История открытия и использования люминесценции

Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии — впервые была описана в XVII веке. Слово происходит от латинского lumen (в родительном падеже luminis) – свет, с добавлением суффикса -escens, который означает процесс или состояние, от -ēscō — становиться. Но и до того, как его научились объяснять, мы наблюдали это явление: северное сияние, свечение светлячков, свечение морской воды за счёт проживающего в ней планктона. 

Фосфор, название которого переводится с греческого как «несущий свет», обладает люминесценцией, которая проявляется в результате его окисления. Открыл элемент в 1669 году, в результате выпаривания мочи, гамбургский алхимик Хеннинг Брандт. Здорово про белый фосфор на морде ужасной собаки Баскервилей, которая среди ночи пугала посетителей болот, написал Артур Конан-Дойл. Здорово, да не точно: собака, измазанная белым фосфором, не протянула бы долго: мало того, что он просто ядовит, так еще и светится за счет того, что фактически горит! Это один из примеров хемилюминесценции, то есть люминесценции, происходящей за счет энергии, выделяющейся в результате химической реакции.

Фосфоресценция и флуоресценция являются наиболее изученными типами люминесценции. Фосфоресцирующее вещество, в отличие от флуоресцентного, излучает поглощенную энергию спустя некоторое время.

В 1877 году с помощью флуоресцина гидрологи доказали, что подземные каналы соединяют Дунай и Рейн. Тогда краситель залили в воды Дуная, и через несколько часов свечение было зафиксировано в притоке Рейна. За десять лет до этого Рафаэль Дюбуа исследовал механизм люминесценции светлячков и двустворчатых моллюсков и положил начало дальнейшему изучению биолюминесценции.

До появления люминесцентных ламп в уличном освещении, до появления ламп дневного света в офисах, инженерами и учеными был пройден длинный путь от изобретения вакуумной трубки, через эксперименты со свечением инертных газов под высоким напряжением, до разработки цельной технологии с надежным и качественным флуоресцентным покрытием светящихся трубок и подходящей схемой питания люминесцентных ламп.

Первая газоразрядная лампа, в виде экспериментальной установки, увидит свет в 1856 году, и это будет трубка Гейслера: немецкий стеклодув Генрих Гейслер, благодаря вакуумному насосу собственной разработки, откачал воздух из стеклянной колбы. При помощи высоковольтной катушки Гейслеру удалось возбудить в вакуумированной колбе зеленоватое свечение. Заполненная газом колба меняла оттенок свечения под действием высоковольтных токов. 

Французский физик Александр Эдмон Беккерель, экспериментируя в 1859 году с трубками Гейслера, первым предложит покрыть внутреннюю поверхность трубок люминесцирующими веществами. Интерес Беккереля был чисто научным, и создавать источники света он не собирался, но благодаря обширному предварительному опыту исследований в области солнечного и искусственного света, именно этот учёный задаст направление, по которому дальше будет развиваться технология люминесцентного освещения. Идея применения люминофора стала важным технологическим шагом.

В мае 1891 года Никола Тесла провёл в Колумбийском университете яркую демонстрацию с трубками Гейслера, где показал свечение вакуумированных трубок в электрическом поле высокочастотной катушки. Изобретатель отметил зависимость характера свечения от внутреннего покрытия трубок: например, иттрий в качестве внутреннего фосфоресцирующего покрытия трубок давал яркий белый свет, интенсивности которого было достаточно для чтения. Тесла мог разместить трубку без электродов в любом месте комнаты, и она светилась только благодаря индукции. 23 июня 1891 года, Тесла получит патент на систему искусственного освещения газоразрядными аргоновыми лампами, питаемыми токами высокого напряжения и высокой частоты.

Томас Эдисон также предпринял попытку практически развить применяемость трубки Гейслера, и в 1896 году он разработал покрытие из вольфрамата кальция для рентгеновских трубок. В 1907 году, изобретение будет запатентовано как люминесцентная лампа. Однако для освещения лампа Эдисона не годилась, в итоге он остановился на продвижении своих ламп накаливания, с которыми он уже тогда добился определенного коммерческого успеха. 

В 1901 году американский инженер-электрик и изобретатель Питер Купер Хьюитт продемонстрировал первую ртутную лампу. Пары ртути давали мягкий сине-зеленый свет, а эффективность превосходила лампочку Эдисона. Тем не менее, сине-зеленый свет не подошел для повсеместного внедрения ламп Хьюитта для искусственного освещения. Хотя, позже, с 1930 года, именно лампы системы Хьюитта будут всюду на фонарных столбах.

С 1920-х годов советский физик Сергей Вавилов также начал исследовать люминесценцию и работать над созданием люминесцентных ламп. 

В 1926 году немецкий изобретатель Эдмунд Гермер вместе с коллегами, занимаясь поисками эффективного искусственного источника ультрафиолетового излучения, обнаружил, что, увеличив давление внутри колбы, покрытой флуоресцентным порошком, можно получить ровный белый свет, гораздо более яркий, и потому более пригодный для искусственного освещения, чем давали лампы накаливания. В 1934 году компания General Electric выкупит патент Гермера, и именно этот учёный войдёт в историю как «отец» современных флюоресцентных ламп.

Сообщения о 35 люменах на ватт, достигнутых лабораторией General Electric к августу 1934 года, перевернут мир искусственного освещения, и уже в декабре начнётся производство ламп в США. К 1938 году 48-дюймовые трубчатые лампы дневного света на 40 ватт можно будет увидеть в каждом офисе. Конечно, сейчас мы уже имеем сверхэффективные светодиоды, которые не содержат ртуть и при этом световая отдача достигает 150 люмен на ватт. Так что конец эры люминесцентного освещения не за горами.