Юрий Кукушкин - Химия вокруг нас
Химия в фотографии
Стремление сохранить визуальную память об окружающем нас мире и дорогих сердцу людях всегда было свойственно человеку. Однако для широких масс людей это стало возможным лишь после изобретения фотографии. В настоящее время вряд ли можно найти человека, который не имеет своего фотографического изображения. Семейные альбомы хранят в фотографиях события прошлого и портреты родных и близких людей. Родители особенно часто фотографируют своих детей в первые годы их жизни. Эти фотографии впоследствии воскрешают массу воспоминаний о невозвратимом прошлом.
Сегодня трудно представить, что фотографии когда-то не существовало — так мы сжились и свыклись с нею. Однако открытие фотопроцесса было совершено всего лишь в 1839 г. Выдающийся советский физик академик С.И. Вавилов сравнивал его по значению с изобретением книгопечатания.
Термин «фотография» происходит от греческих слов фото — свет и графо — пишу. Таким образом, фотография в переводе на русский язык дословно означает светопись. В современном широком смысле фотография — это регистрация изображения на специальном материале (бумаге, пленке, пластинке).
Значение бытовой и художественной фотографии, а также кинематографа может оценить любой человек. Огромные возможности, которые открывают фотографические процессы в науке и технике, известны гораздо меньше. Их же широко используют для записи движений в механике, акустике, электротехнике и других областях подобно тому, как это делается в кинематографе. Высокоскоростная фотография с частотой выше 10000 кадров в секунду широко применяется для изучения быстропротекающих процессов — баллистических, пиротехнических и др. Наоборот, автоматическая регистрация на пленке какого-либо медленного явления через относительно большие промежутки времени позволяет «сжать» информацию и дает возможность визуально наблюдать динамику медленно протекающих процессов, например роста растений.
Краткая история изобретения и развития фотографии. Путь к современной фотографии был непростым и довольно длительным. Еще в 1727 г. немецкий химик Шульце обнаружил чувствительность солей серебра к свету. Эти соли темнели на свету, а в темноте оставались без изменения. Уместно отметить, что за два года до Шульце сообщение о действии света на химические соединения было сделано русским государственным деятелем и дипломатом А.П. Бестужевым-Рюминым. В 1777 г. выдающийся шведский химик Шееле установил, что эффективность воздействия света на хлорид серебра AgCl зависит от длины волны. Для регистрации света он впервые использовал бумагу, на поверхность которой был нанесен хлорид серебра. Разложение хлорида серебра Шееле выразил схематическим уравнением
2AgCl — [свет] → 2Ag + Cl2
которое считается вполне правомерным и на сегодняшний день. Потемнение соли вызывается образующимся металлическим серебром. Таким образом, участки бумаги, на которые попадал свет, темнели, а незасвеченные оставались неизменными. Для истории развития фотографии важно и то, что Шееле впервые предложил способ закрепления (фиксации) изображения, получающегося на засвеченных участках. Для этого он использовал раствор аммиака, который растворял незасвеченный хлорид серебра в соответствии с уравнением
AgCl + 2NH3 = [Ag(NH3)2]Cl
Поскольку хлорид серебра удалялся, то дальнейшее действие света на материал прекращалось. К сожалению, этот способ фиксации изображения, как и способ получения изображения, был надолго оставлен без внимания.
Важный этап в развитии фотографического процесса связан с именем парижского художника-декоратора Дагерра. В 1835 г. он завершил разработку процесса, который впоследствии получил название дагерротипии. Его сущность заключается в следующем: отполированную серебряную пластинку вносили в пары иода. В результате на ее поверхности появлялся слой иодида серебра в соответствии с уравнением
2Ag + I2 = 2AgI
Пластинку экспонировали в камере-обскуре[1] — прототипе фотографического аппарата (рис. 4).
Рис. 4. Схема образования изображения в камере-обскуре
1 — лучи света; 2 — отверстие малого диаметра; 3 — светочувствительная пластинка
В результате длительного экспонирования на пластинке получалось слабое изображение (скрытое изображение), создаваемое атомами металлического серебра:
2AgI → 2Ag + I2
Затем пластинка помещалась в темную камеру, содержащую пары ртути. Ртуть взаимодействует с металлическим серебром с образованием сплава — амальгамы серебра. Таким путем происходит усиление изображения за счет увеличения массы, т.е. происходит проявление скрытого изображения. Поскольку на поверхности пластинки оставалось много AgI, то она продолжала оставаться светочувствительной. Чтобы «закрепить» изображение, нужно удалить с поверхности иодид серебра. Дагерр использовал для этой цели теплый раствор NaCl. При обработке этим раствором пластинки происходила реакция
AgI + NaCl = Na[AgICl]
в результате которой иодид серебра растворялся и удалялся с поверхности пластинки. В 1839 г. для закрепления изображения стал применяться раствор тиосульфата натрия Na2S2O3. Он гораздо с большей скоростью удалял с поверхности иодид серебра. В этом случае реакция протекала в соответствии с уравнением
AgI + 2Na2S2O3 = Na3[Ag(S2O3)2] + NaI
Тиосульфат натрия в качестве закрепителя (фиксажа) используют и в настоящее время.
Таким образом, в фотографии имеются следующие стадии: экспонирование фотоматериала на свету и появление скрытого (первичного) изображения, проявление скрытого изображения, т.е. его усиление до видимого, и, наконец, закрепление (фиксаж) изображения.
Применение в фотографическом процессе солей серебра, нанесенных на бумагу, связано с именем англичанина Талбота. Он осуществлял это пропиткой листа бумаги раствором AgNO3 с последующим погружением его в раствор NaCl. В результате на бумаге протекала обменная реакция
AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO3
Талбот использовал такой лист в камере обскура, но фотографии получались худшего качества, чем на пластинке серебра, обработанной парами иода. Однако важно то, что с именем Талбота связано изобретение негативно-позитивного процесса в фотографии. Он начал изготавливать копии фотографий, приводя в контакт первоначальный отпечаток (негатив) с другим таким же листом бумаги с последующим облучением светом, проявлением и закреплением изображения. Качество позитивных изображений было очень низким, так как лист бумаги малопрозрачен и на позитиве пропечатывалась структура бумаги-подложки. Совершенно естественным было стремление заменить непрозрачную бумагу прозрачным материалом. Это удалось сделать французу Ньепсу. В 1847 г. он применил стекло, на которое наносился слой альбумина, включающий светочувствительное вещество (соль серебра). Для изготовления фоточувствительного материала готовили раствор KI в яичном белке (сбиванием и отстаиванием), которым поливали стеклянные пластинки и слой высушивали. Перед экспонированием пластинку погружали в раствор нитрата серебра NaNO3, затем вновь высушивали. Негативы, получаемые на таких пластинках, были довольно высокого качества и хорошо передавали детали оригинала при изготовлении позитивов.
Несколько позднее англичанин Скотт-Арчер разработал способ изготовления коллоидных фотоматериалов, в котором на стеклянную пластинку наносили слой эмульсии из коллоксилина (эфира целлюлозы) и азотной кислоты примерного состава [C6H7O2(ONO2)3]n в смеси со спиртом, в которую вводились растворимые в спирте бромид и иодид натрия. После частичного испарения растворителя пластинка также помещалась в раствор AgNO3 и в результате в слое эмульсии образовывался однородный слой, содержащий смесь мелкодисперсных светочувствительных кристаллов бромида и иодида серебра.
Важный этап в производстве современных фотографических материалов связан с именем англичанина Медокса, который в качестве носителя галогенидов серебра использовал (1871) желатину — продукт, извлекаемый из белков, составляющих основу соединительных тканей животных (сухожилия, хрящи, кости). Значительно позднее было установлено, что желатина не только среда, но и вносит вклад в характеристики фотоматериалов.
Таким образом, благодаря многочисленным исследованиям, проведенным в различных лабораториях, к 80-м годам XIX столетия сформировался негативно-позитивный фотографический процесс. Для негативов использовались стеклянные фотопластинки, а для получения позитивов — фотобумага. В настоящее время вместо стеклянной подложки в основном используют полимерные пленки (триацетат-целлюлозные или полиэфирные). Строение современной типичной галогенсеребряной пленки довольно сложное. Оно показано на рис. 5.
