Если любое вещество хорошо нагреть, оно начинает светиться: раскаленный докрасна металл, вольфрамовая нить в лампе накаливания, звезды, огонь. Но некоторые вещества светятся даже при комнатной температуре. Процесс нетеплового излучения называют люминесценцией.

Свет — это энергия, и она не может рождаться сама по себе. Значит, чтобы начать светиться, надо эту энергию откуда-то достать и запасти. Чтобы вещество излучало свет, надо чтобы электрон в его атоме уменьшил свою энергию, то есть перешел на более низкий энергетический уровень, а избыток энергии отдал в виде частицы света — фотона. Но для этого необходимо, чтобы электрон до излучения фотона обладал энергией. Откуда ее взять?

Во первых, есть внутренняя (тепловая) энергия вещества, поэтому при большой температуре (более 700 градусов Цельсия) электрон может обладать достаточной энергией, чтобы излучить фотон в видимом диапазоне. При комнатной температуре вещества могут излучать лишь слабоэнергетичные инфракрасные фотоны, которых не видно. Чтобы засветиться без нагрева, надо сообщить электрону энергию каким-то другим способом.

Некоторые вещества умеют запасать энергию света и потом долго ее расходуют. Это происходит так. Сначала электрон поглощает фотон и переходит на определенный энергетический уровень. Там он может сидеть довольно долго, несколько часов, и в произвольный момент соскочить вниз, излучив фотон. Электронов много, так что почти в любой момент времени какой-то из них излучает фотон, и вещество светится непрерывно и постепенно гаснет с уменьшением числа возбужденных электронов. Так работают желто-зеленоватые фигурки и наклейки, продающиеся в киосках. Таким же образом светилась собака Баскервилей, намазанная фосфором.

В 1900 году Макс Планк выдвинул гипотезу, что свет поглощается веществом не как попало, а маленькими порциями — квантами. Квант света он назвал фотоном и определил, что его энергия E зависит от его частоты (цвета) ν: E=hν, где h — константа, которую позже назвали постоянной Планка. Из этой формулы следует что красный фотон имеет меньшую энергию, чем зеленый, зеленый — меньшую чем фиолетовый, самые высокоэнергетичные фотоны лежат в области ультрафиолета, а самые малоэнергетичные — инфракрасные.

А бывает так, что электрон получает энергию от высокоэнергетичного синего, фиолетового или даже ультрафиолетового фотона, допустим, из солнечного света. Электрон не спешит расставаться с полученной энергией, а тратит ее постепенно: сначала спускается на уровень пониже, а потом излучает фотон с меньшей энергией, например, красный или зеленый.

Такие вещества используют в ядовито-кислотных красках, которые переизлучают в видимом диапазоне ультрафиолет, присутствующий в солнечном свете. Эти краски используют для защиты денежных купюр. Электроны в зубах и белках глаз начинают вести себя так же под воздействием ультрафиолета в ночных клубах.

Светлячки, грибы, живущие в гнилых пнях, рыбки Glofish и химические светильники, которые используют спасатели и туристы, светятся благодаря химическим реакциям. В большом числе химических реакций выделяется энергия. Как правило она идет на нагревание, но иногда — на увеличение энергии электронов в продуктах реакции. А уже возбужденные электроны тратят эту энергию на свет.

Есть распространенный миф, что все радиоактивные вещества светятся зеленым светом. Это не то чтобы так, но некоторые — действительно преобразуют ядерную энергию в свет. Альфа, бета и другие частицы, излучаемые радиоактивным веществом, сталкиваются с электронами (того же вещества или примеси), увеличивают их энергию, а те в свою очередь тратят эту энергию на свет. Например, радиоактивный изотоп водорода тритий или криптон-85 способны долго светиться без дополнительных источников энергии. Их используют для подсветки циферблатов часов. Причем бета-частицы, вызывающие излучение, полностью поглощаются защитным стеклом, так что носить Rado совершенно безопасно.

Самый интересный вид люминесценции — это преобразование электроэнергии в свет, и некоторые полупроводники умеют это делать. В полупроводниках есть два носителя заряда: отрицательные электроны и положительные дырки. Когда пускают электрический ток, электроны сталкиваются с дырками, взаимоуничтожаются, а их энергия тратится на свет. Так делают светодиоды, и об этом мы уже писали в прошлом сезоне.