Основы фотографии. Фотохимические реакции

Основы фотографии. Фотохимические реакции 

Л.А. Логинов, многопрофильный комплекс (гимназия-лицей) N 109, г. Москва

Интереснейшая тема. Любимая детьми. Очень современная. К сожалению, в «базовом» учебнике ей посвящен всего один небольшой параграф. Без схем, без рассказа о современной цветной фотографии. Но не грешим ли мы, загоняя эту живую тему в рамки одного параграфа? Разве не надо ребятам знать суть такого достижения человечества, как фотография? Ведь это и долгая память, и, наконец, вся жизнь. Тем более, что одиннадцатиклассникам многое можно растолковать на уровне основных понятий, даже основы цветной фотографии.

Начинаем, конечно, с общего определения фотохимических реакций (ФХР) – это реакции, происходящие только под действием света или ультрафиолетового излучения (причина: химически активными становятся неактивные в обычных условиях атомы). Лучше, если примеры ФХР ребята подберут сами, ведь многое им уже известно и из других школьных предметов, и из жизни. Чаще всего называют фотосинтез, образование меланина в коже человека (загар), выцветание красителей (ткани, бумаги, даже волос), реакции хлорирования алканов (получение органических растворителей: хлороформа (CHCl3), четыреххлористого углерода (CCl4), дихлорэтана (C2H4Cl2) и др.), обработку фотоматериалов.

Как и фотоэффект, ФХР характеризуются красной границей – минимальной частотой nмин (максимальной длиной волны lмакс) излучения, которое еще может вызвать протекание реакции. Естественно, что у разных веществ красная граница разная. Например, ткань выгорает не только на открытом воздухе, под воздействием солнечного ультрафиолета, но и в помещении с застекленными окнами, под воздействием видимого света (ультрафиолет сквозь обычное стекло не проходит). А меланин в коже (загар) вырабатывается только под действием ультрафиолета.

Теперь остановимся на фотографии (сперва, конечно, черно-белой). Первые фотоснимки были получены в 1839 г. французским художником Луи Дагером, так что некоторое время такие изображения даже назывались дагерротипами. Это открытие стало возможным благодаря обобщению результатов опытов Нисефора Ньепса, тоже француза. Вслед за ними свой способ получения фотографий разработал англичанин Фокс Тальбот, а далее фотография начала развиваться бурными темпами и завоевала буквально весь мир. Неизменной осталась только основа - фотохимические реакции, происходящие с галогенидами серебра (AgBr, AgCl, AgI и их смеси). 

Фотоматериал представляет собой прозрачное стеклянное (фотопластинка) или полимерное (фотопленка) основание, покрытое фотоэмульсией, - желатином с вкрапленными в него микроскопическими (порядка микрометра) кристалликами галогенида серебра с добавками так называемых сенсибилизаторов (веществ, повышающих чувствительность к свету). Первые фотопластинки не содержали этих веществ и имели столь слабую чувствительность, что время экспозиции доходило до получаса. Неподвижный объект сфотографировать на такую фотопластинку еще можно (фотоаппарат устанавливался на штатив), но заставлять человека сидеть столь долго перед объективом без малейшего шевеления было просто издевательством. Светочувствительность современных фотопленок благодаря разному составу и количеству сенсибилизаторов находится в пределах от 50 до 1600 условных единиц ISO. (На практике мы сталкиваемся, как правило, с пленками чувствительностью от 100 до 400 единиц ISO). Большему числу условных единиц соответствует более высокая чувствительность и, следовательно, меньшее время экспозиции.

Как-то в начале 80-х гг. в телевикторине «Что? Где? Когда?» знатокам показали фотографию католического собора, сделанную в середине XIX столетия. Место там вообще-то очень людное, но на снимке не было ни одного человека. Последовал вопрос: «Где люди, почему их нет?» Увы, знатоки решили, что в момент съемок людей просто попросили уйти из кадра, дабы не портить пейзаж. А правильный ответ крылся в крайне слабой чувствительности тогдашних фотоматериалов. За полчаса экспонирования люди преспокойно успевали войти и выйти из кадра, не оставив даже следа на фотопластинке!

Итак, неэкспонированная пленка представляет собой полимерную основу, покрытую «нормальным» бромистым серебром (рис. а). Она «боится» света, поэтому должна находиться в абсолютной темноте, например в фотокассете. В фотоаппарате пленка (тоже в полной темноте) протягивается за нормально закрытым световым затвором. 

При экспозиции затвор на очень короткое время открывается, так что свет (как правило, отраженный от снимаемого объекта) поступает на часть пленки (кадр). Время экспозиции современных фотопленок при нормальном освещении составляет от 1/30 до 1/500 с. Чем оно короче, тем более четким получается изображение, т.к. тем меньше движений во время съемки совершит объект. Когда на кристаллик галогенида серебра (возьмем для определенности AgBr) падает свет, происходит ФХР:



причем бром сорбируется окружающим зерно желатином, а серебро (т.н. фотолитическое) выпадает в виде особых образований - по 1-3 атома (заметим, что в реакции участвует очень малая часть молекул, составляющих кристаллик зерна). Такие образования невозможно увидеть, поэтому их называют центрами скрытого изображения. Светлые участки фотографируемого объекта (например лицо) отражают больше света и создают больше центров скрытого изображения, а темные – меньше. Их распределение по фотокадру после экспозиции схематически показано на рис. б. 

Таким образом, изображение заложено, но оно невообразимо слабое. При проявлении фотопленки (в полной темноте) под воздействием проявителя (водного раствора метола или гидрохинона) реакция восстановления засвеченного галогенида серебра до металлического резко усиливается, реагируют все молекулы засвеченного кристаллика, и образуются «большие», микронные зерна металлического серебра, а бром выводится в раствор (рис. в).

Если сейчас вынести пленку на свет, то можно увидеть черно-серое изображение, которое, однако, все еще «боится» света, т.к. в эмульсии остались кристаллики незасвеченного галогенида серебра, под действием света в них может начаться ФХР, усиливаемая оставшимся на пленке проявителем (пленка-то мокрая). Изображение на только что проявленной пленке держится 

1–2 мин. Итак, надо вывести незасвеченный галогенид серебра. Для этого пленку погружают в фиксаж, т.е. закрепитель (рис. г), например в водный раствор гипосульфита. Последующие промывку и сушку уже можно делать на свету.

Теперь посмотрим на обработанную фотопленку. На месте засвеченного галогенида серебра остались зерна металлического серебра темно-серого цвета, на месте незасвеченного – только прозрачная основа пленки. Другими словами, фотографировали мы, скажем, белое лицо на темном фоне, а на пленке получили темное на светлом (прозрачном) фоне, т.е. изображение, обратное по «черноте» оригиналу, – негатив. При фотопечати, представляющей собой копирование изображения с негатива на фотобумагу (как правило, с увеличением), происходят аналогичные процессы в эмульсии фотобумаги и получается негатив негатива, т.е. позитив – прямое, обычное изображение. 

Но все-таки фотоэмульсия пленки отличается от фотоэмульсии бумаги, так же, как и процессы их обработки. Во-первых, красная граница ФХР фотопленки приходится на пограничную область между красным и инфракрасным излучениями, так что реакция идет при освещении светом любого цвета. Эмульсия фотобумаги имеет красную границу ФХР между красным и оранжевым участками спектра. Вследствие этого фотобумага красного света «не боится», что позволяет производить фотопечать не в абсолютной темноте, а при несильном красном освещении. Во-вторых, время «возбуждения» реакции в эмульсии фотобумаги значительно больше, чем в эмульсии фотопленки (обычно от полсекунды до нескольких секунд, а то и до нескольких десятков секунд). Это сделано специально, поскольку длительность экспозиции фотобумаги определяет человек, а ему просто невозможно отмерять очень маленькие интервалы времени, скажем, 1/30 с.

Теперь перейдем к цветной фотографии. Как начальную стадию она включает в себя черно-белую фотографию: «обычная» эмульсия задает контуры изображения и насыщенность нужного цвета будущего цветного изображения. (Например, чем больше металлического серебра останется на месте будущего изображения красного цвета, тем ярче, насыщеннее будет этот красный цвет.) На цветной пленке имеются еще и три цветных слоя (так называемых основных цветов - красного, синего и зеленого). При засвечивании светом определенного цвета ФХР идет в соответствующем цветном слое. Сложные цвета образуются путем наложения в разных пропорциях друг на друга основных цветов, подобно тому, как получается цветное изображение на экране телевизора. При обработке фотопленки серебро «обычной» черно-белой эмульсии из пленки выводится, т.к. оно свою роль сыграло.

Обработка цветной пленки, конечно же, сложнее, чем черно-белой, поскольку добавляются такие стадии и процессы, как вторичная засветка, цветное проявление, отбеливание, не говоря уж о дополнительных промывках. При обработке обратимых (слайдовых) пленок требуется еще и специальное прекращение первого (черно-белого) проявления. Реактивы здесь более едкие и ядовитые. Более того, надо выдерживать достаточно строго время обработки в каждом процессе, в особенности температуру раствора. Например, температура цветного проявителя должна быть 25 ± 0,25 °С. Ошибешься всего на полградуса – изображение получится неестественного желтого оттенка. Так что дело это очень хлопотное и требует аккуратности, терпения и опыта. Недаром человеческая мысль пришла к автоматизации всех этих процессов. 

Структуру цветной фотопленки можно продемонстрировать учащимся при помощи нехитрого наглядного пособия. Берем ненужный цветной слайд (позитив, но можно воспользоваться и негативом) и кладем его эмульсией вверх. С него в нескольких местах соскабливаем один, два или три слоя. Самый верхний слой – красный (на негативе - зеленый). Его частички надо аккуратно приклеить на участок с полностью снятой эмульсией, и на просвет будет видно, что они темно-красные (темно-зеленые). Никак иначе структуру и цвет верхнего слоя не показать. А вот синий и зелено-голубой (на негативе - желтый и оранжево-коричневый) слои можно увидеть, если сделать более или менее глубокие соскобы на эмульсии. После подготовки кадр вставляем в слайдовую рамочку и демонстрируем учащимся с помощью диапроектора, как обычный слайд. 

Негатив цветной пленки, как известно, получается в дополнительных цветах. Если учащиеся немного ознакомлены с теорией дополнительных цветов, то о цвете, получаемом на негативе при съемке данного объекта, можно спросить и их самих, пусть подумают. Опыт показывает, что обязательно кто-нибудь в классе догадается: то, что на самом деле красное, на негативе – зеленое, что в действительности желтое, на негативе – фиолетовое и т.д. Сто1ит спросить учеников, допустимо ли при цветной фотопечати слабое красное освещение. Они обычно сразу же соображают, что нет, потому что это вызовет появление на фотобумаге зеленого цвета.

Теперь о роли сенсибилизаторов в цветной фотографии. Она здесь намного более значимая, чем в черно-белой фотографии, поскольку сенсибилизаторы в цветных фотоэмульсиях не только повышают чувствительность к свету вообще, но и регулируют чувствительность к каждому конкретному цвету. Иными словами, они отвечают и за точную цветопередачу, и за приятное сочетание цветов. Набор сенсибилизаторов в каждом конкретном типе пленки – строгий секрет фирмы-производителя. И у разных фирм секреты разные. Вспомним недавнее прошлое, пленки «Свема» и «ORWO», наиболее популярные тогда в нашей стране. Изображения на пленках «Свема» всегда имели сине-зеленый оттенок, а на пленках «ORWO» – коричневатый. Многие современные пленки дают голубоватый оттенок и т.д. Одним словом, кому что нравится и в какой ситуации.

Сенсибилизаторы отвечают еще и за яркость цветов. Рассмотрим такой пример. Нужно сфотографировать в полный рост дорогого вам человека. Вам здесь важно все: и одежда, и выражение лица, и цвет глаз. Вы ждете, что пленка передаст все, в том числе и цвет глаз. Скажем, у человека глаза голубые. Но размер радужной оболочки глаза очень мал по сравнению с размером целого кадра, и желанную голубизну пленка может либо не уловить вообще, либо сильно ее исказить, цвет получится блеклым. К сожалению, этим особенно «грешили» наши отечественные пленки. А вот фотоматериалы «ORWO» «умели» голубизну глаз делать даже более заметной. 

Описанное, конечно же, лучше всего показать на реальных слайдах или фотографиях. Особенно если один и тот же сюжет запечатлен в одно время на разные пленки (например, съемки одновременно производили двое, каждый своим фотоаппаратом).

Учащимся-гуманитариям этого уже достаточно для хорошего эмоционального заряда. А в медико-биологических классах, где количество уроков физики побольше, можно рассказать еще и об особенностях настройки фотоаппаратов для получения снимков хорошего качества. Речь идет о регулировке так называемых выдержки и диафрагмы. Напомним, что выдержкой называется время экспозиции кадра, а диафрагмой – размер отверстия в объективе фотоаппарата, сквозь которое засвечивается кадр. Мы уже говорили, что для повышения резкости изображения фотографируемый объект должен быть неподвижен. Но абсолютной неподвижности достичь, как правило, невозможно. Тогда стараются уменьшить выдержку, а для сохранения светового потока увеличивают диафрагму. 

Последнее выводит на понятие сферической аберрации – одного из недостатков линз. Суть сферической аберрации заключается в том, что через главный фокус линзы проходят не все лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси, а только те, которые проходят недалеко от главной оптической оси. Более далекие лучи пересекаются в других точках, что приводит к размыванию изображения. Широкая диафрагма как раз и «запускает в действие» такие лучи, так что проблему недостатка света (при вынужденной малой выдержке или при тусклом освещении) нужно решать не увеличением диафрагмы, а выбором более чувствительной фотопленки.