1. В добавление к предыдущему параграфу рассмотрим опыты Вуда (1868-1955) по возбуждению свечения в газах, начатые в $1904-$ 1905 гг. В эвакуированный стеклянный баллон Вуд помещал кусочек металлического натрия. После нагревания баллон наполнялся парами этого металла. Конденсорная линза концентрировала на парах натрия свет от горелки, в пламя которой вводилась поваренная соль. Такой источник света обильно испускал две желтые линии $D_{1}$ и $D_{2}$ натрия с длинами волн $\lambda_{D_{1}}=589,6$ нм и $\lambda_{D_{2}}=589,0$ нм. На пути падающего пучка пары натрия начинали светиться ярким желтым светом, распространявшимся во все стороны, а не только в направлении падающего света. Спектроскопическое исследование показало, что свечение состоит из тех же двух желтых линий натрия $D_{1}$ и $D_{2}$. Оказалось также, что линии $D_{1}$ и $D_{2}$ сильно поглощаются парами натрия. $\mathrm{C}$ повышением температуры, а следовательно, и плотности паров поглощение увеличивается. Глубина проникновения падающего света в пар уменьшается. Вследствие этого продольные размеры светящейся области сокращаются. При достаточной плотности паров свечение сосредоточивается в тонком поверхностном слое в месте вхождения падающего пучка света. При этом обе линии $D_{1}$ и $D_{2}$ расширяются и в конце концов сливаются.

Аналогичное явление Вуд наблюдал и в парах ртути. Возбуждающим светом служило ультрафиолетовое излучение ртути с длиной волны $\lambda=253,7$ нм. Конечно, во избежание сильного поглощения сосуд, содержащий ртутные пары, в этом случае должен быть изготовлен из кварца, а источником света может служить, например, ртутная кварцевая лампа. Оказалось, что ртутные пары сильно поглощают свет именно с длиной волны $\lambda=253,7$ нм, а затем переизлучают его во все стороны с той же длиной волны. Явление удалось наблюдать, освещая ртутные пары и второй линией ртути $\lambda=185,0$ нм, хотя в этом случае наблюдение значительно труднее, так как указанная линия поглощается гораздо сильнее. Впоследствии удалось распространить наблюдения и на другие элементы. Не вызывает сомнения, что описанное явление существует во всех веществах, хотя его воспроизведение практически осложняется сильным поглощением и необходимостью иметь подходящий источник света.
2. В то время, когда Вуд наблюдал описанные явления, их, конечно, истолковывали классически. Атому свойственны определенные собственные частоты, с которыми он и излучает спектральные линии. При освещении атома монохроматическим светом определенной частоты в нем возбуждаются вынужденные колебания, и атом начинает переизлучать свет с той же частотой. Этот эффект должен быть выражен особенно сильно, когда частота внешнего излучения совпадает с одной из собственных частот атома, т. е. при резонансе. Поэтому явление получило название резонансного излучения или свечения.

Конечно, приходящий в колебание атом может не только переизлучать полученную энергию, но, например, передавать ее без излучения окружающим атомам. Эта часть энергии в конце концов выделяется в виде тепла. Такой эффект проявится в ослаблении или тушении резонансного свечения. Он будет выражен тем сильнее, чем сильнее взаимодействие между атомами рассматриваемого газа. В частности, это произойдет при увеличении плотности газа или при добавлении к нему атомов постороннего вещества. Так, в парах ртути при давлении 0,001 мм рт. ст. резонансное свечение хорошо выражено. Но при добавлении водорода под давлением 0,2 мм рт. ст. интенсивность свечения убывает вдвое, а при дальнейшем добавлении водорода ослабевает еще значительнее. Аналогично действует добавление и других газов.
3. Приведенное классическое толкование резонансного излучения на первый взгляд представляется весьма убедительным и единственно возможным. При критическом рассмотрении это оказывается не совсем так. Действительно, резонансное излучение не есть обособленное явление, а представляет частный случай более общего явления – uзлучения спектралъных линий. В основе обоих этих явлений должен лежать один и тот же механизм. Происхождение спектральных линий и спектральных серий классическая физика объяснить не могла. Это удалось сделать только квантовой теории. Естественно думать, что и резонансное излучение должно иметь также квантовое истолкование. Последнее действительно существует и заключается в следующем.

Квант падающего света $h
u$ до.жен возбудить атом, т.е. перевести его с нормального энергетического уровня $\mathscr{E}_{1}$ на вышележащий уровень. Пусть $\mathscr{E}_{2}$ – ближайший уровень, лежащий выше $\mathscr{E}_{1}$. Если $h
u<\mathscr{E}_{2}-\mathscr{E}_{1}$, то энергии светового кванта $h
u$ недостаточно, чтобы перевести атом на уровень $\mathscr{E}_{2}$. В этом случае возбуждение атома световым квантом невозможно. Для возбуждения уровня $\mathscr{E}_{2}$ необходимо, чтобы $\mathscr{E}_{2} \leqslant \mathscr{E}_{1}+h
u$. Максимальное возбуждение будет происходить при условии $\mathscr{E}_{2}=\mathscr{E}_{1}+h
u$, когда вся энергия кванта $h
u$ расходуется на возбуждение уровня $\mathscr{E}_{2}$. Через короткое время атом с уровня $\mathscr{E}_{2}$ возвращается на ближайший нижележащий уровень, т. е. $\mathscr{E}_{1}$. При этом излучается световой квант $h
u^{\prime}=\mathscr{E}_{2}-\mathscr{E}_{1}$. Таким образом, $
u^{\prime}=
u$, т.е. частоты возбуждающего и переизлучаемого света одинаковы. В этом и состоит резонансное излучение, если его рассматривать с квантовой точки зрения.

То обстоятельство, что в парах натрия наблюдается излучение не одиночной линии, а двух близких линий $D_{1}$ и $D_{2}$, объясняется тем, что второй возбужденный уровень $\mathscr{E}_{2}$ атома натрия в действительности состоит из двух близко расположенных уровней.

С квантовой точки зрения, как и с классической, понятно и явление тушения свечения при увеличении концентрации газа. Действительно, атом, находящийся на возбужденном уровне $\mathscr{E}_{2}$, может передать свою энергию без излучения окружающим атомам. Этот эффект усиливается с увеличением плотности газа или при добавлении к нему посторонних примесей.

Изложенное представляет только основную схему явления, но не охватывает всех его сторон. В частности, мы оставили в стороне все

1) фотолюминесценцию – люминесценцию, возникающую при освещении люминофора видимым или ультрафиолетовым светом;
2) рентгенолюминесценцию – свечение люминофора при облучении его рентгеновскими или $\gamma$-лучами;
3) катодолюминесценцию – свечение люминофора при бомбардировке его электронами (катодными лучами);
4) радиолюминесценцию – свечение под действием ядерных излучений: $\alpha$-частиц, $\beta$-частиц, $\gamma$-лучей, протонов и т. д.;
5) электролюминесцениию – свечение люминофора, например газонаполненной вакуумной трубки, в электрическом поле;
6) хемилюминесценцию – свечение тел при химических реакциях;
7) триболюминесценцию – свечение, возникающее при растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристаллов (например, сахара);
8) кандолюминесценцию – свечение (но не температурное), возникающее при помещении некоторых веществ в пламя, например в пламя газовой горелки.
5. Оставляем в стороне вопрос о полноте и обоснованности этого списка. Вопросам люминесценции, и даже ее отдельным видам, посвящена обширная специальная литература, и мы не можем входить в их обсуждение. Существенно только отметить квантовый характер люминесценции. Как и всякое излучение, люминесценция возникает в результате квантовых переходов излучающей системы с каких-то возбужденных энергетических уровней на уровни более низкие. С этой точки зрения становится понятным один из характерных признаков люминесценции – длительность свечения, ибо многие тела могут находиться в возбужденных состояниях длительное время. Характер люминесценции определяется структурой энергетического спектра тела, средним временем его пребывания в возбужденных состояниях, правилами отбора при поглощении и излучении света и т. д.

Для фотолюминесценции Стоксом (1819-1903) в 1852 г. было установлено правило, согласно которому длина волны $\lambda^{\prime}$ света люминесценции больше длины волны $\lambda$ возбуждающего света. Это правило указывает на квантовый характер фотолюминесценции. Действительно, если квант возбуждающего света переводит систему с нормального уровня $\mathscr{E}_{1}$ на возбужденный уровень $\mathscr{E}_{2}$, то $\mathscr{E}_{2} \leqslant \mathscr{E}_{1}+h
u$. При обратном возвращении системы на прежний уровень $\mathscr{E}_{1}$ частота излучаемого света будет $
u^{\prime}=\left(\mathscr{E}_{2}-\mathscr{E}_{1}\right) / h$, а потому $
u^{\prime} \leqslant
u$. Система может вернуться с уровня $\mathscr{E}_{2}$ не на прежний уровень $\mathscr{E}_{1}$, но на уровень, лежащий несколько выше. Тогда тем более $
u^{\prime}<
u$.

Однако правило Стокса допускает исключения. Допустим, что световой квант переводит систему с какого-то возбужденного уровня $\mathscr{E}_{1}^{\prime}$ на вышележащий уровень $\mathscr{E}_{2}^{\prime}$. Тогда, конечно, $\mathscr{E}_{2}^{\prime} \leqslant \mathscr{E}_{1}^{\prime}+h
u$. Но так как $\mathscr{E}_{1}^{\prime}>\mathscr{E}_{1}$, то может случиться, что $\mathscr{E}_{2}^{\prime}>\mathscr{E}_{1}+h
u$. В этом случае при возвращении системы на невозмущенный уровень $\mathscr{E}_{1}$ будет испускаться квант с частотой $
u^{\prime}>
u$.