X. 4. Стекла, фильтрующие свет

Почему же и как получаются стекла, окрашенные в различные яркие цвета: красные, голубые, зеленые, синие, желтые?

Вот, например, красивые красные стекла; похожие на драгоценные камни рубины; их так и называют рубинами. Еще в XVII веке умели делать искусственные рубины, для чего в стекло вводили золото. Мастер, знавший секрет золотого рубина, умер, а вместе с ним умер и способ получения рубина. И узнали его снова только в XIX веке.

А вот о том, что такие же рубиновые стекла можно получать, если вводить в стекло не дорогое золото, а дешевую медь, не знали долго, а между тем и в том и в другом случаях происходят одни и те же процессы.

Рубиновые стекла изготовляются следующим образом. Вначале при варке стекло с небольшим количеством меди и олова бесцветно, и изделия из этого стекла получаются также бесцветными. Их снова нагревают до определенной температуры, и вот тогда-то они расцвечиваются в красивые красные цвета, похожие на цвет драгоценного рубина.

Медные рубины более капризны, чем золотые, и потому часто случалось, что при варках медного рубинового стекла хорошее красное стекло не выходило. А иной раз стекло получалось совсем неокрашенным, и никакими способами не удавалось вызвать в нем красную окраску.

Много позже, когда варкой стекла стали интересоваться, ученые-химики, они разобрались во всех тонкостях производства всевозможных окрашенных стекол и избавили стеклоделов от многих досадных неудач.

Почему же медные рубиновые стекла получаются не всегда одинаково удачно? Оказалось, что не всегда медь ведет себя в стекле одинаково. Чтобы получить красивый рубин, надо, чтобы медь не соединялась с другими составными частями стекла, а находилась в нем в виде мельчайших кристалликов металлической меди, которые равномерно распределены по всему стеклу. При варке медного рубина сначала частицы меди очень малы, и их присутствие в стекле ничем не обнаруживается. Поэтому быстро остывшее стекло бесцветно. Но стоит только это стекло нагреть и подержать при температуре в 600—700°, как начинает появляться красная окраска и стекло превращается в рубин.

Что же здесь происходит? Оказывается, что при этих температурах, хотя стекло еще твердое, в нем уже возможно некоторое движение, и вот частицы меди приближаются друг к другу, собираются вместе и выстраиваются в определенном порядке. Эти кристаллики уже настолько велики, что не могут пропустить весь попадающий на них свет; они образуют как бы сетку, в которой застревают лучи света всех цветов, кроме красного.

Красным же лучам удается пробраться через эту сетку, и поэтому стекло становится красным. О них так и говорят, что они пропускают красные лучи и поглощают все остальные: они как бы фильтруют свет, как фильтруют химики в лаборатории свои растворы. Осадок остается на фильтре, а раствор свободно проходит через него. Этим-то свойством пропускать или поглощать лучи разного цвета и объясняется окраска всех без исключения стекол. Цветные стекла, которые используются для выделения лучей какого-нибудь одного цвета, так и называют светофильтрами.

Конечно, свет фильтруется, через стекло не совсем так, как фильтруются растворы. В зависимости от того, какое вещество вводится в стекло, меняется цвет стекла, то есть через одни стекла проходят только синие лучи, а через другие — только зеленые. При этом только в рубиновых стеклах введенные частицы металла находятся в виде кристалликов, а в большинстве других стекол металл так же хорошо в них растворен, как сахар или соль в воде, и образует со стеклом вполне однородную массу. Однако способность поглощать или пропускать лучи разных цветов остается. Больше того, та же самая медь, если она будет находиться в стекле не в виде кристалликов, а растворится в нем и соединится с другими его частями, окрасит стекло уже не в красный, а в сине-зеленый цвет.

Теперь уже очень хорошо известно, какие металлы окрашивают стекло в тот или другой цвет. Например, никель окрашивает стекло в фиолетовый или коричневый цвет, хром — в желто-зеленый, кобальт — в синий, марганец — в фиолетовый. Если ввести в стекло одновременно 2 или 3 красителя, можно получить промежуточные цвета. Так, для того, чтобы получить зеленое стекло, надо ввести в стекло вместе и медь и хром.

Однако далеко не все красители можно смешивать в стекле. Если в шихту стекла ввести марганец и железо, то окраска марганца совсем пропадет, он обесцветится. Наоборот, хром при внесении его в стекло вместе с марганцем очень усиливает окраску последнего. Составные части самого стекла также очень сильно влияют на окраски, производимые одними и теми же красителями.

Советские химики и инженеры умеют получать стекло любых цветов и оттенков и по своему усмотрению менять их лучше, чем это делали в старину самые опытные мастера, и уж, конечно, не делают из этого секретов. В деле создания отечественного производства стекла для светофильтров очень много сделал советский ученый, профессор В. В. Варгин.

Каких только стекол не делают теперь на наших заводах! Разнообразие их, пожалуй, больше, чем разнообразие красок в палитре художника. Цветные стекла используются теперь не только для изготовления красивой посуды, картин и украшений зданий. Они служат также для всевозможных научных и технических целей. Цветные светофильтры используются в прибоpax для выделения из белого света лучей какого-либо одного цвета, для поглощения вредных или мешающих лучей.

Везде мы видим цветные стекла. Как ярко светятся в темноте красные, зеленые и желтые сигнальные огни! Красные фонари в фотографических лабораториях предохраняют от порчи светочувствительные пластинки и бумагу. Желтые светофильтры употребляются для фотографии и аэрофотосъемки.

Есть еще черные стекла, выделяющие невидимые ультрафиолетовые или инфракрасные лучи, и стекла, которые, наоборот, поглощают эти лучи и пропускают видимые.

Можно было бы привести еще много примеров применения светофильтров, но мы расскажем только о некоторых из них.

X.5. РАЗГОВОР ЦВЕТНЫХ ОГНЕЙ

Когда наступает вечер и темнота надвигается на землю, кипучая жизнь большого города не затихает. Всё так же много людей на улицах. Несутся автомашины, трамваи и троллейбусы; они развозят людей по домам после трудового дня или в театры, кино и концертные залы. Всем им надо поскорее добраться до места. Но видеть в темноте на больших расстояниях невозможно. Кто же предупреждает людей о приближении транспорта и оберегает их от опасности? Это цветные сигнальные огни.

Как отчетливо и ярко светятся в темноте красные, зеленые и желтые огни светофоров, регулируя уличное движение! На трамваях горят разноцветные огоньки в разных сочетаниях. Мы видим издалека, какой номер трамвая приближается к остановке. У каждой автомашины сзади горит красный фонарик, который не позволяет наскочить на нее машинам, едущим за ней вслед. Свободное такси зажигает зеленый фонарик.

Все эти цветные огоньки и делают безопасным и удобным передвижение по улицам. Если бы не было цветных сигналов, уличное движение в большом городе пришло бы в полный беспорядок. Можно не сомневаться, что число несчастных случаев возросло бы во много раз, а скорость передвижения транспорта в несколько раз замедлилась. Ни шоферы, ни водители трамваев, ни пешеходы не знали бы, когда и в каком направлении можно безопасно идти и ехать.

Сигнальные огни на железных дорогах издалека сообщают машинисту паровоза, свободен или занят путь впереди. Пассажиры поездов спят спокойно; они знают, что дежурные обходчики, стрелочники и диспетчеры следят за исправностью путей и зажигают зеленые огни, если всё в порядке, и красные — если поезд надо задержать.

На морских и речных путях также горят сигнальные огни. Красные и зеленые фонарики на бакенах указывают безопасный фарватер речным судам. Сигнальные огни зажигаются на мачтах и бортах судов, чтобы встречные пароходы не только видели их издалека, но и знали, с какой стороны их надо обходить.

На аэродромах зажигают огни, которые разрешают или запрещают самолетам посадку. Огни указывают, где и в каком направлении должен приземляться самолет.

Почему же основными сигналами выбраны зеленый и красный огни?

Это сделано не случайно; а по вполне определенным причинам, для того, чтобы сигналы были далеко и хорошо видны и чтобы их нельзя было спутать между собой и с другими огнями. Например, если бы огонь, говорящий о том, что путь впереди безопасен, был не зеленый, а белый или желтый, его можно было бы легко спутать с огнями обычных уличных фонарей и светящимися окнами домов. Между собой красный и зеленый цвета огней также различаются наиболее сильно. Даже издалека их никто не спутает между собой.

Красный огонь всегда означает сигнал тревоги или предупреждает об опасности. Это тоже не случайно. Оказывается, что только красный цвет глаз человека воспринимает сразу, как только его увидит, как красный. Все же другие огни на больших расстояниях кажутся белыми. Для безошибочного определения их цвета необходимо еще значительно приблизиться к ним, после того, как человек их заметит.

Кроме основных сигналов во многих случаях для более полных сведений, которые надо сообщить водителям транспорта, вводятся еще дополнительные сигналы: желтый, белый и синий. Все они также имеют вполне определенные назначения и должны иметь точно заданный цвет и яркость. Сигнальные стекла, как видно, не простые цветные стекла, а точные светофильтры. Их цвет и количество пропущенного света должны быть выдержаны точно и могут быть выражены в числах.

X.6. ТЕМНЫЕ СТЕКЛА

Если смотреть на солнце незащищенными глазами, то можно сильно испортить зрение. Поэтому для наблюдения солнечного затмения рекомендуют всем смотреть на солнце только через закопченное стекло. Черная сажа, ложась тонким слоем на стекло, сильно ослабляет солнечный свет. При этом все солнечные лучи проходят через такое стекло одинаково ослабленными, и стекло получается темносерым.

Но закопченное стекло не очень-то удобно. Сажа быстро смазывается со стекла и оказывается на пальцах и на носу наблюдателя.

А темные стекла нужны не только для наблюдения такого редкого явления, как солнечное затмение. Они нужны везде, где люди имеют дело с очень яркими источниками света, слепящими глаза.

Конечно, необходимо было придумать такой светофильтр, который мог бы заменить закопченное стекло.

Оказалось, что это сделать совсем не сложно. Вводя в стекло сразу несколько металлов, главным образом никель и железо, можно получить серые стекла; они поглощают почти одинаково лучи всех цветов.

Темные стекла необходимы для многих целей.

Через темное стекло смотрят на ослепительно яркое пламя вольтовой дуги при электросварке. Без такого стекла сварщик очень скоро ослепнет.

Темные стекла вставляют в очки, которые носят люди с больными глазами. Для них даже обычный дневной свет слишком ярок и может сильно утомлять глаза, а иногда даже вызвать слепоту.

Путешественники и туристы, которые проводят много времени на освещенных солнцем снежных пространствах, также должны предохранять свои глаза от ослепительно яркой белизны снега.

Темносерые стекла ослабляют лучи всех цветов равномерно. Сквозь обычные темные очки всё видно, как в сумерки, а в сумерки все цвета теряют свою чистоту и меньше отличаются друг от друга.

Иногда же бывает необходимо совершенно отчетливо разглядеть всё, что находится на освещенных солнцем, ослепительно ярких пространствах воды, неба или снежных равнин. Тогда применение обычных серых очков уже не поможет. Для этого случая нужны были бы такие очки, которые и глаза защищают и в то же время не сглаживают, а, наоборот, усиливают различие в окраске предметов.

Оказалось возможным справиться и с этим. Удалось получить такие стекла, которые имеют серую окраску, — значит, защищают глаза и в то же время не ослабляют, а, наоборот, делают более заметным различие в цвете. Для этого надо, чтобы не все цвета ослаблялись одинаково, а только некоторые, называемые дополнительными. Эти стекла назвали цветоконтрастными.

X.7. ДНЕВНОЙ СВЕТ ВЕЧЕРОМ

Конечно, все замечали, что вечерний электрический свет, даже и очень яркий, всё-таки отличается от дневного, солнечного света. Это происходит потому, что электрические лампочки, в которых свет получается за счет накаливания металлической нити, дают много красных и желтых лучей и мало синих. Поэтому электрический свет, желтый, а не белый.

При электрическом свете многие краски выглядят не так, как при дневном.

Если художник напишет картину при электрическом свете, то днем она будет выглядеть совсем иначе. Может случиться, что тело вместо розового получится лиловатым; трава будет не зеленая, а синезеленая, не похожая на натуральную зелень, и всё в таком роде.

Наоборот, то, что должно рассматриваться при вечернем свете, например декорации для театра, надо и писать вечером, чтобы цвета не искажались и оставались такими, какими их хотел изобразить художник.

Это не очень-то удобно. Нельзя же писать отдельные картины для дневного и электрического освещения и любоваться ими в специальных вечерних или дневных картинных галереях.

Здесь пришла на помощь наука о светофильтрах.

Ученые точно установили, сколько и каких лучей не хватает в электрическом свете по сравнению с солнечным. Когда это стало известно, то удалось сделать такое стекло, которое поглощает определенное количество красных и желтых лучей в электрическом свете и пропускает целиком все синие. Дневной свет через такое стекло выглядит голубым. Если же из него сделать колпак на обычную электрическую лампу, то свет от нее будет совсем белый, как дневной.

Такими стеклами пользуются везде, где надо вечером создать впечатление дневного света. Их так и назвали стеклами дневного света.