Почему светятся светлячки? Где, как происходит это чудо появления частиц света, фотонов? Микроскопические волшебные гномики включат в клетках огоньки? Давайте сначала рассмотрим более общий вопрос, ответ на который физики нашли уже давно: «Где рождается свет?»
Представим себе атом и электроны в нём: спокойно вращаются на своих орбитах вокруг ядра, и тут, по каким-то причинам, один из них может перейти в возбужденное состояние. У него появляется очень много лишней энергии, он переходит на более высокую орбиту, в таком возбужденном состоянии электрон находится некоторое время, но потом он релаксирует, то есть переходит своё обычное состояние. При таком переходе он излучает излишек своей энергии в виде фотонов, то есть частица света.
Самое интересное, что фотон всегда возникает одинаково, а вот способов предварительно возбудить электрон очень много, и самое простое из них - это нагреть тело, чтобы атомы с огромной скоростью друг об друга. Именно это происходит в пламени свечи, в костре, в обычной лампочке. Действительно, если нагреть любое тело до высокой температуры, то оно будет светиться. Попробуйте нагреть гвоздь на плите, и он будет светиться красноватым цветом. Этому подвержены все тела, и мы никак не можем это контролировать.
Но, конечно же, светлячки не нагреваются до огромных температур, в них происходят биолюминесценция.
В этом процессе возбуждение электронов происходит за счёт внутренних реакций с выделением энергии. Обычно, эта энергия тратится на нагрев тела, но у светлячков её настолько много, что она идет на возбуждение электрона с последующим излучением фотона. Это реакции окисления люциферина регулируют поступление кислорода, светлячок может мигать и всячески управлять свечением. И в отличие от обычной лампочки, в которых большая часть энергии тратится на тепло и КПД 5-10%, светлячок переводит в световое излучение 90% всей энергии.
Конечно же, помимо светлячков существуют иные организмы, которые освоили биолюминесценции: грибы, медузы, глубоководные рыбы. И существует ещё очень много видов так называемой люминесценции, например, фотолюминесценция. В ней возбуждение электронов происходит под действием внешнего света, электроны поглощают энергию падающих фотонов и переходит в возбужденное состояние.
При этом, существуют вещества, в которых электронам запрещено переходить обратно в спокойное состояние законами квантовой физики. Однако они это всё-таки делают. Если такое вещество предварительно осветить ярким светом, то электроны быстро перепрыгнут в возбуждённое состояние и потом долго будут переходить обратно. С такими веществами мы знакомы - это любые фосфорные наклейки, палочки и так далее.
А есть вещества, в которых электроны релаксируют практически сразу после возбуждения, только поглощают они одно, а излучают другое. Например, поглощают невидимый ультрафиолет и излучают зелёное свечение. Именно поэтому флюоресцентная краска так ярко светится в ночном клубе.
Также, на этом основана все отбеливатели - они поглощают ультрафиолет и излучает в видимом диапазоне, поэтому бельё кажется намного светлее.
Кратко расскажу о других любопытных видах люминесценции.
Радиолюминесценция.
В ней электроны возбуждаются и излучают свет благодаря радиоактивному излучению. Такой прибор служит десятки лет, а защитное стекло полностью защищает от небольшой радиации.
Триболюминесценция.
Возникает при раскалывание и разрушении тел за счёт энергии деформации кристаллической решетки. Наблюдать это свечение можно при раскалывание кристаллов сахара, или песчинок в воздухе при взлёте вертолёта.
Сонолюминесценция.
Если обычную воду облучать ультразвуком, то в ней возникает области сжатия и разрежения. Разрежение может быть настолько сильно, что вода может разорваться, и в ней образуется микропузырёк с, практически, вакуум внутри. Через мгновение этот бедный пузырёк начинает сжиматься и схлопывается. В последний момент, перед тем, как исчезнуть, он испускает вспышку голубоватого света. Это возникает из-за моментального нагрева до 5000 Кельвинов. Однако, сонолюминесценция по-прежнему остается самым неизученным видом люминесценции.