Светящиеся в темноте игрушки, старомодные часы с люминесцентными стрелками, дорожная разметка, которую видно даже глубокой ночью — у этих предметов есть одна общая черта. Они умеют накапливать свет, а затем медленно отдавать его обратно, когда вокруг становится темно. Звучит почти магически, хотя за этим стоит вполне строгая физика. Давайте разберёмся, что же происходит внутри таких материалов, как человечество пришло от опасных радиевых красок к экологичным люминофорам и — что особенно волнует родителей — можно ли спокойно давать ребёнку светящуюся игрушку.
Чтобы понять природу свечения, приходится на минуту заглянуть в мир квантов — туда, где электроны ведут себя совсем не так, как привычные нам вещи. Каждый атом состоит из ядра и электронов, которые располагаются на определённых энергетических уровнях. Представьте этажи в доме: попасть на другой уровень можно только получив энергию — например, от света.
Когда электрон подпитывается энергией, он перепрыгивает на более высокий уровень, но долго там оставаться надолго там он не может. Природа не любит хаоса, и электрон вскоре возвращается обратно, сбрасывая лишнюю энергию. Иногда этот сброс происходит в виде фотона света — именно это мы и видим как свечение.
А дальше начинается самое интересное: в зависимости от того, как именно электрон приходит в себя, мы наблюдаем разные типы люминесценции — флуоресценцию и фосфоресценцию. Отличаются они всего одним крошечным моментом — временем возврата.
Флуоресценция действует почти мгновенно. Стоит выключить ультрафиолет — и отбеливатель в порошке, который заставляет белую футболку сиять, перестаёт светиться. Фосфоресценция же играет в долгую: электрон попадает в особое состояние, как будто задерживается на промежуточной ступеньке, и спускается с неё медленно. Иногда — часами. Благодаря этому звёздочки на обоях продолжают мерцать весь вечер после того, как вы выключили свет.
Секрет свечения современных игрушек — в люминофорах. Это кристаллы, в которые специально подмешивают атомы-активаторы. Именно они создают те самые ловушки для электронов, позволяя им задерживаться и затем постепенно отдавать свет. Первым популярным люминофором стал сульфид цинка, окрашенный медью. В 1930-х он был почти в каждом недорогом будильнике. Он светился недолго, максимум полчаса, и быстро гас. Но тогда это казалось чудом.
А в 1993 году случился настоящий прорыв: японская компания Nemoto представила алюминат стронция с активаторами европия и диспрозия. Он оказался в десять раз ярче старых материалов и мог светить почти всю ночь. Именно благодаря этому сегодня светящиеся наклейки, игрушки и аварийные знаки так ярко видны даже в полной темноте.
Есть и другой тип свечения — химический. Его легко узнать по светящимся палочкам, которыми дети размахивают на праздниках. Внутри палочки — две жидкости, разделённые стеклянной капсулой. Вы сгибаете палочку, капсула ломается, жидкости смешиваются, запускается реакция… и вот — яркое свечение. Причём цвет зависит от красителя, а длительность — от температуры. В горячей воде палочка вспыхнет ярко, но недолго. В холоде — тускло, но зато будет светить почти ночь. Именно поэтому такие палочки используют военные и спасатели — они работают при экстремальных температурах и не зависят от внешнего света.
Если подумать, мы только учимся тому, что уже давно умеют светлячки, грибы и глубоководные рыбы. Они производят свет почти без тепла — настолько эффективно, что лампы накаливания по сравнению с ними выглядят старой печкой. Реакция между люциферином и ферментом люциферазой настолько экономна, что биолюминесценция стала для живых существ универсальным инструментом: для охоты, защиты, общения и даже маскировки. Учёные уже создают растения, которые светятся благодаря генам грибов — кто знает, возможно, когда-нибудь они заменят уличные фонари.
Но путь к современным безопасным материалам был непрост. В начале XX века открытый Марией и Пьером Кюри радий казался чудом. Он светился сам по себе, без подзарядки, и это пленило людей. Его добавляли куда только можно — от зубной пасты до минеральной воды. Особой роскошью считались часы, стрелки которых сияли всю ночь. Однако радиевая краска имела страшную цену. На фабриках молодые женщины наносили её на циферблаты тонкими кисточками и, чтобы сделать кончик острее, облизывали его. Им говорили, что это безопасно. Некоторые даже наносили краску себе на зубы — для красоты.
Позже у многих начались разрушение костей, опухоли, анемия. Радий накапливался в костях и разрушал их изнутри. Судебные процессы «радиевых девушек» перевернули отношение к охране труда и безопасности материалов. Благодаря им сегодня существуют нормы радиационной безопасности.
После радия индустрия перешла на тритий — мягкий источник бета-излучения. Он безопасен, пока запаян в стеклянную трубочку. С такими источниками делали профессиональные часы и военные приборы. Они светятся сами по себе и не требуют зарядки, но и срок их жизни ограничен — примерно десятилетие.
С конца 1990-х ведущие производители используют алюминат стронция — нетоксичный, нерадиоактивный, безопасный. Его версии — Super-LumiNova, LumiBrite, Chromalight. Он почти вечен: не сгорает, не разлагается, просто со временем может чуть терять яркость от ультрафиолета. Но это процесс долгий: десятилетия. И что важно — этот материал официально разрешён для детских игрушек. Он не токсичен и не растворяется в организме.
Современные светящиеся игрушки проходят обязательную сертификацию. Маркировка ЕАС — знак того, что материал проверен и безопасен. В Европе действует стандарт EN 71, который тоже допускает алюминат стронция.
С химическими палочками всё иначе: внутри всё-таки химическая смесь. Она не смертельно опасна, но при контакте с кожей или глазами вызывает раздражение. Если палочка сломалась — промойте кожу водой. Глаза — большим количеством воды и при необходимости покажитесь врачу.
Отдельная история — антикварные вещи. Старые часы действительно могут содержать радий. Они опасны только если краска крошится и её можно вдохнуть. Если такие вещи есть дома, лучше проверить дозиметром и хранить их недоступно для детей.
Если выбираете игрушку — смотрите на маркировку. Не покупайте дешёвые ноунейм варианты, особенно на рынках. Хорошие производители указывают состав: ищите слова «aluminat strontium» или «strontium aluminate».
Хотите максимальной яркости? Заряжайте игрушку на солнце или под ультрафиолетовой лампой. Обычная лампа накаливания почти не даёт нужного диапазона. Если ребёнок вдруг откусил кусочек светящейся наклейки — не нужно паниковать. Современные материалы безопасны и не токсичны. Но, как и с любыми мелкими предметами, стоит следить, чтобы они не становились причиной удушья.
А если вы работаете с порошковыми люминофорами — надевайте маску. Не потому что это яд. Просто любая пыль раздражает дыхательные пути.
***
Журнал Hospital: военные медики.
Автор: Аркадий Штык.
Поддержите нас, подпишитесь на канал.
Спасибо за лайк!