Фотоны, серебро и химия

Светочувствительный слой современных пленок и пластинок представляет собой эмульсию, взвесь микроскопических кристаллов светочувствительного бромистого серебра в желатине.

Эта эмульсия с помощью специальных машин поливается тонким слоем на пленку, стекло или бумагу, а затем просушивается. Сухой слой очень тонок. В фотоматериалах общего применения он в среднем равен 16 микронам. Но кристаллы бромистого серебра столь малы, что в 16-микронной толще они лежат в 20-40 слоев. На квадратном сантиметре пленки таких кристаллов насчитывается от 50 до 500 миллионов. Но, несмотря на такое количество, кристаллы в большинстве своем не соприкасаются друг с другом, они как бы заключены в мельчайшие желатиновые капсулы.

Кристаллическая решетка химического соединения брома и серебра имеет форму куба, в вершинах которого находятся ионы брома и серебра. Любой кристалл бромистого серебра имеет форму куба и сложен из отдельных мельчайших кубиков.

Одна из фотографий на мокрых стеклянных пластинках, сделанных в России в 1852 году

При соединении с серебром атом брома отбирает с внешней орбиты атома серебра один электрон. Получающиеся при реакции ионы брома имеют отрицательный заряд, а ионы серебра - положительный. Разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу и благодаря этой силе притяжения удерживаются в кристаллической решетке. Во внутренних ее частях каждый ион серебра связан с шестью ионами брома, а каждый ион брома - с шестью ионами серебра.

Что же происходит, когда на фотоэмульсию падают лучи света?

На этот вопрос можно ответить, если вспомнить то, что уже известно нам о природе света и об одном из видов взаимодействия света с веществом. Многие читатели уже, наверное, догадались, о чем пойдет речь. Конечно, о фотонах. Только с их помощью можно объяснить, почему свет оставляет свои следы на фотоэмульсии, или, иными словами, дать теорию фотографического процесса.

Так схематически выглядит кристаллическая решетка бромистого серебра

Фотоны, проникая в кристаллическую решетку, как и в случае фотоэффекта, отдают свою энергию электронам. В первую очередь ее получают электроны, "отнятые" у атомов серебра. Вернее сказать, требуется меньше всего энергии, чтобы освободить эти электроны, отобрать их у ионов брома. Отдав электрон, ион брома превращается в электрически нейтральный атом брома. А электрон тем временем начинает перемещаться в пространстве кристаллической решетки, испытывая притяжение со стороны положительных ионов серебра и отталкивание со стороны отрицательных ионов брома. В конце концов он будет притянут одним из ионов серебра и займет место на пустовавшей орбите. Положительно заряженный ион серебра при этом восстановится в электрически нейтральный атом. Сила притяжения, связывавшая разноименно заряженный ион серебра и ион брома, исчезнет. Нарушится и одна из множества связей в каркасе кристалла, и тем уменьшится его прочность.

Если свет будет интенсивным, а время его действия на фотоэмульсию длительным, в каждый из кристаллов попадет достаточно много фотонов, и под их воздействием химические связи будут полностью нарушены. Бромистое серебро при этом разложится на составляющие: бром и непрозрачное металлическое серебро. Эмульсия почернеет и тоже станет непрозрачной.

Если же на поверхность пластинки проектируется изображение, то различные ее участки освещены по-разному. Количество фотонов, попавших на тот или иной участок, тоже будет различным. И, следовательно, степень потемнения окажется неодинаковой: более освещенные участки потемнеют сильнее, чем слабо освещенные. Таким путем можно получать фотографии, даже не проявляя их. Но для этого необходимы очень большие выдержки. Подобным образом еще совсем недавно делали отпечатки на так называемой дневной фотобумаге. Листок такой бумаги закладывали под негатив и выставляли на яркое солнце. Отпечатки имели очень приятный коричневый цвет. После печати их можно было закреплять прямо на свету. На снимке вы можете видеть, как делались фотографические отпечатки в мастерской Фокса Тальбота.

Если делать отпечатки подобным образом еще допустимо, то фотографировать невозможно. И уже с давних пор фотографический процесс ведется иначе.

В мастерской Тальбота, 1845 год. Мастерская могла работать только в ясные, солнечные дни

Фотолюбители знают, что проэкспонированная фотопластинка или фотобумага по внешнему виду совершенно не отличается от неиспользованной. Ее поверхность такая же ровная и чистая, как и до экспозиции. Мы не видим на ней даже малейших следов изображения. Но разница между неиспользованной и отснятой пластинками станет заметной вскоре после того, как их положат в ванночку с проявителем. На чистой светлой поверхности отснятой пластинки начнут проступать темные пятна. Сперва еле заметные, они постепенно будут темнеть все больше и больше, становиться все более контрастными, и уже через несколько минут на фотоэмульсии появится невидимое прежде изображение. Неиспользованная же пластинка еще долгое время будет оставаться все такой же светлой, но со временем и она равномерно потемнеет.

Невидимое изображение, хранившееся в фотоэмульсии отснятой пластинки, называется скрытым. Для получения такого изображения можно делать значительно меньшие выдержки. Так, известно, что в чувствительных эмульсиях для получения одного проявимого фотографического зерна, которое состоит из большого количества расположенных близко друг к другу кристалликов, требуется примерно 1000 фотонов. При получении скрытого изображения уже не нужно, чтобы свет восстанавливал большое число ионов серебра в атомы. Достаточно лишь того, чтобы в каждом из засвеченных кристалликов появилось несколько "брешей", пробитых фотонами. Остальное доделают некоторые химические вещества, которые вступают в реакцию с кристаллами бромистого серебра. Именно такие вещества содержатся в проявителе.

Когда мы погружаем в ванночку с проявителем пластинку, эмульсия которой уже подверглась фотонной бомбардировке, проявляющее вещество проникает через тонкие желатиновые перегородки и вступает в сложную химическую реакцию с кристаллами бромистого серебра. В ходе этой реакции оно, как и под воздействием света, разлагается на составляющие: бром и серебро. Но скорость этой реакции неодинакова в различных участках эмульсии. Она протекает тем быстрее, чем больше нарушено связей в кристалле, чем меньшей стала его химическая прочность. В тех кристаллах, где таких нарушений было мало, реакция восстановления металлического серебра протекает гораздо медленнее. Однако, если бы мы оставили пластинку в проявителе на очень долгое время, эмульсия потемнела бы вся сплошь и изображение исчезло бы.

Но мы никогда так не поступаем. Мы позволяем реакции идти лишь до той стадии, когда появляется проработанное во всех деталях изображение. Затем мы прерываем ее, смывая проявляющее вещество в воде, и переходим к следующему этапу обработки - к закреплению. В растворе закрепителя все остатки неразложившегося бромистого серебра удаляются из эмульсии. И тогда уже пластинке, пленке или фотобумаге не будет страшным последующее действие света.

Зная причины фотоэффекта и квантовые свойства света, мы можем предсказать и такое свойство фотоэмульсии, как зависимость ее чувствительности от длины волны. Мы помним, что энергия фотона тем меньше, чем длиннее волна света. А чем меньше энергия, тем труднее освободить электрон, захваченный ионом брома. И, следовательно, при некоторой длине волны фотоны и вовсе не в состоянии будут выбивать электроны. Поэтому у фотоэмульсий, как и у фотоэлементов, есть красная граница светочувствительности. И именно благодаря наличию такой границы ортохроматические пластинки, фотопленку, фотобумагу можно проявлять при ярком красном и даже оранжевом свете без риска их засветить.

Фотолюбители знают, что есть и другие сорта фотоматериалов, которые можно обрабатывать только в полной темноте, так как в них красная граница чувствительности передвинута в область более длинных световых волн. В настоящее время выпускаются специальные сорта негативной пленки, чувствительные к инфракрасным лучам, правда с не очень большой длиной волны.

Зато к синим, фиолетовым и ультрафиолетовым лучам, не говоря уже о рентгеновских и гамма-лучах, чувствительны все пластинки. Правда, короткие ультрафиолетовые лучи не воздействуют на обычные эмульсии, изготовленные на желатиновой основе. Это объясняется тем, что желатина непрозрачна для таких лучей. Съемку в ультрафиолете ведут на эмульсиях, не содержащих желатины.