Проблема определения времени в темное время суток возникла давно, но только изобретение башенных механических часов с боем впервые приблизило человечество к ее разрешению. Этим техническим достижением, правда, могли пользоваться лишь жители достаточно богатых средневековых городов. В деревнях и селах люди продолжали определять время по солнечным часам днем и по свече с метками — ночью.
В XIX веке домашние часы, преимущественно маятниковые, уже стали доступным предметом интерьера. Популярными были часы, которые могли отбивать четверти часа «по требованию». С их помощью по числу ударов можно было определять время, даже не видя циферблата. Но эти хранители времени уступили место карманным часам, которые, в свою очередь, к 20-м годам XX века были вытеснены наручными. Мысль заставить часы светиться в темноте овладела умами многих, кто был занят их производством.
Люминесценция. Свет, как всем известно еще со школьных уроков физики, — это форма энергии. А два самых распространенных способа получения света — нагрев и люминесценция. Звезды и Солнце светятся благодаря происходящим в них ядерным реакциям. В лампочке вольфрамовую спираль до температуры свечения разогревает электрический ток.
Люминесценция, «холодный свет», наоборот, возникает при обычной температуре. Источником энергии является возбужденный электрон, который, стремясь к стабильному состоянию, перемещается с более высокого энергетического уровня (т.е. орбиты, по которой он вращается вокруг ядра атома) на уровень, находящийся ближе к ядру. Во время этого «скачка» выделяется энергия в виде света.
Есть несколько типов люминесценции. Один из наиболее известных — хемилюминесценция, самым простым примером которой может служить светлячок. Его свечение возникает благодаря химической реакции. Тот же эффект можно получить в лаборатории, из соответствующих веществ. Но основная проблема заключается в том, что после окончания реакции свечение прекращается. В живых организмах химические вещества, которые создают свечение, постоянно синтезируются, обновляются. Очевидно, что сделать то же самое с «мертвы ми» стрелками и циферблатами часов невозможно.
Фотолюминесценция Ученые обратили внимание на другой вариант «зарождения» света — фотолюминесценцию. В этом случае световая энергия получается за счет более жесткого электромагнитного излучения. Фотолюминесцентный материал поглощает световую энергию в течение значительного периода времени, а потом выделяет этот свет, но уже меньшей частоты по сравнению с частотой поглощенного. Как ни удивительно, но это явление было известно еще в Х веке. Тогда японские художники пользовались лаками, в состав которых добавляли фотолюминесцентные вещества, содержащиеся в раковинах устриц. Предание гласит, что один художник нарисовал картину, на которой в темноте появлялся бык, нарисованный краской с примесью фотолюминесцентных веществ.
Первый синтетический люминесцентный материал — сульфид бария — появился в Италии в XVII веке. Его называли «болонским камнем», или «световой губкой». А к концу XIX века швейцарские часовщики начали обрабатывать циферблаты часов натуральной светящейся «краской», созданной по технологии японских художников.
Радиолюминесценция — результат ядерного излучения. Некоторые химические соединения, излучающие гамма- и рентгеновские лучи, а также альфа- или бета-частицы, используют для образования радиолюминесцентного слоя в некоторых веществах, например, в сульфиде цинка, известном с 1920 года. Благодаря покрытию из смеси сульфида цинка и вещества-источника радиации циферблаты приобрели способность сохранять свет очень долго. Часто источником радиации служило небольшое количество тория или радия-226.
Радий открыла французский химик Мария Кюри, заплатив за это дорогую цену. В то время еще не было известно, насколько опасно это загадочное вещество, и проделавшая с радием множество экспериментов М. Кюри, в конце концов, умерла в 1934 году от лейкемии. Эта трагедия стала первым предупреждением об опасности. Но вот что странно: до 1945 года, когда были сброшены атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки, радиация считалась даже полезной! Вот только один пример: в 1936 году в Германии был сооружен реабилитационный центр внутри бывшей соляной шахты, насыщенной радиоактивным газом радоном. И даже после Второй мировой войны, когда люди стали понимать всю опасность радиации, в магазинах продолжали продавать будильники с циферблатами, обработанными веществом, содержащим радий, при приближении к которым счетчик Гейгера зашкаливало.
Показателен случай, произошедший в аэропорту Нью-Йорка. Торговец с чемоданом, полным хронографов и наручных часов с люминесцентными циферблатами, был остановлен на пропускном пункте. Суммарное излучение часов оказалось столь сильным, что сработала аппаратура бдительных таможенников, и ничего не понимающий «контрабандист-террорист» был тут же закован в наручники. Разобравшись, бедолагу отпустили, но этот случай сыграл значительную роль в дискредитации радиолюминесцентных материалов, используемых в часах.
Появление трития Еще одно вещество, используемое для подсветки циферблатов, -тритий, радиоактивный изотоп водорода. Его радиоактивность вызвана бета-частицами, которые, кстати, в часах почти полностью поглощает стекло, закрывающее циферблат.
Тритий, используемый сегодня, соответствует международным стандартам ISO 3157 и NIHS 97-10, определяющим минимальное количество люминесцентного вещества, необходимого для того, чтобы видеть циферблат в темноте. При хорошем качестве люминесцентного состава он может сохранять способность светиться несколько лет. Интенсивность подсветки, кроме качества состава, также зависит от площади поверхности покрытия и толщины слоя. Несмотря на то, что радиоактивность трития намного меньше, чем у изотопов, о которых речь шла ранее, ношение часов с таким типом подсветки до сих пор у некоторых людей вызывает опасения.
Новый тип фотолюминесценции
Опасения покупателей и требования властей некоторых стран предоставлять сертификат экологической безопасности на ввозимую продукцию вынудили производителей часов пересмотреть свое отношение к материалам, используемым для подсветки.
Японские компании первыми стали использовать новые материалы — LumiNova и LumiBright. Хотя в целом они и превосходят по качеству используемые ранее, однако, не вполне соответствуют стандарту видимости ISO 3157. Если сравнить LumiNova и соединение трития, оказывается, что вначале интенсивность свечения LumiNova больше, затем она начинает резко спадать, и через 3-6 часов становится уже недопустимо низкой.
Еще один очень существенный недостаток заключается в том, что поверхность циферблата надо постоянно «подзаряжать», то есть подставлять часы под солнечные лучи или свет мощной лампы. Если наручные часы, как это обычно бывает, прикрыты рукавом одежды, то люминесцентный слой не получит необходимой подзарядки.
На сегодняшний день Швейцарская ассоциация по развитию часового производства (ASRH) вкладывает немалые деньги в исследования путей совершенствования фотолюминесценции. Цель швейцарских производителей — создать новый материал, который будет лучше трития.
Так что же с безопасностью?
Сегодня подсветка на основе трития является наилучшим решением проблемы индикации времени в темноте. Исследования показали, что не следует отказываться от ношения часов с подобной подсветкой. В одной из статей британского медицинского журнала The Lancet ежегодная доза общего облучения человека от различных источников радиации сравнивается с ежегодной дозой облучения, получаемой организмом при ношении пластиковых часов с радиолюминесцентным циферблатом. В соответствии с этим исследованием, часы дают ежегодную дозу облучения в 4 микрозиверта. А при рентгеновском снимке грудной клетки человек получает дозу облучения в 70 микрозиверт. Величина ежегодной дозы радиации, получаемой от натурального радиационного фона, составляет примерно 2100 микрозиверт.
Эти цифры наглядно демонстрируют, что радиационное излучение часов настолько незначительно, что не представляет опасности. Однако следует признать, что, как бы то ни было, светящиеся элементы часов не прибавляют здоровья их владельцу.
Тимофей Фролов
Журнал ЧАСОВОЙ БИЗНЕС №7
