Уже в 1924 году он смог опубликовать работу под названием «Выход флуоресценции растворов красителей», где впервые привел опытные данные о к.п.д. люминесценции различных веществ.
В чем же суть относительного спектрофотометрического метода Вавилова по определению энергетического выхода люминесценции?
Сердцем экспериментальной установки был чрезвычайно распространенный в те годы спектрофотометр Кёнига — Мартенса — прибор для измерения силы света, световых потоков и некоторых других свойств света. Экспериментатор располагал друг подле друга две поверхности: одну — белую, матовую, рассеивающую почти весь свет, падающий на нее, и другую — поверхность прозрачной плоской кюветы, в которую наливалась исследуемая флуоресцирующая жидкость. Затем они обе подвергались одинаковому облучению.
Поверхности тотчас начинали светиться. Однако природа этого свечения, как легко понять, была различной. Матовая пластинка просто отражала падающий на нее свет. Из кюветы же в фотометр струился свет люминесценции. Если бы в сосудик наливалась жидкость, не обладающая свойством холодного свечения, вторая поверхность ничего не излучала бы. В другой, идеальной крайности весь возбуждающий свет превратился бы во вторичное излучение, и поверхность стала бы светиться с предельной интенсивностью.
Учтя различие законов рассеянного отражения света и света люминесценции (чего не делали предшественники Вавилова — Роберт Вуд и Дюнуайте, проводившие похожие по идее опыты), Сергей Иванович получил более или менее точные значения выходов люминесценции. Он исследовал десять разных красителей, растворенных в воде или в спиртах. Одиннадцатым источником холодного свечения у него служило урановое стекло.
Результаты опытов были ошеломляющими. Типичные люминесцирующие вещества — растворы флуоресценции — показали выход люминесценции от 66 до 80 процентов! Не тысячные и не сотые доли энергии падающего света, а в отдельных случаях — четыре пятых превращалось в холодное излучение!
Свечение люминесценции для некоторых веществ оказывалось главным, а вовсе не побочным процессом.
Это было как бы вторым рождением люминесценции, рождением ее для практики. Ведь открывался новый способ несложного, но эффективного преобразования лучистой (иначе говоря — электромагнитной) энергии в свет.
— Открытие Вавилова коренным образом меняет наши представления о роли явления люминесценции, — заявил глава ленинградских физических оптиков Д. С. Рождественский на IV съезде русских физиков в 1924 году, познакомившись с работой московского коллектива. — Мы должны изменить прежнее пренебрежительное отношение к ее практическим возможностям.
Кроме термина «энергетический выход люминесценции», часто также пользуются другим: «квантовый выход люминесценции», понимая под этим отношение количества излученных веществом квантов люминесценции к количеству поглощенных квантов возбуждающего света, вызывающих свечение.
Выход люминесценции давно в честь Сергея Ивановича Вавилова обозначают буквой «В».
Двадцать пять лет количественные значения выходов люминесценции, полученные Сергеем Ивановичем, были, по существу, единственными и признавались как эталоны во всем мире. Лишь в 1949 году они были проверены более точным, разработанным опять-таки еще Вавиловым, тепловым методом. Произвел проверку один из учеников Сергея Ивановича — Михаил Николаевич Аленцев.
С помощью усовершенствованной аппаратуры Аленцев поставил опыты по программе своего учителя, так долго остававшейся чисто теоретической. Это, как мы только что сказали, был тепловой метод: сравнение нагревов люминесцирующих и нелюминесцирующих растворов. Позднее тем же методом венгерский физик Бодо определил выходы люминесценции для некоторых кристаллофоров — светящихся кристаллов.
Потом и другие оптики аналогичным образом находили к.п.д. самосвечения различных растворов и твердых тел.
Поразительным результатом этих опытов было то, что, когда их объектом служило вещество, исследованное на выход люминесценции в 1924 году, всегда подтверждались данные Вавилова. Значения, полученные на скромном оборудовании Института физики и биофизики, оказались правильными. Искусство экспериментатора восполнило несовершенство оборудования.