В одной популярной лекции Вавилов объяснил, как можно «обходить» классический закон, не нарушая его.
Можно, например, воспользоваться «ноктовизором» голландского физика Холста, в котором невидимое инфракрасное излучение падает на фотоэлемент, чувствительный к таким лучам. Из фотоэлемента вырываются электроны, энергия которых увеличивается добавочным электрическим полем. Вблизи от фотоэлемента стоит фосфоресцирующий экран, на который падают электроны, вызывая тем видимое свечение. Закон Стокса здесь обходится тем, что к энергии инфракрасных квантов, превратившейся в энергию электронов, добавляется просто новая порция электрической энергии, так что в сумме получается энергии достаточно для получения видимого изображения.
Другой способ обойти закон Стокса чисто световой. Существуют кристаллическое фосфоры, высвечивающиеся очень медленно, практически почти темные. Но такие составы можно все же заставить светиться довольно ярко, если их нагреть или осветить инфракрасными лучами. Сейчас приготовляют много фосфоров, которые могут в течение дня «заряжаться» дневным светом, почти ничего не высвечивая, и затем довольно быстро «разряжаться» с излучением видимого света при падении из них инфракрасных лучей. Если эти лучи отражаются от предметов местности, на экране получается изображение последней. (Важно заметить, что при возбуждении фосфоров дневным светом инфракрасные лучи должны быть обязательно задержаны, например с помощью поставленного на пути соответствующего цветного стекла. Иначе дневной свет будет одновременно заряжать и разряжать фосфор.) Нарушения закона Стокса нет и в этом случае, потому что инфракрасные лучи только ускоряют высвечивание, энергия же излучаемого света черпается не из инфракрасных, а из видимых лучей.
Совсем недавно появилось удивительное сообщение о найденной советскими учеными возможности превращать в видимые лучи даже такие сверхмягкие электромагнитные волны, как радиоволны. Напомню, что эти последние мягче волн инфракрасных лучей в сотни миллионов раз.
На практике закон Стокса выполняется всегда. Но свет по большей части, в том числе и свет люминесценции, состоит из разных квантов — больших и малых, таких, что ближе к фиолетовой стороне спектра, и таких, что ближе к красной стороне. Поэтому физики предпочитают говорить не о «цвете» светового пучка, а о его «спектральном составе». Подчеркивают, что перед ними не совокупность одних и тех же квантов, а смесь квантов разнородных.
Означает ли практическая справедливость правила Стокса, что все без исключения кванты люминесценции «более красны», чем те, что их породили?
Оказывается, нет.
Бывает (и это тоже получено из опытов), что наряду с большим количеством «более красных» квантов люминесценции из облучаемого вещества вылетает и некоторое количество «более фиолетовых» квантов.
Выходит, что наряду с обычной — «стоксовой» — люминесценцией существует и так называемая «антистоксовая» люминесценция: появление заметного количества более жестких фотонов.
Явление антистоксовой люминесценции всегда вызывало самый острый интерес. Оно было загадочно, непостижимо и требовало внимания. Долго никто не мог правильно объяснить, почему вообще возникает такая антистоксовая люминесценция.
Сергей Иванович Вавилов тщательно изучал загадку. И решил ее.
Он раскрыл и сформулировал главные законы люминесценции, причем не благодаря случайной догадке, а в результате совсем иного, чем принято, подхода к явлениям люминесценции.
Вавилов не стал искать чисто спектральные закономерности, как делали многие до него. Он подошел к проблеме энергетически, опираясь на основные положения термодинамики, статистической физики и квантовой механики. Он широко использовал введенные им в физику важнейшие характеристики люминесценции: энергетический выход (отношение энергии, полученной в виде люминесценции, к энергии, которая эту люминесценцию породила, то есть была поглощена телом) и квантовый выход (отношение числа излученных квантов к числу поглощенных квантов).
В результате многочисленных экспериментов и теоретических рассмотрений Вавилов пришел к выводу, что явление люминесценции подчинено двум правилам:
1. Энергетический выход люминесценции не может быть больше единицы. (Это общий термодинамический закон, нарушение его, как показал Вавилов, привело бы к противоречию с таким фундаментальным законом физики, как второй закон термодинамики.)