Квантовая теория

                                 ВВЕДЕНИЕ

 

Квантовым законам подчиняется  поведение всех микрочастиц. Но впервые  квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения  и поглощения света.

 

Поглощается и излучается электромагнитная энергия отдельными порциями.

Это подтверждается явлением фотоэффекта (вырывание электронов из вещества под действием света). При излучении и поглощении свет обнаруживает корпускулярные свойства, в процессе распространения - волновые свойства.

Впоследствии было установлено  существование корпускулярно-волнового  дуализма у всех элементарных частиц. Сама же световая частица была названа  квантом света или фотоном.

 

Свет оказывает давление на препятствия, хотя и очень малое. Оно впервые было обнаружено и  измерено русским физиком П.Н.Лебедевым.

 

Под действием света происходят также многие химические реакции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХИМИЧЕСКОЕ  ДЕЙСТВИЕ СВЕТА

 

Любое превращение молекул  есть химический процесс. Химические процессы, протекающие под действием видимого света и ультрафиолетовых лучей, называются фотохимическими реакциями. Световой энергии достаточно для  расщепления многих молекул. В этом проявляется химическое действие света.

К фотохимическим реакциям относятся: фотосинтез углеводов в растениях, распад бромистого серебра на светочувствительном  слое фотопластинки, взаимодействие хлора  с водородом на свету с образованием HCl и многое другое. Выцветание тканей на солнце и образование загара ( потемнение кожи человека под воздействием ультрафиолетовых лучей) – это тоже примеры химического действия света.

                                                                  Процесс фотосинтеза

Важнейшие химические реакции  под действием света и солнца происходят во многих микроорганизмах, траве, зеленых листьях деревьев и растений , дающих нам пищу и кислород для дыхания. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород. Происходит это в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Этот процесс называется фотосинтезом. Хлорофилл – зеленый пигмент, сосредоточенный в хлоропластах и находящийся в непрочном состоянии с белковыми веществами. Наличие хлорофилла является необходимым условием фотосинтеза, т.е. создания органического вещества из углекислоты и воды при участии солнечного света. Эти богатые энергией органические вещества служат пищей для всех других организмов и обеспечивают существование на Земле всего органического мира. В результате фотосинтетической деятельности растений в прошлые геологические эпохи в недрах и на поверхности Земли накопились громадные запасы восстановленного углерода и органических продуктов в виде каменного угля, нефти, горючих газов, сланцев, торфа, а атмосфера обогатилась кислородом. Фотосинтез может протекать только под действием света определенного спектрального состава.                                            В изучении строения и значения хлорофилла видное место занимают работы великого русского ученого К.А.Тимирязева. Механизм фотосинтеза еще не выяснен до конца.

 

ФОТОГРАФИЯ

Химическое действие света  лежит в основе фотографии. Слово    «фотография» происходит от греческого «фото» – свет, «графо» – рисую, пишу.

Фотография – рисование  светом, светопись – была открыта  не сразу и не одним человеком. В это изобретение вложен труд ученых многих поколений разных стран  мира. Люди давно стремились найти  способ получения изображений, который  не требовал бы долгого и утомительного  труда художника. Некоторые предпосылки  для этого существовали уже в отдаленные времена.

 

 

С незапамятных времен, например, было замечено, что луч солнца, проникая сквозь небольшое отверстие в  темное помещение, оставляет на плоскости  световой рисунок предметов внешнего мира. Предметы изображаются в точных пропорциях и цветах, но в уменьшенных, по сравнению с натурой, размерах и в перевернутом виде. Это свойство темной комнаты (или камеры- обскуры) было известно еще древнегреческому мыслителю Аристотелю, жившему в                                            IV веке до нашей эры. Принцип работы камеры-обскуры описал в своих трудах выдающийся итальянский ученый и художник эпохи Возрождения Леонардо да  Винчи.

Пришло время, когда камерой-обскурой стали называть ящик с двояковыпуклой линзой в передней стенке и полупрозрачной бумагой или матовым стеклом  в задней стенке. Такой прибор надежно  служил для механической зарисовки  предметов внешнего мира. Перевернутое изображение достаточно было с помощью  зеркала поставить прямо и  обвести карандашом на листе бумаги.

В середине XVIII века в России, например, имела распространение  камера- обскура, носившая название «махина для снимания першпектив», сделанная в виде походной палатки. С ее помощью были документально запечатлены виды  Петербурга, Петергофа, Кронштадта и других русских городов. Это была   «фотография до фотографии». Труд рисовальщика был упрощен. Но люди думали над тем, чтобы полностью механизировать процесс рисования, научиться не только фокусировать «световой рисунок» в камере-обскуре, но и надежно закреплять его на плоскости химическим путем.  Однако, если в оптике предпосылки для изобретения светописи сложились много веков назад, то в химии они стали возможными только в XVIII веке, когда химия как наука достигла достаточного развития.

 

Основной закон фотохимии

Одним из наиболее важных вкладов  в создание реальных условий для  изобретения способа превращения  оптического изображения в химический процесс в светочувствительном слое послужило открытие молодого русского химика-любителя, впоследствии известного государственного деятеля и дипломата, А.П.Бестужева-Рюмина и немецкого анатома и хирурга И.Г.Шульце.

Занимаясь в 1725 г. составлением жидких лечебных смесей, Бестужев-Рюмин обнаружил, что под воздействием солнечного света растворы солей железа изменяют цвет. Через два года Шульце также представил доказательства чувствительности к свету солей брома.

На несомненную связь  фотохимического превращения в  веществах с поглощением света  впервые указал в 1818 г. русский ученый Х.И.Гротгус. Он установил влияние температуры на поглощение и излучение света, причем доказал, что понижение температуры увеличивает поглощение, а повышение температуры увеличивает излучение света. В своих сообщениях Гротгус четко сформулировал мысль о том, что только те лучи могут химически действовать на вещество, которые этим веществом поглощаются. Это положение со временем, уже после открытия фотографии, стало первым, основным законом фотохимии.Независимо от Гротгуса ту же особенность установили в 1842 г. английский ученый Д.Гершель и в 1843 г. американский профессор химии

Д.Дрейпер. Поэтому историки науки основной закон фотохимии называют ныне законом Гротгуса – Гершеля – Дрейпера.

Для понимания и удовлетворительного  объяснения этого закона важную роль в дальнейшем сыграла теория Планка, согласно которой излучение света  происходит прерывисто определенными  и неделимыми порциями энергии, называемыми  квантами.

 

 

                                              ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ФОТОБУМАГИ

Луи Бланкар-Эврар (Франция) изобрел и применил непроявляемую альбуминную фотобумагу еще в 1850 г., она использовалась в качестве типовой до конца XIX века. Громоздкий фотоувеличитель, названный солнечной камерой, был изобретен в 1857 г. американцем Д.Вудвордом. С появлением дуговых ламп фотопечатание можно было выполнять в темной комнате, но оставалась нерешенной проблема прочности фотобумаги. В 1874 г. П.Маудслей в

Англии сообщил о создании желатиновой фотобумаги, содержащей бромид серебра, и в 1879 г. Дж.Сван организовал промышленное производство этой фотобумаги. Желатина стала основой всех фотобумаг с проявлением, которые заменили альбуминную фотобумагу, и до сих пор используется в промышленном производстве.

 

СТРОЕНИЕ ЧЕРНО-БЕЛЫХ ФОТОМАТЕРИАЛОВ

 

Фотоматериалы (пленки, пластинки, бумаги, ткани) состоят из подложки  (основы), на которую наносят подслой, светочувствительный эмульсионный и противоореольный слои.

Эмульсионный слой содержит микроскопически малые светочувствительные  кристаллы – галогенид серебра, - равномерно распределенные в желатине и создающие оптические плотности – почернения.  Желатина – прозрачное клеящее вещество белкового происхождения, которое связывает кристаллы галогенида и крепит их к подложке.      Подслой в фотопленках и фотопластинках служит для удержания эмульсионного слоя на подложке, в фотобумагах – для предохранения проникновения эмульсии в пористую структуру бумаги.  Противоореольный слой предназначен для поглощения лучей, прошедших через пленку и создающих при отражении от внутренней поверхности подложки ореолы. Краситель противоореольного слоя поглощает лучи тех цветов, к которым материал наиболее чувствителен. Эмульсионный слой также подвергается противоореольной прокраске. Противоореольные красители разрушаются и выводятся при обработке. Они придают фотоматериалам легкую окраску различного тона.

 

 

 

 

СТРОЕНИЕ ЦВЕТНЫХ ФОТОМАТЕРИАЛОВ

 

Цветные фотоматериалы содержат три основных светочувствительных  слоя.

Цветная негативная пленка предназначена  для получения цветного негативного  изображения. Она состоит из следующих  слоев:

Первый слой – синечувствительный – заключает в себе компоненту, дающую в процессе цветного проявления желтый краситель. Излучения зеленой и красной зон спектра не воздействуют на этой слой.

За первым слоем расположен фильтровый желтый подслой. Он нейтрализует действие активной синей зоны спектра  на нижние светочувствительные слои.

Второй слой – зеленочувствительный – содержит компоненту, дающую пурпурный  краситель.

Третий слой – красночувствительный – содержит компоненту, дающую голубой  краситель.

Зеленый противоореольный слой нанесен на обратную сторону подложки. Он поглощает весь дошедший до нее  красный цвет, исключая возможность  ореолов.

 

Светочувствительность

Светочувствительность –  свойство фотослоя к химическому  изменению под воздействием света  с образованием скрытого изображения, которое после проявления (усиления) превращается в видимое.   Под критерием светочувствительности понимают величину, обратную количеству освещения, необходимого для получения почернения фотослоя, превышающего на определенную величину плотность вуали.  Изучением свойств светочувствительных материалов занимается особая область науки – сенситометрия (фотографическая метрология). В разных странах в соответствии с принятыми там сенситометрическими системами и стандартами светочувствительность фотопленок определяется по-разному.

Цветочувствительность

Фотографические материалы  неодинаково реагируют на лучи различных  зон спектра. По виду цветочувствительности  они делятся на несенсибилизированные, ортохроматические, изопанхроматические и инфрахроматические.

 

 

 

 

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФОТОГРАФИЧЕСКОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ

 

Технология получения  фотографического изображения складывается из этапов, каждый из которых определяет качество будущего изображения. Первый этап – фотографическая съемка. На этом этапе получают сначала оптическое и скрытое фотографическое изображение. Умелое выполнение работ на этом этапе прежде всего предопределяет художественно-эстетические достоинства снимка.

Второй этап – негативный процесс. В результате ряда операций химико- фотографической обработки на этом этапе получают негативное видимое изображение, в котором место светлых участков занимают темные и наоборот.

Позитивное изображение, т.е. собственно фотографический снимок, получают на этапе позитивного процесса. На позитиве уже правильно передается распределение светлых и темных тонов.

Существуют и другие технологические  схемы получения фотографического изображения, но описанная схема  применяется наиболее широко.

 

ФОТОХИМИЧЕСКИЕ РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ

 

Фотографический процесс  – это фотохимический процесс. Зерна  галогенидов серебра, состоящие  из упорядоченно расположенных атомов серебра и галогена (напр., хлора), при экспозиции на свету разрушаются  под действием нескольких фотонов. Падающий фотон разрывает связь  между атомами серебра и хлора  в молекуле, и в результате освобожденный  атом серебра соединяется с другими  атомами серебра на поверхности  зерна. Образовавшееся крошечное пятнышко серебра является носителем информации о том, что свет экспонировал эту  часть пленки. Изображение не будет  видимым, даже если его рассматривать  на свету.

На стадии проявления экспонированные  зерна галогенида серебра превращаются в зерна серебра, а с теми зернами, которые не подвергались воздействию  света, такого превращения не происходит. В результате создается видимое  негативное изображение. Так как  неэкспонированные зерна галогенида серебра все еще светочувствительны, необходимо их или удалить, или превратить в любое соединение, нечувствительное к свету. В обычном процессе фиксирования неэкспонированный галогенид серебра  удаляется.

Стадия проявления представляет собой процесс значительного  усиления, которое уникально среди  многих фотохимических процессов. Только фотохимический процесс в глазу характеризуется большим усилением в стадии проявления.

Один из давно известных  фотохимических процессов – светокопирование – часто используется для размножения  чертежей. Это процесс, в котором  соли трехвалентного железа превращаются в соли двухвалентного железа под  воздействием электромагнитного излучения. В одной из разновидностей этого процесса бумага покрывается железоаммониевой солью лимонной кислоты и калиевой солью железосинеродистой кислоты. Затем бумага экспонируется на очень ярком свету, проходящем сквозь чертеж на кальке, до тех пор, пока не образуется слабое изображение. Там, где свет попадает на бумагу, соединения трехвалентного железа переходят в соединения двухвалентного железа. При погружении бумаги в воду для проявления соединения трехвалентного железа превращаются в синеокрашенное цианидное соединение, образуя негативное изображение. В этом процессе не требуется фиксирования, хотя изображение не особенно стабильно в течение длительного времени. С помощью такого процесса при использовании других химических соединений может быть получен позитив.