем записи звука на плёнку. На рисунке 331 изображена упрощённая схема записи звука на плёнку по способу, разработанному профессором А. Ф. Шориным. Световые лучи от небольшой электрической лампочки S, пройдя через узкую щель К и специальный объектив О, падают в виде узенькой полоски на непрерывно движущуюся светочувствительную плёнку Р. На пути лучей установлен особый прибор, называемый модулятором света. Этот прибор использует колебания электрического тока для управления потоком света. Он представляет собой магнит, между полюсами которого натянута металлическая нить LL. Эта нить включена в электрическую цепь последовательно с микрофоном М. На микрофон воздействует звуковая волна.
Так как ток, проходящий через нить, изменяется в соответствии со звуковыми колебаниями, то нить колеблется между полюсами магнита в такт этим изменениям. При этом нить перекрывает путь свету то в большей, то в меньшей степени. В соответствии с этим и киноплёнка освещается то сильнее, то слабее.
Таким образом, на светочувствительном слое киноплёнки окажутся записанными малейшие изменения электрического тока, вызванные звуковыми колебаниями перед микрофоном.
«Звуковая дорожка», записанная по системе профессора Шорина, состоит из ряда поперечных непрозрачных штрихов различной длины (рис. 332).
Фотоэлемент в процессе записи звука на киноленту, как мы видим, не применяется.
Зато при воспроизведении звука с киноплёнки фотоэлемент совершенно необходим.
Схема воспроизведения звука в кино показана на рисунке 333. Постоянный по силе свет от лампы S собирается системой линз в узкий пучок, который падает на движущуюся киноленту. Проходя «звуковую дорожку» киноленты, световой поток меняется по величине в точном соответствии с колебаниями того светового потока, который действовал на плёнку при записи звука. В фотоэлементе А под действием этого светового потока возникает ток, который меняется в соответствии с изменением падающего на него света. Этот ток усиливается усилителем К и подаётся в громкоговоритель, установленный за экраном или рядом с ним.
В громкоговорителе колебания электрического тока обусловливают колебания механической системы, излучающей звук.
Люминесценция
Основными источниками света на Земле являются сильно накалённые тела. Такие источники света называются тепловыми. Но, кроме тепловых источников света, существуют источники холодного свечения, в которых световая энергия получается за счёт других видов энергии (например, химической).
Разнообразный круг явлений холодного свечения называется люминесценцией1. Разнообразны также и причины, возбуждающие люминесценцию.
Свечение насекомых (например, светляков), древесных гнилушек, гниющего мяса и т. д., издавна известное человеку, является примером холодного свечения. Здесь свечение возникает при химических процессах, главным образом при окислении.
Если положить на наковальню небольшое количество жёлтых кристаллов соли азотнокислого урана и ударить по ним молотком, то в темноте можно заметить, что кристаллы при ударе вспыхивают красивым зелёным светом. Причиной холодного свечения кристалла в этом случае является механическое возбуждение его. Разлетающиеся в стороны при ударе осколки кристаллов продолжают ещё некоторое время светиться, что является весьма характерным для явления люминесценции.
Возбудителем «холодного света» может быть и сам свет. Помещая, например, на пути ультрафиолетовых лучей растворы различных органических красителей (родамина, флуоресцеина, эскулина), получаем яркое свечение (оранжевое, зелёное, синее и т. д). Раствор флуоресцеина светится ярким зелёным светом и при освещении его пучком белых лучей света. Почти бесцветный слой керосина в стеклянной посуде сбоку виден как голубоватый; зеленоватый на просвет раствор хлорофилла при рассмотрении сбоку представляется красным.
На рисунке 334 изображена установка для наблюдения люминесценции растворов при освещении их лучами света: S — источник света, L — линза, Р — светофильтр, R — сосуд с исследуемым раствором.
Кристаллы азотнокислого урана и ряд других его соединений под действием света излучают яркий зелёный свет, точно такой же, какой они излучают при механическом возбуждении. Этот факт указывает на то, что во многих случаях характер люминесценции не зависит от способа её возбуждения. Но во всех случаях люминесценции, вызываемой освещением, люминесцентное излучение имеет другой спектральный состав, чем свет, которым производилось освещение.
Большое техническое применение получили в настоящее время особые неорганические составы, которые называются фосфорами. Они светятся как под действием света, так и под воздействием ионной и электронной бомбардировки в электрических газовых разрядах. Причём у фосфоров люминесценция длительно сохраняется и после прекращения действия возбудителя.
Сильно люминесцируют, например, кристаллы окиси цинка и двойной синеродистой соли платины и бария. Покрывая этими веществами листы картона, получают люминесцирующие экраны, применяемые, например, для наблюдения ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.
Электрические лампы холодного свечения
Световая отдача современных ламп накаливания очень мала; в них только 
3—4%’ энергии электрического тока превращается в световую энергию, остальная часть энергии тока идёт на нагревание. Электрическая лампа накаливания больше греет, чем светит. Значительно выгоднее в этом отношении лампы холодного свечения. В настоящее время разработаны разнообразные типы газосветных ламп. Эти лампы наполняются парами ртути или натрия. Для увеличения световой отдачи газосветных ламп и улучшения качества испускаемого ими света академик Вавилов предложил наносить на внутреннюю поверхность газосветной лампы люминесцирующие вещества (люминофоры, или светосоставы).
Люминофоры, поглощая свет одной спектральной области, дают свет, принадлежащий другой спектральной области. Особенно важное значение для светотехники имеют люминофоры, превращающие энергию падающих на них ультрафиолетовых лучей в энергию видимого света. Описанные выше лампы называются люминесцентными лампами.
Путём специального подбора люминофоров удалось построить лампы дневного света, т. е. лампы, дающие свет, по своему спектральному составу тождественный с дневным солнечным светом. На рисунке 335 изображена лампа дневного света.
В то время как лампы накаливания на каждый ватт мощности дают световые потоки от 7 до 20 люменов, люминесцентные лампы на каждый ватт дают световые потоки от 30 до 60 люменов.
Будущее, несомненно, за газосветными лампами, которые со временем вытеснят малоэкономичные лампы накаливания.
Химическое действие света
Под действием света могут происходить весьма разнообразные химические реакции.
В некоторых случаях поглощение света вызывает разложение вещества; так, например, при освещении паров брома молекула брома распадается на два атома; нередко наблюдаются происходящие под действием света процессы окисления.
Реакции, вызываемые светом, называются фотохимическими реакциями.
При фотохимических реакциях элементарный процесс сводится к поглощению молекулой вещества фотона падающего света и химическому превращению молекулы, поглотившей свет.
Наиболее активными лучами являются лучи с короткой длиной волны: синие, фиолетовые и ультрафиолетовые; это и понятно, так как фотонам этого света соответствует большая величина энергии.
Иногда свет служит как бы толчком к началу процесса, вызывая первую его стадию, а затем этот процесс развивается самостоятельно. Смесь водорода и хлора в стеклянном сосуде в темноте может оставаться без изменения произвольно долго. Но стоит только выставить сосуд на солнечный свет, как происходит немедленное соединение обоих газов в хлористый водород, сопровождаемое взрывом. Здесь свет вызывает реакцию, подобно тому как упавшая на динамит искра вызывает его взрыв.
Длительное химическое действие света мы наблюдаем при выцветании красок, которое состоит чаще всего в окислении красящего вещества. При этом краски обесцвечиваются только в течение того времени, пока они подвергаются воздействию света.
Фотохимические реакции могут состоять и в разложении сложного вещества на составные части. Наиболее важная из подобного рода реакций — это разложение углекислого газа, поглощённого зелёными частями растений под действием солнечного света, на углерод и кислород. Это явление было детально изучено великим русским учёным К. А. Тимирязевым.
В техническом отношении наиболее важными фотохимическими реакциями являются реакции, происходящие в фоточувствительном слое фотопластинки или плёнки.
Ещё в 1839 г. было замечено, что металлическая пластинка, покрытая йодистым серебром, под влиянием света химически изменяется. Если на неё подействовать парами ртути, то ртуть осаждается в тех местах, где на пластинку действовал свет, и оставляет неизменёнными те места, на которые свет не действовал. При растворении в гипосульфите йодистого серебра на освещённых местах зеркальной пластинки получается белая ртутная амальгама. При рассмотрении такой пластинки под определённым углом можно видеть изображение предмета.
В современной фотографии светочувствительные пластинки делают из стекла или из целлулоида, на которые наносят слой бромосеребряной эмульсии в желатине. По высыхании этой эмульсии она получает очень большую светочувствительность. Современные способы фотографирования допускают, например, производство моментальных снимков на освещённых улицах ночью.
Сухая бромосеребряная пластинка в темноте вставляется в фотоаппарат и при помощи объектива на ней получают изображение предмета.
Если мы вынем пластинку в тёмной комнате, освещённой слабым красным светом, мало действующим на бромистое серебро, то никакого видимого изменения на ней мы не заметим. Но если поместить пластинку в раствор проявителя (гидрохинона, метола и др.), то заметим, что освещенные ранее светом места на пластинке чернеют. Чем ярче была освещена та или иная часть пластинки, тем более глубокое потемнение получается на этих местах. Неосвещённые места пластинки остаются неизменёнными— на них остаётся светлое бромистое серебро. При проявлении мы получаем негатив: светлые места негатива соответствуют тёмным местам снимка, и наоборот (рис. 336). Чтобы это изображение под действием света не изменялось, проявленный снимок закрепляют: пластинку опускают в раствор гипосульфита, в котором не восстановленное проявителем бромистое серебро растворяется. Негатив промывают и сушат.
С этого негатива можно получить сколько угодно позитивов. Для этого под негатив кладут лист бумаги с таким же светочувствительным слоем серебра того или иного состава и освещают негатив. При проявлении получают негатив негатива — позитив, т. е. изображение, в котором светлые места снимаемого объекта получились светлыми и тёмные тёмными. Позитив, так же как и негатив, фиксируют, промывают и сушат. Позитивных процессов существует очень много. В некоторых из них получают при освещении негатива видимое изображение, не нуждающееся в дальнейшем проявлении.
Фотохимическая техника в настоящее время доведена до высокой степени совершенства. Можно получать снимки в натуральных цветах, можно фотографировать инфракрасными лучами в темноте.
Давление света
Наблюдая движение комет, учёные установили, что кометы движутся так, что хвосты их, состоящие из очень мелких частиц, всегда обращены от Солнца и увеличиваются по мере приближения кометы к Солнцу. Ещё Кеплер в 1619 г. пытался объяснить возникновение кометных хвостов давлением солнечных лучей.
Разработанная Максвеллом электромагнитная теория света утверждала, что световой поток, встречая поверхность какого-либо тела, должен производить на эту поверхность давление.
Многочисленные попытки подтвердить эти теоретические предсказания не увенчались успехом. Многие учёные просто не верили в возможность обнаружения светового давления. Однако русский физик П. Н. Лебедев преодолел все трудности и путём исключительно тонких и сложных опытов сумел обнаружить и измерить давление света сначала на твёрдые тела (в 1899 г.), а затем на газы (в 1909 г.).
Экспериментальное обнаружение давления света на газы подтвердило гипотезу Кеплера об отталкивании кометных хвостов солнечными лучами. После опытов Лебедева световое давление стали учитывать во всех теориях, касающихся космических процессов.
На рисунке 337 изображена схема установки, при помощи которой П. Н. Лебедеву удалось обнаружить и измерить световое давление на твёрдые тела.
Свет от электрической дуги B, проходя через целую систему линз и зеркал, падал на лёгкий диск R крутильных весов, подвешенных на тонкой нити в стеклянном баллоне, из которого был выкачан воздух. По величине поворота крутильных весов под действием светового пучка можно было судить о величине светового давления. Замечательно, что в этом опыте Лебедева световая энергия непосредственно превращается в механическую.
На рисунке 338 изображены различного вида измерительные устройства, которыми пользовался Лебедев в своих опытах.
При измерении светового давления на твёрдые тела Лебедеву пришлось преодолеть исключительные трудности. В чём состояли эти трудности?
Прежде всего при освещении небольших тонких дисков, подвешенных на тонкой нити, помимо сил светового давления, выступают так называемые радиометрические силы, которые в сотни тысяч раз превосходят по величине силы светового давления. Эти радиометрические силы обусловлены тем, что с освещённой стороны диск нагревается падающим светом, и поэтому обращённая к свету сторона диска теплее, чем та, которая остаётся в тени. Вследствие этого молекулы газа при попадании на диск будут отбрасываться молекулами нагретой стороны диска сильнее, чем противоположной, более холодной стороной. При отражении же молекулы газа от диска наблюдается явление «отдачи». Отдача будет сильнее на тёплой, освещённой стороне, чем на более холодной, неосвещенной. В результате ударов множества молекул получается равнодействующая отдача, направленная в ту же сторону, в которую направлено искомое давление света.
Лебедеву пришлось предварительно тщательно изучить действие радиометрических сил. Выяснилось, что эти силы убывают по мере разрежения газа и по мере того, как диски делаются всё тоньше и тоньше. Возникла сложная для того времени проблема получения высокого вакуума, которую Лебедев успешно разрешил. Таким образом было уменьшено действие радиометрических сил.
Кроме радиометрических сил, на диски действовали ещё конвекционные силы, в десятки тысяч раз превышающие силы светового давления. Возникновение конвекционных сил обусловлено следующим. При нагревании диска падающими на него лучами одновременно нагреваются и прилегающие к нему’ слои газа; при этом образуется разность температур между газом у освещённой стороны и у теневой, что приводит к образованию конвекционных потоков. С увеличением вакуума в приборе эти силы также убывают. Лебедев исключал при измерениях конвекционные силы, заставляя лучи света одного и того же источника попеременно падать на диск то с одной, то с другой стороны, что достигалось передвижением зеркала Z, изображённого на схеме рисунка 337.
Таким образом, Лебедеву удалось до минимума уменьшить посторонние силы.
Опыты Лебедева показали, что: 1) падающий пучок света производит давление как на поглощающие, так и на отражающие поверхности; 2) сила давления света прямо пропорциональна энергии падающего луча и не зависит от цвета.
Особенно важен тот факт, что Лебедев впервые показал, что свет, как и все тела природы, обладает массой.
Исследования Лебедева явились большим вкладом в решение глубочайшей научной проблемы — выявления природы света. Академик С. И. Вавилов указывал, что со времени открытия Лебедева «свет с полным основанием стал для физики одной из форм движущейся материи, и противопоставление света и материи навсегда исчезло в этом синтезе».
Услуги по физике:
Лекции по физике:
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.
Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.
Химическое действие света и его применение
Химическое действие света проявляется в том, что существует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света. Химические реакции, протекающие под действием света, называют фотохимическими.
Фотохимические реакции могут протекать либо по пути синтеза (образование под действием света из молекул исходных веществ более сложных молекул), либо по путиразложения (образование под действием света простых молекул из более сложных).
Фотохимические реакции часто сопровождаются вторичными химическими превращениями.
Установлено, что масса вещества, участвующего в ходе первичной фотохимической реакции, пропорциональна энергии светового излучения, поглощенного веществом.
Для каждой фотохимической реакции существует пороговая частота н, которую называют красной границей данной реакции. Свет с частотой н<н0 не может вызвать данную фотохимическую реакцию.
Закономерности фотохимических реакций объясняют на основе квантовой теории: атомы в молекулах удерживаются благодаря химическим связям. Если энергии, поглощенной молекулой фотона, хватает для разрыва химической связи (н?н0), то фотохимическая реакция происходит, если же н<н0, то реакция не происходит.
Многие фотохимические реакции играют большую роль в природе и технике.
Важнейшие фотохимические реакции происходят в зеленых листьях деревьев и травы, в иглах хвои и во многих микроорганизмах. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород. Происходит это, как установил русский биолог К. А. Тимирязев, в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Пристраивая к углеродной цепочке атомы других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молекулы белков, жиров и углеводов — пищу для человека и животных. Все это происходит за счет энергии солнечных лучей. Причем здесь особенно важна не только сама энергия, но и та форма, в которой она поступает. Итак, фотосинтез — это процесс образования углеводов под действием света с выделением кислорода в растениях и некоторых микроорганизмах.
Химическое действие света лежит и в основе фотографии. Чувствительный слой фотопластинки состоит из маленьких кристалликов бромида серебра (AgBr), вкрапленных в желатин. Попадание фотонов в кристаллик приводит к отрыву электронов от отдельных ионов брома. Эти электроны захватываются ионами серебра, и в кристаллике образуется небольшое количество нейтральных атомов серебра.
Распад молекулы происходит по схеме
AgBr+hн>Ag?+Br++e?,
где Ag* — энергетически возбужденный атом серебра. Вr + — положительный ион брома, e — — электрон. Под действием проявителя бром растворяется, а оставшиеся атомы серебра дают негативное изображение Далее негатив обрабатывается в закрепителе, который растворяет некореагированный бромид серебра.
Фотография получила широкое распространение в науке и технике. Современные достижения позволяют производить фотографирование не только при видимом свете, но и в темноте (в инфракрасных лучах). Фотографию применяют также для записи звука в кино.
Выцветание тканей на солнце и образование загара — тоже примеры химического действия света.