Скрытое изображение. Естественно-научные основы фотографии Образование скрытого изображения

Фотография:
фотохимические процессы

Для регистрации оптических изображений используют фотохимические или фотоэлектрические системы. Главное различие фотохимического и фотоэлектрического процессов – в способе хранения информации. В фотохимическом процессе энергия поглощенных фотонов приводит к химическим изменениям вещества, которые позволяют хранить (по крайней мере, временно) информацию об изображении.

П отемнение некоторых соединений, в том числе солей серебра, под действием солнечного света было известно еще со времен алхимиков. Такое явление отмечали и специально исследовали многие естествоиспытатели, в том числе немецкий химик и врач Иоганн Глаубер (1604–1670), шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742–1786), французский химик Клод Луи Бертолле (1748–1822).

В 1727 г. немецкий физик Иоганн Шульце обнаружил, что паста из мела и нитрата серебра чернеет на солнечном свете, и получил черные изображения, используя трафарет. В конце XVIII в. в Англии Томас Уэджвуд и Гемфри Дэви (1778–1829) использовали линзу для создания изображения на стекле, бумаге и коже, обработанных нитратом серебра, и получали картины, которые, к сожалению, быстро исчезали. Результаты этих экспериментов были опубликованы в 1802 г.

Первые неисчезающие изображения были получены в 1826 г. французским землевладельцем и изобретателем Жозефом Нисефором Ньепсом (1765–1833), который использовал сплав олова и свинца, покрытый раствором природного битума в лавандовом масле. Битум затвердевал при выдержке на свету в течение нескольких часов, а неэкспонированные участки можно было затем растворить в очищенном скипидаре. В результате возникало рельефное изображение, которое использовалось как клише для получения копий с оригинала.

В 1829 г. Ньепс обратился к солям серебра. Позднее вместе с художником-декоратором и портретистом Луи Жаком Манде Дагером (1787–1851) он разработал метод получения изображений, названный дагеротипией. На фотографические пластины наносили слой серебра, а затем тщательно очищенную поверхность обрабатывали парами йода. Под действием света йодид серебра разлагался с образованием микроскопических частиц металлического серебра, не видимых глазом. Далее пластинку проявляли в парах ртути. Частицы серебра взаимодействуют с ртутью с образованием амальгамы серебра, что можно наблюдать визуально. Амальгама серебра создает участки с матовой поверхностью, оптические свойства которой отличаются от зеркальной поверхности серебра. Оставшийся йодид серебра удаляли обработкой хлоридом натрия (позднее стали использовать тиосульфат натрия). Для получения первых дагеротипов требовалось 15–30 мин экспозиции. К 1837 г., после смерти Ньепса, Дагер настолько усовершенствовал его методику, что мог получать изображения значительно большей яркости.

С ообщение об открытии этого процесса было встречено с большим энтузиазмом. Однако оно было омрачено критическими замечаниями по поводу того, что каждая картина была уникальной и не могла быть повторена. Тем не менее, несмотря на несовершенство процесса, число фотографов неуклонно росло. Хотя этот метод и использовался для пейзажных, архитектурных и рекламных съемок, основным применением дагеротипии стал портретный жанр. До развития дагеротипии изображения человека можно было получать только с помощью живописи, требовавшей больших затрат времени и денег. Дагеротипия стала недорогим способом портретной съемки и приобрела широкую популярность.

Датой рождения фотографии считается 7 января 1839 г., когда о ней был сделан доклад во Французской академии наук английским ученым-любителем Уильямом Генри Фоксом Тальботом (1800–1877). После завершения артистической карьеры он начал экспериментировать в фотографии и создал светочувствительную бумагу. Тальбот пропитывал листы бумаги хлоридом натрия, высушивал их, а затем обрабатывал нитратом серебра, что приводило к образованию хлорида серебра. Те участки, которые подвергались действию света и состояли из мельчайших частиц серебра, были темными. Неосвещенные участки оставались светлыми.

Хотя снимки Тальбота, несомненно, уступали по качеству картинам Дагера, нововведения этого процесса облегчали его дальнейшее совершенствование и прокладывали путь для той фотографии, которую мы знаем сейчас.

Английский астроном и физик Джон Фредерик Вильям Гершель (1792–1871), который еще в 1819 г. обнаружил, что тиосульфат натрия растворяет различные соли серебра, узнав о работах Дагера и Тальбота в январе 1839 г., стал фиксировать изображение тиосульфатом натрия. Именно Гершель первым придумал термины «фотография», «негатив» и «позитив».

Возможность воспроизведения была достигнута с помощью процесса «калотипии», запатентованного Тальботом в 1841 г. В усовершенствованном методе он использовал полупрозрачную бумагу, обработанную йодидом серебра, и «проявитель» – галловую кислоту. Он делал «негатив», с которого затем можно было получить любое число «позитивных» отпечатков. Более того, при этом было сделано важное открытие «скрытого изображения», которое надо было проявить позднее. Даже для очень грубых снимков Тальбота время экспозиции уменьшилось до нескольких минут, и получать портреты стало легче, хотя для позирующих это все еще было неудобно.

Через два года Тальбот впервые осуществил позитивную печать с увеличением.

«Мокрый коллоидный» процесс английского химика Фредерика Скота-Арчера (1831–1892), разработанный в 1851 г., уменьшил время экспозиции до ~10 с. Коллодий представляет собой вязкий раствор нитроцеллюлозы в смеси эфира и спирта. Пластинки Арчера изготовлялись путем растворения соответствующих йодидов и бромидов в вязком коллодии и нанесения этого раствора на стеклянную пластинку. Невысохшую пластинку сенсибилизировали погружением в нитрат серебра, экспонировали в фотокамере, проявляли, фиксировали, промывали и сушили. Такие мокрые фотопластинки оказались весьма чувствительными к свету и давали высокую четкость изображения. Существенным недостатком являлась необходимость осуществления всего процесса за время, пока покрытие не успевало полностью высохнуть, т.к., подсохнув, оно становилось практически непроницаемым для обрабатывающих растворов. Кроме того, фотограф должен был сам готовить пластинки и использовать их влажными.

Позднее были изобретены сухие коллоидные пластинки, однако они требовали приблизительно в три раза большего времени экспозиции, чем мокрые.

Пластинки с «сухим желатином», изобретенные в 1871 г. английским врачом Р.Л.Мэддоксом и усовершенствованные в 1878 г. Ч.Беннетом, сократили время экспозиции до всего лишь 0,1 с. Растворенный в воде желатин смешивался с бромидом калия, а затем с нитратом серебра. Полученная эмульсия наносилась на стеклянную пластинку и высушивалась. Теперь фотографы были избавлены от необходимости использовать штатив и собственноручно изготавливать фотопластинки.

В 1884 г. Джордж Истмен (1854–1932) получил патент на новую систему фотографирования, в которой использовалась роликовая пленка на бумажной подложке и кассета, которая заряжалась пленкой в темном помещении и прикреплялась к фотоаппарату. Этот человек основал американскую компанию «Кодак». В 1889 г. компания «Истмен кодак» наладила производство прозрачной гибкой пленки с подложкой из нитрата целлюлозы.

В 1873 г. немецкий исследователь Г.В.Фогель (1834–1898) открыл, что чувствительность фотоэмульсии можно увеличить, вводя в нее определенные красители. «Спектральная активация» в настоящее время может увеличить чувствительность не только по всей видимой области, но и в инфракрасной области.

Таким образом, знания в области химии позволили изобретателям шаг за шагом подойти к негативно-позитивному процессу с использованием фотопленок, основные принципы его сохранились до наших дней. Фотография является ярким примером технологии, которая успешно двигалась вперед с развитием представлений об ее общих принципах. Большинство основных процессов было охарактеризовано около полутора веков назад, однако ясного теоретического обоснования не существовало до публикации в 1938 г. классической работы Н.Ф.Мотта и Р.У.Герни в журнале Королевского общества (Англия). С тех пор было проведено большое количество фундаментальных исследований, касающихся фотопроцессов, в различных областях физики и химии твердого тела.

Н аиболее важными этапами фотографического процесса являются:

а) подготовка светочувствительной поверхности;

б) экспозиция для получения «скрытого изображения»;

в) проявление изображения для получения «негатива»;

г) сохранение изображения, т.е. его «фиксирование»;

д) изготовление «позитивных» отпечатков с негатива.

Получение светочувствительной поверхности. В современных процессах светочувствительная поверхность – это эмульсия галогенида серебра в желатине, нанесенная на подходящую прозрачную пленку или подложку. Галогенид осторожно осаждают таким образом, чтобы получить мелкие однородные кристаллы (содержащие ~10 12 атомов серебра и имеющие менее 1 мкм в диаметре), или «зерна», как их обычно называют. Выбор галогенида зависит от того, какая чувствительность требуется, однако обычно используется бромид серебра (в особо чувствительных пленках – йодид серебра). В эмульсии добавляют также хлорид серебра (особенно в эмульсии для бумаги) и определенные органические красители. Обычно галогенид серебра составляет около 12% всего объема эмульсии негативного материала и около 6% – в случае фотобумаги.

Экспозиция для получения «скрытого изображения». Когда при экспозиции на свету фотон энергии h попадает в зерно галогенида серебра, галогенид-ион возбуждается и отдает электрон в зону проводимости, через которую он быстро переходит на поверхность зерна, где может высвободить атом серебра:

Br – + h Br + e ,

Ag + + e Ag.

Эти стадии, в принципе, обратимы, однако на практике – нет, поскольку серебро высвобождается в дислокации (дефекте) кристалла или в позиции, занятой примесью (например, сульфидом серебра). Это дает возможность электрону понизить энергию, так что он оказывается в «ловушке». Активаторы чувствительности повышают чувствительность во всей видимой области спектра, т.к. они поглощают свет с характеристической частотой и обеспечивают механизм переноса энергии к галогенид-иону, чтобы возбудить электрон.

Чем больше фотонов попадает в зерно, тем больше электронов мигрирует и разряжает атомы серебра в одной точке. Образование хотя бы нескольких атомов серебра в зерне (в особо чувствительных эмульсиях в среднем 4–6 атомов, однако обычно в 10 раз больше) создает «точку». Она слишком маленькая, чтобы быть видимой. Однако концентрация зерен, содержащих такие точки, меняется по пленке в соответствии с изменением интенсивности полученного света, что создает в результате «скрытое изображение». Параллельное образование атомов галогена приводит к формированию молекул галогена, которые поглощаются желатином.

Проявление изображения для получения «негатива». «Проявление», или усиление интенсивности скрытого изображения, осуществляется действием мягкого восстановителя, который селективно восстанавливает те зерна, в которых имеются точки серебра, и не затрагивает неэкспонированные зерна. В этом процессе необходимо тщательно контролировать температуру и концентрацию и остановить процесс до того, как начнется взаимодействие с неэкспонированными зернами. Обычно в качестве восстановителя используют гидрохинон 1,4-C 6 H 4 (OH) 2 . Продуктом его окисления является хинон.

Химическая реакция проявления может быть выражена уравнением:

2AgBr + 1,4-C 6 H 4 (OH) 2 = 2Ag + 2HBr + 1,4-C 6 H 4 (O) 2 .

Для ускорения процесса в проявитель вводят щелочи, карбонаты или бораты (они повышают рН). Кроме того, в него добавляют сульфиты, которые предотвращают окисление проявителя кислородом воздуха и реагируют с продуктами окисления проявляющего вещества.

Процесс восстановления является примером каталитической твердофазной реакции. Ее механизм выяснен не до конца, однако полное восстановление металла в зерне (т.е. 10 12 атомов серебра), начинающееся с отдельной точки (т.е. 10 или 100 атомов серебра), дает замечательное усиление скрытого изображения примерно в 10 11 или 10 10 раз, что позволяет существенно уменьшить время экспозиции. Это является причиной первенства галогенидов серебра по сравнению с другими фоточувствительными материалами, хотя интенсивный поиск новых фотохимических систем все еще продолжается.

Сохранение изображения, т.е. его «фиксирование». После проявления негатив надо «закрепить» путем растворения всей оставшейся соли серебра, чтобы предотвратить ее дальнейшее восстановление. Для этого требуется подходящий комплексообразующий реагент. Обычно используется тиосульфат натрия:

AgBr + 2Na 2 S 2 O 3 = Na 3 + NaBr,

т.к. реакция идет практически до конца и оба продукта растворимы в воде.

Изготовление «позитивных» отпечатков с негатива. Позитивный отпечаток является обратным негативу. Он получается пропусканием света через негатив и повторением вышеперечисленных стадий с использованием бумаги вместо прозрачной пленки.

Е ще в те времена, когда стала развиваться дагеротипия, фотографы стремились к получению цветного изображения. Сначала пытались просто совместить изображения, снятые через цветные светофильтры, затем мелкие светофильтры стали размещать прямо в слое эмульсии на фотоматериале. В 1861 г. шотландский физик Джеймс Максвелл (1831–1879), обнаружив, что чувствительность солей серебра неодинакова в разных участках спектра, предложил трехцветный процесс, в котором отдельные негативы экспонировались через красный, зеленый и голубой фильтры. Тем самым он заложил основы для дальнейшего развития цветной фотографии. В 1861 г. в лондонском Королевском институте он продемонстрировал цветное изображение красной ленты.

При субтрактивном способе цветовоспроизведения, предложенном в 1868 г. французским химиком Луи Дюко дю Ороном (1837–1920), цвет частичных изображений является дополнительным к цвету лучей при экспонировании.

В 1903 г. братья Луи Жан и Огюст Люмьер разработали автохромный процесс получения цветных изображений. Для его осуществления мелкие зерна крахмала окрашивались в красный, зеленый и синий цвета. Эти зерна равномерно распределялись по стеклянной пластинке и покрывались эмульсией. Изготовленная таким образом пластинка экспонировалась со стороны стекла и проявлялась с обращением для получения диапозитива. Через несколько лет – в 1907 г. – цветная фотография стала коммерчески доступной.

Современные цветные фотоматериалы состоят из трех или более цветочувствительных эмульсионных слоев. Каждый из слоев по отдельности предназначен для регистрации одного из основных цветов. Верхний слой регистрирует лучи синей части спектра, средний – зеленой, нижний – красной.

Используемые для регистрации цветного изображения галогениды серебра сами по себе не могут образовывать цвета. Цвет вводится в пленку или отпечаток посредством краскообразующих компонентов, которые активируются во время цветного проявления. В процессе проявления продукты окисления проявляющего вещества реагируют с краскообразующими компонентами с образованием окрашенных участков только в тех местах, где произошло проявление. Цвет красителя каждого слоя является дополнительным к соответствующему основному цвету, к которому чувствителен этот слой.

Для изготовления любых фотоматериалов требуются соли серебра. Еще в XIX в. предлагалось использовать в фотографии светочувствительность некоторых солей железа, смешанных с солями платины или палладия, однако после первой мировой войны от этого способа отказались, в основном вследствие высокой стоимости фотоматериалов. Учитывая возможность полного исчерпания запасов серебра и его растущую стоимость, многие исследователи пытались найти новые недорогие светочувствительные материалы. Однако более перспективным оказалось повторное использование серебра после извлечения его из отработанных фотоматериалов. Альтернативой химическим фотографическим процессам стала цифровая фотография, хотя в некоторых отношениях она пока уступает традиционному способу фотографирования.

Л и т е р а т у р а

Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements, Oxford: Butterworth, 1997; Митчел Э. Фотография. Москва: Мир, 1988.

Природа светочувствительности. Под действием света в веществе могут происходить те или иные изменения. Световая энергия может превращаться в тепловую, электрическую, механическую и другие виды энергии. Взаимодействуя с веществом, свет может вызывать окисление красящего вещества (выцветание), фотосинтез, фотоэффект, свечение – люминесценцию. Наибольший интерес для фотографического процесса представляют превращения, связанные с изменением химического состава (разложением) вещества, которые происходят в результате фотохимических реакций.

Способность вещества определенным образом реагировать на оптическое излучение, изменяя свою окраску, называется в традиционной фотографии светочувствительностью . В результате фотохимической реакции происходит разложение вещества и изменение его химического состава. Существует огромное количество веществ, способных подвергаться фотохимическим превращениям. К их числу относятся соли железа, хромовокислые соли, соли серебра и многие другие.

Наибольшее применение в фотографии нашли соли серебра: хлорид серебра (AgCl), бромид серебра (AgBr) и иодид серебра (AgI), обладающие светочувствительностью к коротковолновой (сине-фиолетовой) части видимого спектра и называемые галогенидами серебра. Они обладают не только способностью изменяться под действием света, но и усиливать эти изменения в присутствии веществ-восстановителей. Например, светочувствительностью обладают как йодистое серебро (AgI), так и йодистый свинец (PbI) 2. Причем соль свинца под действием света темнеет гораздо сильнее, чем соль серебра. Однако результат действия света усиливается в процессе химического восстановления только в случае йодида серебра. Эти и другие уникальные свойства галогенидов серебра предопределили их широкое применение в фотографии.

Рис. 16. Увеличенное изображение микрокристаллов галогенидов серебра

Физические и химические свойства галогенидов серебра . В твердом состоянии галогениды серебра представляют собой плоские микрокристаллы ионного типа, имеющие форму треугольников, усеченных треугольников, шестиугольников, квадратов и т. д., наблюдаемые при больших увеличениях (рис. 16).

Их внутренняя структура представляет пространственную кристаллическую решетку – геометрический образ, показывающий расположение атомов в кристалле (рис. 17).

Кристаллическая решетка микрокристаллов галогенидов серебра относится к простейшим – кубическим, гранецентрированным. Она образована последовательно чередующимися отрицательно заряженными ионами брома (Br -) и положительно заряженными ионами серебра (Ag +), расположенными в узлах решетки по трем взаимно-перпендикулярным направлениям. Каждый ион в узлах кристаллической решетки удерживается в состоянии относительного равновесия за счет сил межатомного взаимодействия – притяжения разноименных и отталкивания одноименных зарядов (рис. 18).

Если кристаллическая решетка вещества идеальна, т. е. последовательность чередования ионов не нарушена, то энергия в кристалле распределена в среднем равномерно между всеми ионами. Свет, взаимодействуя с таким веществом, не вызывает фотохимических превращений. Таким образом, вещество с идеальной кристаллической решеткой не обладает светочувствительностью.

Мы знаем, что скрытое изображение представляет небольшую группу атомов серебра. Нам, кроме того, известны некоторые, явления, характерные для галогенидов серебра в темноте и на свету: существование темновой проводимости, обусловленной движением межузельных ионов Ag + ; отсутствие подвижных ионов Hal-; возникновение при освещении свободных электронов и положительных дырок, из которых первые гораздо, подвижнее вторых; существование в решетке кристалла галогенида серебра нарушений, наиболее значительные из которых имеют примесную природу, возникают в ходе химического созревания и оказывают - наибольшее влияние на светочувствительность кристаллов, т. е. на их способность к образованию скрытого изображения. Надо теперь из этих разрозненных сведений построить общую картину. Впервые это сделали в 1938 г. английские физики Р. Гэрни и Н. Мотт (впоследствие лауреат Нобелевской премии), Хотя в дальнейшем: предложенная ими картина подверглась дополнению (за 40 с лишним лет это неизбежно), а кое в чем претерпела и изменения, общие ее положения сохранились по сей день-редкий пример научного долголетия!

Согласно Гэрни и Мотту, дело обстоит следующим образом. Каждый микрокристалл фотоэмульсии при освещении ведет себя независимо от других, и его последующая судьба -возникновение способности к проявлению или ее отсутствие - не зависит от того, что случится с его соседями. Освещение вызывает в микрокристалле галогенида серебра - внутренний фотоэффект, т. е. появление свободных электронов, перемещающихся в пределах микрокристалла до тех пор, пока они не попадут в какие-либо потенциальные ямы, где задержатся на более или менее длительное время. За время их нахождения в. яме (тем самым яма приобрела отрицательный заряд) к ним: подходят находящиеся вблизи подвижные ионы Ag+, которые- влечет обычная сила притяжения разноименных зарядов. Результатом является возникновение группы атомов серебра по реакции

nе - + nAg + nAg 0

Поскольку в мелкой яме электроны могли бы и не задержаться надолго и уйти из нее еще до подхода ионов Ag+, главную роль в образовании групп атомов играют наиболее глубокие ямы, из которых электроны почти не имеют шансов уйти, а как раз такими ямами, как мы помним, служат примесные частицы, возникшие при химическом созревании. Так объединился в одно целое ряд разрозненных до сих пор деталей.

В этой картине удалось найти место и для других давно известных экспериментальных фактов. Остановимся на двух из них. Во-первых, было доказано, что скрытые изображения, созданные действием света, поглощаемого самим галогенидом серебра (сине-фиолетового, а также ультрафиолетового), и действием света (зеленого, желтого, красного), поглощаемого красителем-оптическим сенсибилизатором, совершенно одинаковы. Во-вторых, как уже говорилось, восстановление галогенида серебра до металла в проявителе не идет в отсутствие скрытого изображения. Оба факта в рамках теории Гэрни-Мотта вполне естественны. Действительно, если поглощение света красителем вызовет освобождение в нем электрона, передаваемого затем в галогенид серебра, или передачу в галогенид энергии возбуждения, полученной красителем и достаточной для освобождения электрона в самом галогениде, то все остальное будет происходить так, как если бы свет поглощался непосредственно в микрокристалле. Правда, и по сей день нет окончательного ответа на вопрос, что же делает краситель- передает ли электрон или энергию возбуждения, но возникновение в галогениде серебра свободных электронов после поглощения света красителем доказано прямыми опытами, а значит, ответ, вытекающий из теории Гэрни - Мотта, остается правильным независимо от деталей картины.

Нетрудно понять и второй из названных фактов. Восстановление с точки зрения химии есть передача электронов от восстановителя (который сам при этом окисляется) к восстанавливаемому веществу. Если проявляющее вещество, как и положено восстановителю, передаст микрокристаллу галогенида серебра электроны, те начнут перемещаться по кристаллу, пока не закрепятся в какой-либо потенциальной яме и начнут притягивать к себе ионы Ag+. Очевидно, наиболее прочным будет закрепление их в наиболее глубоких ямах, а такими, как мы знаем, будут места сосредоточения скрытого изображения. К этому добавим, что образование атома серебра в яме “углубляет” ее; иными словам ми, процесс роста частицы серебра на яме путем поодиночного добавления атомов есть в то же время процесс углубления ямы. Значит, со всеми электронами, переходящими от восстановителя. будет происходить то же, что и с электронами, появившимися вследствие фотоэффекта, и рост частицы серебра, начавшийся еще на стадии экспонирования, будет продолжаться на стадии проявления - подчеркиваем, именно продолжаться, а не начинаться.

Не забудем и о судьбе положительных дырок, образующихся одновременно со свободными электронами. Гэрни и Мотт считали, что в образовании скрытого изображения дырки не играют никакой роли по следующим причинам: они малоподвижны, и когда электрон уже далек от места своего освобождения, дырка еще почти не сдвинулась оттуда, т. е. их воссоединение (рекомбинация, как говорят в физике) маловероятно, и процесс вспять не пойдет; дырка же, дошедшая наконец до поверхности кристалла, застает там уже не электроны, а готовые атомы Ag°, и хотя в химическом смысле дырка есть просто атом Наl°, реагировать с атомом Ag° ей трудно - мешает и малая подвижность, и присутствие сразу связывающей ее желатины. О том, насколько точны эти утверждения, у нас.еще будет случай поговорить, но они по крайней мере не просто исключают дырки из участия в фотолизе, а дают этому определенные основания.

Какие бы изменения и дополнения ни вносились позднее в теорию Гэрни - Мотта, одно осталось незыблемым - существование двух стадий образования скрытого изображения, сначала электронной, затем ионной. Сейчас мы перейдем к изложению более детальных и более современных представлений, но в них чередование электронной и ионной стадий сохранится. Основные же изменения, каких теория Гэрни - Мотта потребовала уже вскоре после своего появления, вытекали из соображений о длительности двух стадий. Начнем по порядку.

Гэрни и Мотт допускали, что все свободные электроны могут закрепиться в одной яме. Однако первый попавший туда электрон будет по закону Кулона отталкивать другие идущие к этой яме электроны; простой расчет показывает, что он не подпустит другие электроны к яме ближе, чем на 50-60 А, т. е. на десяток постоянных решетки галогенида серебра, а это больше размера самой ямы. Значит, пока заряд первого закрепившегося в яме электрона не будет нейтрализован подошедшим ионом Ag+, другой электрон к яме подойти не может и если даже он и окажется в яме, то не в этой же, а в другой; вместо возникновения и беспрепятственного роста группы атомов серебра в одном месте начнется в большей или меньшей мере распыление атомов, в том числе и одиночных, по многим местам. Чтобы довести эти соображения до сравнения с прямым опытом, прикинем, о каких временах идет речь.

Точечный заряд е (электрона) создает на расстоянии R электрическое поле с напряженностью e/R 2 (здесь -диэлектрическая проницаемость среды, в данном случае AgHal). Из физики известно также, что поле с напряженностью Е создает через поверхность S ток I == ES ( - удельная электрическая проводимость среды, в данном случае темновая в AgHal, т. е. ионная). Поскольку поверхность вокруг точечного заряда есть сфера, то S == 4R 2 , и поэтому I == 4e/. С другой стороны, сила тока I есть заряд, прошедший через данную поверхность за единицу времени, т. е. Q/t. Пройдет же через сферу ровно столько заряда, сколько нужно для нейтрализации заряда электрона; значит Q == е. Отсюда время, нужное для нейтрализации этого заряда, есть

t =Q/I = е/(4e/) = /4

Раньше уже говорилось, что для бромида серебра о w W Ю- 11 м/Ом-мм 2 или 10- 5 Ом--м- 1 . Что же касается диэлектрической проницаемости, она составляет для бромида серебра около 13 относительно вакуума, а так как для вакуума е==1,11 .Ю- 10 Ф/м, то для AgBr в = 1,45-Ю- 9 Ф/.м, откуда t w Ю"" 5 с. Для хлорида серебра е относительно вакуума равна 12,2, о w 10~ 10 м/Ом-мм 2 , а значит, t близко к Ю~ 4 с. Раньше указанного времени следующий электрон не сумеет подойти к яме и принять участие в росте группы атомов серебра, т. е. скрытого изображения. Но это, возможно, и не потребуется:

если, скажем, за все время экспонирования микрокристалл поглотит десяток-другой квантов, то в среднем время от возникновения одного свободного электрона до возникновения другого составит одну десятую или одну двадцатую всей выдержки. В обычных условиях выдержка редко бывает меньше 10 -2 с, т. е. от появления одного электрона в яме до появления там другого в среднем пройдет больше времени, чем нужно для нейтрализации заряда первого электрона, и ничто не помешает росту группы атомов серебра в одном месте. Исключение составят случаи очень малых выдержек, интересные для теории и для ряда чисто технических задач, но почти невозможные в фотолюбительской практике; о них речь еще впереди.

Слишком быстрый темп возникновения свободных электронов не является единственным препятствием для роста группы атомов. Препятствием, хотя и по иным причинам, оказывается также слишком медленный темп их возникновения, что случается при больших выдержках и низких освещенностях - ситуации не столь редкой в практике фотолюбителя. Действительно, медленный темп означает, что промежутки времени, в течение которых первый образовавшийся атом остается в одиночестве, велики: так, при выдержке порядка секунды эти промежутки доходят до десятых долей секунды, а при выдержке порядка минуты-до нескольких секунд, что по атомным масштабам составляет огромное время. Предоставленный самому себе, не связываемый никакими. взаимодействиями с другими атомами, поскольку их нет, чужеродный по отношению к решетке, где силы имеют электрическую природу и не воздействуют на электрически нейтральную частицу, такой атом имеет немалые шансы “распадаться” на исходные составные части-электрон и ион Ag+, используя для распада окружающую тепловую энергию. Химически такое утверждение означает просто обратимость реакции

е - + Ag + Ag 0

т. е. явление достаточно известное. Имеются многочисленные, хотя и не во всем согласующиеся друг с другом опытные данные, по которым время жизни атома Ag 0 столь мало, что не превышает при комнатной температуре тысячных долей секунды, а чаще бывает и того меньше. Значит, если второй электрон “запаздывает” с появлением вблизи данной ямы (по причине вполне уважительной - он еще просто не возник), то когда он, наконец, возникнет и подойдет к данной яме, у него немало шансов застать ее пустой: имевшийся ион Ag+ уже вернулся к межузельному состоянию и перемещается по кристаллу, и электрон тоже ушел (его там никто не удерживал-иона нет, решетка нейтральна) и движется по кристаллу; не исключено “возвращение блудного сына” к иону галогена (ныне дырке), откуда электрон был освобожден при поглощении кванта, т. е. рекомбинация. Таким образом, образование частицы скрытого изображения придется начинать заново, и чем реже будут возникать свободные электроны, тем более вероятен именно такой ход событий.

Допустим, однако, что обстоятельства благоприятны и там, где уже есть один атом, возникнет также и второй. Этим ситуация резко изменяется: хотя два атома еще не составляют катализатора проявления, их взаимовлияние стабилизирует пару, и время жизни обоих атомов резко увеличивается, т. е. теперь они скорее всего дождутся прихода третьего электрона, образования третьего атома, не распадаясь, а значит, рост группы атомов продолжится беспрепятственно. Многочисленные опыты (о некоторых речь впереди) показали, что время жизни группы даже из двух атомов доходит до многих суток и во всяком случае измеряется часами. Вместе с тем считать их абсолютно устойчивыми тоже нельзя. Вообще, можно сказать, что среди любых частиц скрытого изображения абсолютно устойчивых не бывает, и даже вполне завершенное скрытое изображение, имеющее свойства катализатора, может постепенно распадаться (уменьшаясь на один атом за раз), если время между экспонированием и проявлением велико, скажем, порядка месяцев или лет, а особенно если экспонированный материал хранится при повышенной температуре.

Трудности роста при высоком темпе возникновения свободных электронов не исчерпываются распылением серебра по многим ямам вместо одной. Дело в том, что глубоких ям, надолго захватывающих электрон и тем гарантирующих ему подход иона Ag+, немного и расположены они, как уже сказано, на поверхности микрокристаллов, т. е. там, где при химическом созревании шли реакции галогенида серебра с примесями желатины и где после погружения в проявитель легче всего получать электроны от проявляющего вещества. Если свободных электронов много (темп их образования высок), больше, чем имеется глубоких поверхностных ям, электроны по необходимости закрепляются на всех других мало-мальски глубоких ямах, а среди таких большинство связано с протяженными дефектами - трещинами, дислокациями и другими нарушениями в объеме микрокрибталлов. Значит, скрытое изображение начнет образовываться не только на поверхности, но и внутри микрокристаллов, а там прямого контакта с восстановителем нет и функционирование частиц серебра в качестве катализатора проявления невозможно. Хорошо еще, если проявитель содержит растворитель галогенида серебра (им в большинстве проявителей является сульфит натрия и в некоторой мере бромид калия) -тогда спустя некоторое время после погружения в проявитель поверхность микрокристаллов растворится и доступ восстанавливающего раствора к скрытому изображению будет открыт; если же взят проявитель мало или вовсе не растворяющий, возникает парадоксальная ситуация-скрытое изображение есть, но выполнить свою основную функцию катализатора ему мешают внешние обстоятельства и проявление не идёт.

Такова более детальная картина, вытекающая из представлений Гэрни и Мотта. Нам еще не раз придется возвратиться к ней в следующем разделе, поскольку из нее прямо следуют некоторые соображения, важные для практической фотографии. В качестве иллюстрации к сказанному приведем здесь два снимка (рис. 13), многое проясняющие.

Принцип получения цветных фотографических изображений

Получение цветных фотографических изображений основано на трехцветно теории зрения. Согласно этой теории светоощущающий aппарат глаза состоит из трех типов элементов, имеющих разную цветочувствительность. Элементы одного типа чувствительны главным образом к синим лучам спектра, второго - к зеленым и третьего - к красным. Красные лучи вызывают возбуждение красночувствительных элементах, создавая впечатление красного цвета, и т. д. L-месь лучей различных цветов способна возбуждать в равной степени все цветочувствительные элементы глаза и вызывает у нас ощущение белого цвета. В результате различных комбинаций степени возбуждения трех типов цветочувствительных элементов глаза получается ощущение всех существующих цветов и всевозможных цветовых оттенков.

При получении цветных фотографических изображений вначале осуществляют разделение оптического изображения на три 3 составляющие, в спектральном отношении соответствующие зонам чувствительности трех приемников световой энергии. Этот процесс называется цветоделением. Далее следует градационный процесс, в ходе которого регистрируются оптические плотности каждого из цветоделенных изображений. В заключительном процессе синтеза цвета оптические плотности цветоделенных изображений управляют в трех цветовых зонах интенсивностью света. Таким образом, для каждой из цветовых зон формируется свое. изображение, а их совмещение обеспечивает цветное воспроизведение объекта съемки.

В цветной фотографии цветоделенные изображения формируются из красителей, цвет которых является дополнительным к основным цветам. Наиболее распространенный способ образования красителей основан на принципе цветного проявления. В упрощенном виде процесс цветного проявления может быть представлен следующей схемой:

AgHal + Red = Ag° + Hal + Ox (1)

Ox + компоненты = краситель (2)

где Red - цветное проявляющее вещество; Ox - окисленная форма цветного проявляющего вещества; Ag° - металлическое серебро.

Легко заметить, что первая стадия процесса (1) практически совпадает с реакцией черно-белого проявления. Отличие заключается в том, что в данном случае применяются цветные проявляющие вещества. (Особенности их действия рассмотрены в следующем разделе.) Компоненты, или, как их еще называют в литературе, цветные либо цветообразующие компоненты, могут находиться в растворе проявителя (диффундирующие компоненты) или вводятся в светочувствительный слой (закрепленные компоненты). В зависимости от химического строения компоненты при взаимодействии с окисленной формой проявляющего вещества образуют желтые, пурпурные или голубые красители.

Реакции, соответствующие уравнениям (1) и (2), протекают в фотографическом слое в процессе цветного проявления практически одновременно. Краситель образуется в количестве, пропорциональном количеству выделившегося металлического серебра. Таким образом, в светочувствительном слое формируются два совмещенные изображения, состоящие из серебра и из красителей. В процессах обработки, следующих за проявлением, серебряное изображение и неэкспонированный галогенид серебра удаляются, после чего в фотографическом слое остается изображение, состоящее только из красителя.

Для получения цветных изображений необходим специальный многослойный цветной фотоматериал, содержащий обычно закрепленные компоненты. На рис. 30 показаны как строение такого материала, так и способ формирования изображения в нем. Основа может представлять собой пленку (например, триацетатную, полиэтилентерефталатную) или бумагу (с баритовым или полиэтиленовым покрытием). Фильтровый слой представляет собой коллоидное серебро, диспергированное в желатине. В некоторых цветных фотоматериалах этот слой отсутствует. Зато есть такие материалы, где между нижним эмульсионным слоем и основой помещается противоореольный слой. Благодаря подбору соответствующих компонент в светочувствительных слоях возникают изображения, по цвету дополнительные лучам той зоны спектра, которую воспринимает данный слой. Так, в верхнем синечувствительном слое образуется желтый краситель; в среднем слое, воспринимающем зеленые лучи (синие поглощаются фильтровым слоем) образуется пурпурный краситель; подобным образом в нижнем красночувствительном слое возникают голубые красители. Порядок расположения слоев может быть иным. Однако везде неизменным остается принцип Нормирования цветного изображения в трех слоях, в которых возникают соответствующие условиям цветоделения красители.

Для каждого из трех красочных изображений может быть построена характеристическая кривая, представляющая собой зависимость оптической плотности соответствующего красителя от логарифма экспозиции (см. раздел 2.3). По этим характеристическим кривым могут быть определены значения светочувствительности, коэффициента контрастности, максимальной оптической плотности, оптической плотности вуали, полезного интервала экспозиций. Для характеристики соотношения сенситометрических параметров отдельных слоев цветных фотоматериалов введено понятие баланса. Баланс по чувствительности Б ч определяется соотношением величин светочувствительности для наиболее и наименее чувствительного слоев:

Б ч = S наиб /S наим

В оптимальном случае Б ч = 1, а в соответствии со стандартом величина Б ч не должна превышать 2,0-2,5 для цветных негативных пленок и 1,6-1,8 для обращаемых. Разбалансировка по чувствительности как негативных, так и позитивных фотоматериалов исправляется с помощью корректирующих светофильтров.

Весьма важной характеристикой цветных фотоматериалов является баланс по контрасту Б к, определяемый как разность наибольшего и наименьшего коэффициентов контрастности отдельных слоев:

Б к =  наиб -  наим

В оптимальном случае Б к = 0, однако на практике этого не удается достигнуть. Поскольку исправить разбалансировку по 8контрасту очень трудно, величина 6к не должна превышать 0,1 для цветных негативных пленок, 0,3 - для цветных обращаемых пленок, 0,5 - для цветных фотобумаг.

Изготовление цветных фотоматериалов стараются осуществлять таким образом, чтобы разбалансировка слоев по чувствительности и контрасту была наименьшей. При экспонировании цветных фотоматериалов необходимо не только учитывать общий уровень освещенности (как для черно-белых фотоматериалов), но и регламентировать спектральный состав освещения. Наконец, для обеспечения баланса следует строго соблюдать рекомендации по химико-фотографической обработке цветных фотоматериалов.

Цветные проявляющие вещества и компоненты

Основным элементом цветных проявителей (так же, как и черно-белых) является проявляющее вещество. К нему помимо обычных требований предъявляются следующие специфические требования.

1. Продукты окисления проявляющего вещества должны вступать в реакцию с цветными компонентами и образовывать в фотографическом слое различные красители в зависимости от химического строения компонент.

2. Спектральные характеристики (цвет) образующихся в процессе проявления красителей должны удовлетворять требованиям цветовоспроизведения.

3. Образующиеся в процессе проявления красители должны быть светостойкими и долговечными.

Имеется ряд веществ, которые в той или иной мере отвечают этим основным требованиям. К ним относятся производные парафенилендиамина.

Различные вещества имеют различную скорость образования красителей в процессе цветного проявления. Так, диэтилпарафенилендиамин (ЦПВ-1) обеспечивает большую эффективность цветного проявления, чем этилгидроксиэтилпарафенилендиамин (ЦПВ-2), но зато он характеризуется значительно более высокой аллергической активностью, т. е. способностью вызывать экзему у людей, соприкасающихся с цветным проявителем. Поэтому в проявителях для цветных фотобумаг обычно используется менее токсичный ЦПВ-2. Чтобы повысить эффективность проявления можно увеличить концентрацию ЦПВ-2 в проявителе. Это приводит к некоторому повышению скорости проявления и коэффициента контрастности. Такой прием может оказаться полезным при изготовлении отпечатков с малоконтрастных цветных негативов. "Однако чрезмерное увеличение концентрации проявляющего вещества может привести к падению фотографической широты, росту вуали и ухудшению баланса. Обычно оптимальные концентрации составляют 2,5-3,0 г/л для ЦПВ-1 и 4,5-5,0 г/л для ЦПВ-2. Основные требования, предъявляемые комнопентам,- отсутствие собственной окраски и способность образовывать краситель при взаимодействии с продуктами окисления цветные проявляющих веществ. В качестве компонент часто используют производные  -нафтола (образуют голубые красители) и вещества, содержащие активную метнлсновую группу (образуют пурпурные и желтые красители). Пример суммарной реакции цветного проявления с участием Ц11В-2 и а-нафтола, протекающей с образованием голубого иидоаинлнпового красителя, приводится ниже [уравнение (3)]. Для простоты промежуточные стадии этой реакции не рассматриваются: -Нафтол вводится в проявляющий раствор и представляет собой так называемую диффундирующую компоненту. Однако обычно используются не диффундирующие компоненты, а закрепленные, т. е. находящиеся в трех светочувствительных слоях цветного фотоматериала. Эти компоненты бывают двух основных типов - недпффуидирующие и гидрофобные.

Не диффундирующие компоненты отличаются от диффундирующих прежде всего наличием алифатического остатка, например C 17 H 35 , C 18 H 37 . Это приводит к уменьшению диффузионной подвижности как компоненты, так и образующегося из нее красителя. В то же время недифундирующие компоненты благодаря наличию гидрофильных групп достаточно растворимы в водных растворах, что обеспечивает их введение в фотографическую эмульсию.

Гидрофобные (или защищенные) компоненты нерастворимы или очень плохо растворимы в воле. Такие компоненты растворяют в органических растворителях и диспергируют в желатиновой галогенидосеребряной эмульсии перед нанесением на основу.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://chemistry.narod.ru/

Криминалистические - используются в области технико-криминалистических научных исследований: фотографических, трасологических, одорологических, баллистических и др. - структурно-криминалистические - методы построения в криминалистике определенных структурных систем (например, плана расследования по уголовному делу, тактического приема, методической рекомендации) По источнику происхождения...

Уже было противоречие: с одной стороны - стремление к новаторству, а с другой - оглядка назад, ретроспективизм. Многие тогда видели в «стиле модерн» некий «венец художественного развития» европейской культуры, единый интернациональный стиль. Волнистые ли¬нии орнаментики Ар Нуво сравнивали с крито-микенским искусством, «модерн» находили у этрусков, в итальянском Манье¬ризме конца XVI в., в стиле...

И поступает в смеситель, где смешивается с растворами реагентов; в результате в эмульсификационной среде возникают зародыши микрокристаллов галогенида серебра. В дальнейшем в аппарате 4 образуется фотографическая эмульсия, которая непрерывно циркулирует через зону смешения в смесителе 3 и обогащается новыми образованиями галогенида серебра, одновременно с течением кристаллизационного процесса в...

ленного спектрального состава. В изучении строения и значения хлорофилла видное место занимают работы великого русского ученого К.А.Тимирязева. Механизм фотосинтеза еще не выяснен до конца. ФОТОГРАФИЯ Химическое действие света лежит в основе фотографии. Слово «фотография» происходит от греческого «фото» – свет, «графо» – рисую, пишу. Фотография – рисование светом, светопись – была...

Эксперты должны прекрасно понимать сущность фотографического процесса и знать характеристики применяемых фотоматериалов, чтобы, исходя из конкретных исходных условий, выбрать наиболее подходящие фотоматериалы и оптимальные режимы съемки и обработки.

В данной главе я попытался рассмотреть черно-белый фотографический процесс и представлен детальный механизм формирования изображения.

3.1 Физико-химическая сущность фотографического процесса

Процесс образования фотографического изображения - сложнейший многостадийный физико-химический процесс, который включает в себя следующие основные этапы:

химическое созревание (создание серебряных центров светочувствительности при получении галогеносеребряной эмульсии) - осуществляется при производстве фотоматериалов;

экспонирование (образование центров скрытого изображения при фотохимическом действии света на галогениды серебра) - происходит непосредственно при фотографировании на светочувствительные материалы;

химико-фотографическая обработка (получение видимого изображения) - осуществляется при проявлении и закреплении изображения.

При черно-белом фотографическом процессе проявление позволяет получить видимое серебряное изображение, закрепление предназначено для растворения непроявленных галогенидов серебра с последующим вымыванием из фотослоя. Кроме того, существует ряд вспомогательных и дополнительных процессов, способствующих повышению чувствительности, качества изображения и улучшению других характеристик фотографического процесса.

Химическое созревание осуществляется при производстве фотоматериалов. Эта стадия фотографического процесса здесь не рассматривается, так как она является производственным технологическим процессом фотопромышленности. Фотограф, как правило, имеет дело с уже готовыми различными фотоматериалами и выбирает их по определенным характеристикам.

3.1.1 Образование скрытого изображения

В твердом состоянии галогениды серебра (AgHal - AgCl, AgBr, AgI) образуют кристаллы. В кристаллах хлорида (AgCl) и бромида (AgBr) серебра ионы галогена расположены в вершинах и центрах граней куба.

Ионы серебра расположены аналогичным образом, причем образуемый ими куб смещен относительно куба, определяемого ионами галогена. Такие кристаллы относятся к классу гранецентрированных кубических кристаллов. Эти кристаллы существуют в виде агрегатных скоплений, представляющих повторение структуры, в направлениях трех координатных осей. Если AgCl и AgBr осаждаются одновременно, то образуются смешанные гранецентрированные кубические кристаллы, в которых углы решетки заняты как ионами хлора, так и ионами брома. Иодид серебра AgI при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении образует иную кристаллическую структуру, однако, бромид и хлорид серебра в присутствии малых концентраций AgI образуют при осаждении смешанные гранецентрированные кубические кристаллы.

Форма кристаллов зависит от процесса осаждения. Кристаллы могут быть кубическими, в форме октаэдра, пластинчатыми или нерегулярными. Однако внутренняя структура всегда такова. Средний размер зерна галогенида серебра примерно равен 1000 нм, оно содержит около 1010 гранецентрированных кубиков.

У реального кристалла галогенида имеются отклонения от идеальной структуры. Из-за нарушений равновесных условий роста, захвата примесей при кристаллизации под влиянием различных воздействий в структуре кристалла возникают нарушения - так называемые дефекты (ион серебра уходит из своего нормального положения в кристаллической решетке и свободно блуждает в междуузельном пространстве). Данные дефекты и многочисленные инородные включения в кристаллической решетке образуют центры светочувствительности, которые являются и центрами концентрирования атомов серебра в результате действия света. От величины этих центров зависит уровень светочувствительности: чем крупнее центры, тем выше светочувствительность. Обычно рост центров сопровождается увеличением размеров микрокристаллов, поэтому высокочувствительные фотоматериалы бывают крупнозернистыми, а малочувствительные - мелкозернистыми.

От зернистости светочувствительного слоя зависит зернистость изображения - неоднородность почернения равномерно экспонированного и проявленного участка фотоматериала. Зернистое строение изображения уменьшает его четкость. Линии, разорванные на отдельные зерна, становятся неровными, контуры - нерезкими. Повышенная зернистость ухудшает качество изображения. Процесс образования скрытого изображения заключается в следующем. При экспонировании фотографического слоя кванты лучистой энергии поглощаются галогенидом серебра, при этом происходит реакция фотолиза

2AgHal = 2Ag + Hal2

В экспонированных галогенидах образуются центры скрытого изображения. Серебро остается в кристалле в виде скоплений от нескольких атомов серебра (минимум 4 атома) до сотен, а галоген в виде двухатомных молекул выходит в окружающее пространство.

Образование скрытого изображения связано с размерами и распределением центров светочувствительности по объему микрокристалла галогенида серебра. Лишь крупные центры скрытого изображения проявляются, они называются центрами проявления; мелкие центры не вызывают проявления. Чем больше света попало на фотоматериал при экспонировании, тем крупнее частицы, составляющие эти центры, и тем быстрее будет идти проявление. На участках фотоматериала, которые не подвергались действию квантов света, реакция фотолиза не происходит и центры скрытого изображения не образуются.

Если экспонированный фотоматериал своевременно не проявить, скрытое изображение может исчезнуть: составляющие его атомы серебра вновь соединятся с атомами галогена и образуют исходное вещество - галогенид серебра. Это явление называется "регрессией скрытого изображения", которая усиливается при хранении экспонированного фотоматериала в теплой, влажной, загрязненной атмосфере и уменьшается при низкой температуре.

3.1.2 Проявление скрытого изображения

Проявление - процесс превращения скрытого изображения, полученного в светочувствительном слое фотоматериала под действием света или другого излучения, в видимое серебряное изображение. Чтобы проявить светочувствительный слой, необходимо применить восстановитель, который экспонированные галогениды серебра преобразовал бы в металлическое серебро, а неэкспонированные - сохранил в неизменном виде.

В современной фотографии наиболее распространен процесс химического проявления, при котором фотоматериалы обрабатывают проявителем - раствором, содержащим проявляющие вещества, способные восстанавливать галогениды серебра фотослоя до металлического серебра, образующего видимое изображение. Происходящую химическую реакцию восстановления можно схематически записать в виде:

AgHal + Red = Ag металл + Ox + Hal,

где Red - проявляющее вещество в активной восстанавливающей форме; Ox - проявляющее вещество в окисленной форме.

В процессе проявления проявитель, отдавая электроны галогениду серебра, разрушает связь между серебром и галогеном, что способствует рекомбинации атомов серебра с образованием зерен металлического серебра, сам проявитель при этом окисляется.

Процесс проявления характеризуется избирательным действием проявителя: в экспонированных участках эмульсионного слоя серебра восстанавливается больше, чем в неэкспонированных. Это объясняется тем, что реакция восстановления галогенидов серебра значительно ускоряется в присутствии атомарного серебра, имеющегося в центрах проявления и выступающего катализатором реакции проявления.

Существует и так называемое физическое проявление, при котором видимое изображение строится из металлического серебра, полученного путем растворения проявителем галогенидов серебра фотослоя или осаждающегося на фотослое из солей серебра, входящих в состав проявителя. Этот способ используется главным образом в научной фотографии.

В проявлении могут участвовать и неэкспонированные либо недоэкспонированные микрокристаллы галогенидов серебра, если при изготовлении эмульсии вследствие дефектов в них образовались активные области - центры фоновой вуали. Часть этой вуали вызывается кристаллами галогенидов, которые были возбуждены под действием повышенной температуры или проникающего излучения. Это ухудшает качество изображения, так как приводит к нежелательному потемнению тех деталей изображения, которые должны оставаться светлыми. Фоновая вуаль уменьшает контраст изображения, полученного в результате проявления. Число центров вуали в светочувствительном слое возрастает с увеличением его светочувствительности. Поэтому высокочувствительные негативные фотоматериалы отличаются повышенной вуалью, а у малочувствительных она практически отсутствует.

После извлечения фотоматериала из проявляющего раствора проявление продолжается из-за впитавшегося в фотографический слой раствора. Для прерывания проявления, происходящего в основном в щелочной среде, используют останавливающие растворы, содержащие кислоту или кислую соль, которые нейтрализуют щелочь проявителя.

3.1.3 Закрепление проявленного изображения

В проявленном фотоматериале содержится видимое серебряное изображение и галогениды серебра, которые все еще являются светочувствительными соединениями. Если эти галогениды серебра не удалить, то они постепенно начнут на свету темнеть, разрушая проявленное серебряное изображение.

Закрепление, или фиксирование проявленного изображения - это процесс превращения непроявленных галогенидов серебра фотографического слоя в светоустойчивые бесцветные соединения. Процесс закрепления обычно осуществляется обработкой, при которой все соединения серебра, не восстановившегося при проявлении, растворяются и полностью вымываются из слоя в процессе промывки.

Основной компонент фиксирующих растворов - растворитель галогенида серебра - должен быстро растворять галогенид серебра и не действовать на серебро изображения, а также хорошо растворяться в воде, образовывать легкорастворимые и устойчивые в водной среде комплексные соли серебра, не быть токсичным. В качестве растворителей галогенидов серебра применяют тиосульфаты натрия (гипосульфит натрия - Na2S2O3.5H2O) и аммония (NH4) 2S2O3). Реакция закрепления изображения осуществляется в две стадии:

Первая - AgBr + Na2S2O3 = Na + NaBr;

Вторая - Na .

Бромистое серебро под действием тиосульфата натрия превращается в труднорастворимую соль Na , а затем под действием тиосульфата натрия эта соль постепенно переходит в легкорастворимое соединение Na3 .

Кроме тиосульфата в фиксирующие растворы входят вещества, которые обеспечивают прекращение процесса проявления, ускоряют растворение галогенида серебра, повышают механическую прочность набухшего фотографического слоя (кислоты, кислые соли, дубящие вещества и др.).

Проявленный и зафиксированный фотоматериал содержит видимое серебряное негативное изображение объекта фотографирования, светлые участки объекта воспроизводятся темными, а темные - светлыми. Для получения позитивного изображения с негатива производится фотопечать в той же последовательности, что и при получении негатива: экспонирование через негатив светочувствительного материала, проявление и закрепление полученных фотоснимков.

3.2 Получение изображения по методу обращения

На светочувствительном слое можно получить сразу позитивное изображение фотографируемых объектов. Этот метод называется в фотографии "методом обращения". Он получил распространение при изготовлении любительских кинофильмов и диапозитивов (слайдов), которые используются для проецирования на светлый экран, а также для изготовления стереопар при стереоскопической фотосъемке.

Рассмотрим получение изображения методом обращения в сравнении с негативным способом. При обращаемом процессе имеются дополнительные операции при обработке экспонированного фотоматериала, которые отсутствуют при негативном процессе.

Стадия экспонирования фотоматериала как при негативном, так и при обращаемом процессах происходит одинаково. Свет, отраженный от объекта съемки, попадает на светочувствительный слой. В тех участках фотоматериала, на которые поступает больше света, увеличивается количество центров скрытого изображения. После проявления в этих участках восстанавливается больше металлического серебра, или, другими словами, возрастает плотность изображения. В процессе обращения вслед за проявлением используется операция отбеливания для того, чтобы превратить проявленное серебро в растворимые в воде его комплексные соединения. В качестве отбеливателя чаще всего применяется водный раствор железосинеродистого калия.

Затем фотоматериал, в котором остались только неэкспонированные и непроявленные галогениды серебра, подвергается экспонированию равномерным освещением (засветке), что делает оставшиеся в фотослое галогениды способными к проявлению, так как в них происходит реакция фотолиза. Повторное проявление преобразует их в металлическое серебро. После фиксирования, которое удаляет следы оставшихся галогенидов серебра, в фотоматериале остается серебряное изображение, которое является позитивом объекта фотографирования.

На первый взгляд кажется, что для получения прямого позитива необходимо воспользоваться только способом обращения обычной фотопленки. Однако это не так. Если обычная фотопленка подвергается процессу обращения, то первоначально неэкспонированные галогениды серебра на второй стадии проявления будут восстановлены до металлического серебра и светлые участки на фотоматериале будут малопрозрачными.

По этой причине обращаемые фотоматериалы изготавливаются более тонкими, чем большинство негативных, и к проявителю, который используется для их обработки, добавляются растворители галогенидов серебра. В этом случае при первом проявлении растворяются наиболее мелкие непроявленные галогениды серебра на светлых участках изображения, так как их присутствие может вызвать появление вуали при втором проявлении. Кроме того, обращаемые фотоматериалы должны быть более однородными по толщине по сравнению с негативными, потому что неоднородности по толщине вызывают изменения оптической плотности прямого позитива.

Правильный выбор экспозиции и времени проявления является очень важным при работе с обращаемыми фотоматериалами, любое отклонение от оптимальной экспозиции при съемке необходимо компенсировать изменением времени проявления. Если пленка недоэкспонирована, первое проявление должно быть увеличено, чтобы удалить больше галогенидов серебра, особенно на светлых участках. Получившийся прямой позитив будет оптически менее плотным, чем при обычном проявлении, а следовательно, более приемлемым для проецирования.

3.3 Одноступенный фотографический процесс

Еще один метод быстрого получения позитивного черно-белого изображения основан на диффузии в щелочной среде растворимых комплексных солей серебра. На этом принципе в 40-х гг. XX в. удалось разработать и реализовать на практике одноступенный процесс моментального получения полутонового позитивного изображения. В настоящее время это выдающееся изобретение в различных модификациях нашло самое широкое применение во многих областях науки и техники для решения важнейших технических задач. Процессы быстрого получения цветных изображений фирм Kodak и Polaroid также представляют собой диффузионно-фотографические процессы.

Существуют два способа получения изображения с использованием диффузионно-фотографического процесса. В первом способе каждый светочувствительный комплект содержит негативный материал, позитивный материал и капсулы с обрабатывающими пастами. Фотографическая эмульсия донорного слоя экспонируется в фотоаппарате. После экспонирования донорный слой входит в контакт с приемным слоем позитивного материала, на поверхности которого находится большое количество коллоидно-металлических или металлосульфидных центров проявления, так называемых зародышей восстановления.

В процессе получения изображения при прокатывании через специальные ролики проявляюще-фиксирующая паста выдавливается между донорным и приемным слоями. Проявитель практически мгновенно начинает проявлять экспонированные галогениды серебра в донорном слое, и одновременно же растворитель начинает растворять неэкспонированные галогениды. Если скорости проявления и растворения правильно сбалансированы, то проявитель действует на экспонированные галогениды серебра раньше, чем они могут раствориться. Из донорного слоя происходит диффузия галогенидов в приемный слой. При контакте с зародышами восстановления галогениды начинают проявляться, в результате в приемном слое образуется позитивное изображение; негативное изображение остается в донорном слое. Приемный слой содержит до 1013 зародышей восстановления на 1 см2 фотоматериала. Такая высокая плотность центров проявления приводит к увеличению скорости проявления галогенидов в приемном слое.

Во втором способе все реактивы, необходимые для проведения процесса, введены непосредственно в светочувствительный слой фотоматериала. После экспонирования фотоматериал (на котором пока еще нет видимого изображения, а имеется только скрытое) извлекается из фотоаппарата автоматически (при помощи малогабаритного электродвигателя) или вручную (посредством рукоятки). Изображение начинает появляться прямо на свету, постепенно проступая на белом фоне непрозрачной основы. Проявление происходит автоматически, и изображение приобретает необходимую плотность за определенное время (от нескольких десятков секунд до нескольких минут).

При диффузионном процессе необходим правильный подбор скоростей процессов проявления, растворения и диффузии. Он осуществляется соответствующим выбором химических реактивов и концентрации проявляюще-фиксирующих паст.

Процессы с диффузионным переносом, основанные на диффузии солей серебра, широко применяются в любительской, профессиональной и специальной фотографии для получения полутонового изображения.

В настоящее время фотографические фирмы выпускают множество фотокомплектов, в том числе с кассетой "Фильмпак", не только различной светочувствительности, но и контрастности, как для любительской и профессиональной фотографии, так и для широкого использования в различных областях науки и техники (в медицине, авиации, военном деле и т.д.). В нашей стране выпускаются фотокомплекты, действующие по этому же принципу и получившие название "Момент". Среди зарубежных технологий наиболее широко известны процессы Polaroid SX-70, Kodak PR-10.

По сравнению с обычным негативно-позитивным и обращаемым фотографическими процессами одноступенный процесс позволяет за 10-30 секунд "полусухим" методом (без применения иммерсионной обработки) при очень высокой светочувствительности негативного фотоматериала получать беззернистое позитивное изображение с высокой разрешающей способностью.

Перечисленные выше достоинства позволяют с успехом использовать такую технику фотографирования в криминалистике, где нужна большая оперативность, в научных разработках для фиксации результатов исследования. Выпускаются оборудование и пленки для съемок под оптическим и электронным микроскопом, для съемок с осциллографа, для хроматографии, рентгеновской кристаллографии, а также пленки с ультрафиолетовым покрытием, что расширяет возможности съемки в невидимых лучах.

Следует отметить, что качество позитива, полученного при одноступенном фотографическом процессе, обычно хуже, чем качество отпечатков при негативно-позитивном процессе или диапозитивов, выполненных по методу обращения. При длительном хранении, особенно на свету, качество изображения еще более ухудшается. Кроме того, возникают проблемы с получением копий фотоснимков.

Заключение

По мере своего совершенствования фотография все шире проникала во многие сферы человеческой деятельности; промышленность, искусство, медицину, полиграфию, астрономию и т.д. Сейчас трудно назвать отрасль науки и техники, где бы не применялась фотография. Она во многом способствовала техническому прогрессу. Благодаря фотографии были сделаны многие научные открытия.

Фотография нашла широкое применение в полиграфии при изготовлении печатных форм, в кинематографии, для оптической записи звука, в криминалистике, метеорологии, антропологии, металлографии и др.

Принцип получения фотографических изображений способом дагерротипии состоял в том, что серебряную пластинку сначала тщательно очищали, а затем помещали в специальный ящик над сосудом с металлическим йодом. Испаряясь, йод оседал на ее поверхности и, взаимодействуя с серебром, давал йодистое серебро - вещество, чувствительное к свету. После этого в темноте пластинку помещали в кассету камеры-обскуры и на нее экспонировали ярко освещенные предметы с выдержкой в несколько минут. Под действием света на пластинке получалось слабое изображение. Его усиливали, т.е. проявляли парами ртути, которые оседали на участках, где подействовал свет. Этот процесс проводили в специальном ящике, на дне которого помещали сосуд с ртутью. Для ускорения процесса испарения ртути сосуд подогревали.

Для того чтобы удалить с неэкспонированных участков остатки йодистого серебра и закрепить тем самым изображение, пользовались раствором поваренной соли. Несколько позже для этих целей стали применять тиосульфат натрия.

Изображение на дагерротипе состояло из участков, покрытых тонким слоем ртути и серебра. При определенном угле наклона на дагерротипе было четко видно позитивное изображение.

В данной курсовой работе была дана попытка рассмотреть естественно-научные основы фотографии.

В первой главе я рассмотрел подготовку к фотосъемке.

Вторая глава посвящена фотографической съемке. В ней подробно описано съемочное освещение, световые приборы, необходимые для верного фотографирования, затронуты особенности съемки при искусственном освещении, а также сам процесс освещения объекта съемки.

В третьей главе речь идет непосредственно о естественно-научных основах фотографии. Я проанализировал физико-химическую сущность фотографического процесса, рассмотрел образование скрытого изображения, рассказал о получении изображения по методу обращения, а также описал одноступенный фотографический процесс.

Список используемой литературы

1) Фомин А.В. "Общий курс фотографии".

2) Стародуб Д.О. "Азбука фотографии"

Похожие рефераты:

Этапы проектирования электрического освещения коровника: выбор размещения светильников, расчет мощности осветительной установки в помещении электрощитовой (точечным методом), венткамеры, сечения проводов с учетом количества фаз и потерь напряжения.

Совмещение и экспонирование - ответственные операции процесса фотолитографии. На слое фоторезиста возможны различные виды брака. Плохая адгезия фоторезиста к подложке вызывает при последующем травлении растравливание и искажение рисунков элементов.

Качественные и количественные показатели освещения. Выбор источников света, типов светильников для рабочего и аварийного освещения и условия окружающей среды. Расчет сечения проводников групповой сети по нагреву, потере напряжения и условиям защиты.

До недавнего времени светодиодные лампы являлись всего лишь электроприборами, сообщающими о том, что принтер включен или что на автоответчике есть сообщение.

Характеристика сущности и особенностей фотоэффекта. Отличительные черты внешнего (который используется в вакуумном фотоэлементе) и внутреннего фотоэффекта. Принцип работы вентильного вида – когда электроны переходят из освещённой области в неосвещённую.

При зарядке фоторецептора коронным разрядом на поверхности фотопроводникового слоя осаждаются заряженные частицы (ионы воздуха). Если принять заряд частицы равным заряду электрона , а поверхностную плотность заряженных частиц обозначить через , то поверхностная плотность заряда может быть рассчитана по формуле . Среднее расстояние между заряженными частицами определяется числом частиц и равно

Между заряженной поверхностью и заземленной подложкой образуется электрическое поле, напряженность которого зависит от диэлектрической проницаемости фотопроводника (относительные единицы).

,

где - электрическая постоянная, равная , где .

Заряженная поверхность приобретает некоторый потенциал (измеряется относительно Земли). Напряженность электрического поля внутри фоторецептора определяется разностью потенциалов его поверхности и заземленной подложки .

Где - толщина слоя фотопроводника.

Отсюда следует, что

Зарядка фоторецептора коронным разрядом

Для зарядки поверхности фоторецептора довольно широко применяется коронный разряд. Образующиеся в разряде ионы осаждаются электрическим полем на поверхности фоторецептора, создавая поверхностный потенциал . Поверхностная плотность осажденного заряда зависит от тока разряда , направленного к фоторецептору. Здесь можно представить три случая. В первом ток направлен на заземленную металлическую пластину:. При этом от разности потенциала коронной проволочки и порогового потенциала зажигания заряда и константы зависит концентрация заряженных частиц в токе разряда. Величина зависит от подвижности ионов, расстояния между проволочкой и заряжаемой пластиной и от диаметра проволочки. Эта формула пригодна для расчета начального тока .

Фоторецептор во время зарядки можно представить как металлическую пластину, экранированную диэлектрической пленкой (фотопроводник в темноте имеет свойства диэлектрика). В этом случае на поверхности фотопроводника накапливается заряд того же знака и поэтому напряжение между коронной проволокой и фоторецептором непрерывно понижается. Вставив в формулу для , получим:

Третий случай - зарядка скоротроном (коротроном с управляющей сеткой).

Здесь ток разряда к фоторецептору где , а , и - потенциал сетки и ток разряда к сетке - ток к фоторецептору в отсутствие сетки, а - ток к фоторецептору при наличии сетки.

Приведенные выше формулы не учитывают темновой разрядки фоторецептора. Если принять, что темновой ток , уменьшающий потенциал фоторецептора, вызван только наличием в фотопроводниковом слое объемного заряда, его можно выразить формулой , где . Величина равняется 0,5…2,0. Плотность тока к фоторецептору равна .

Формулы для расчета потенциала заряжающегося фоторецептора сложны. Приведем некоторые из относительно простых формул, которые могут быть использованы для решения задач данного раздела.

, где -компонент, учитывающий темновой спад потенциала - электропроводность фоторецептора, равная , где - удельное сопротивление, сопротивление участка фоторецептора, - площадь этого участка, а - толщина фоторецептора.

Потенциал зарядки фоторецептора коротроном через время можно рассчитать по приведенной ниже формуле, в которой действие темнового тока не учитывается:

В приведенной выше формуле - электрическая емкость фоторецептора, равная , где - площадь заряженной поверхности, - толщина фотопроводникового слоя, - диэлектрическая проницаемость фоторецептора Ф/м. - константа, зависящая от параметров коротрона и подвижности ионов , которая на воздухе может быть принята равной .

Формулы для зарядки фоторецептора скоротроном при вольтамперной кривой, выраженной формулой и без учета темнового спада потенциала:

В приведенной выше формуле - начальный ток разряда, - электрическая емкость фоторецептора, - скорость перемещения поверхности фоторецептора в зоне зарядки. Ток разряда измеряется на единицу длины проволочки мкА/см или А/м. Скорость перемещения поверхности фоторецептора выражается соответственно в см/с или в м/с, а емкость - в фарадах, или Кл/В.

Максимальный потенциал , до которого можно зарядить фоторецептор скоротроном (без учета темнового спада потенциала) можно рассчитать по формуле:

1. Среднее расстояние между заряженными частицами на поверхности фоторецептора равно 30нм. Найти поверхностную плотность заряда.
2. . Найти поверхностный потенциал фоторецептора, если диэлектрическая проницаемость фотопроводникового слоя равна 3,2, а его толщина .
3. Поверхностная плотность заряда равна . Найти напряженность электрического поля в слое фотопроводника фоторецептора, если его диэлектрическая проницаемость равна 3,0.
4. Поверхностный потенциал фоторецептора равен 500В. Найти напряженность электрического поля в фотопроводниковом слое фоторецептора, если его толщина равна 25 мкм.
5. Поверхностный потенциал фоторецептора равен 500В. Найти поверхностную плотность заряда, если фотопроводниковый слой фоторецептора имеет следующие характеристики: диэлектрическая проницаемость фотопроводникового слоя равна 3,5, а его толщина мкм.
6. Среднее расстояние между заряженными частицами на поверхности фоторецептора равно 30нм. Найти напряженность электрического поля в фотопроводниковом слое фоторецептора, если его диэлектрическая проницаемость равна 3,6.
7. Поверхностная плотность заряженных частиц равна . Найти величину напряженности электрического поля, если диэлектрическая проницаемость фоторецептора равна 3,2.
8. Напряженность электрического поля в фоторецепторе равна . Найти поверхностную плотность заряженных частиц, если фоторецептор имеет диэлектрическую проницаемость .
9. Поверхностный потенциал равен 600В. Найти поверхностную плотность заряженных частиц, если фоторецептор имеет диэлектрическую проницаемость и толщину .
10. Два фоторецептора различной природы (органический фоторецептор и фоторецептор на основе селенида мышьяка) были заряжены до потенциала 600В. Как различаются величины плотности заряда, обеспечивающие такое значение потенциала на этих фоторецепторах? Органический фоторецептор имеет толщину фотопроводникового покрытия 28 мкм и относительную диэлектрическую проницаемость 3, толщина фотопроводникового слоя на основе селенида мышьяка 60 мкм, а его относительная диэлектрическая проницаемость равна 11.
11. Фоторецепторы на основе селенида мышьяка и аморфного кремния заряжены до одинаковой плотности заряда . Оба фотопроводниковых покрытия имеют одинаковые величины относительной диэлектрической проницаемости . Толщина слоя селенида мышьяка 50мкм. Какую толщину должен иметь слой аморфного кремния, чтобы потенциалы поверхности обоих фоторецепторов были одинаковыми? Найдите величину этого потенциала.
12. Определить поверхностный потенциал фоторецептора, если потенциал коронной проволочки 7 кВ, пороговый потенциал равен 3,2 кВ. Проводимостью фоторецептора пренебречь.
13. Определить напряженность электрического поля в фоторецепторе, если потенциал на коронирующем электроде равен 5,5кВ, пороговый потенциал 3,4 кВ, толщина фоторецептора 15мкм. Проводимостью фоторецептора пренебречь.
14. Найти поверхностный потенциал фоторецептора, если темновая проводимость слоя , ,· потенциал на коронирующем электроде равен 7,5кВ, пороговый потенциал 3,4 кВ, толщина фоторецептора составляет 25мкм.
15. , ,·потенциал на коронирующем электроде равен 6,5 кВ, пороговый потенциал 2,5 кВ. Найти толщину слоя фоторецептора, если напряженность электрического поля в слое равна .
16. Определить пороговый потенциал при условии, что поверхностный потенциал фоторецептора равен 1,6 кВ, потенциал на коронирующем электроде равен 4,5 кВ. Темновой проводимостью фоторецептора пренебречь.
17. Определить пороговый потенциал коронатора при условии, что поверхностный потенциал фоторецептора равен 600 В, потенциал на коронирующем электроде равен 5,5 кВ. Проводимость слоя фоторецептора равна , ,· толщина фоторецептора составляет 25мкм.
18. Поверхностный потенциал на фоторецепторе равен 800В, потенциал на коронирующем электроде равен 5,8 кВ, ,·сопротивление участка фоторецептора площадью и толщиной 20мкм равно . Найти пороговый потенциал коронатора.
19. Найти проводимость фоторецептора при условии, что пороговый потенциал коронатора равен 2,8кВ, поверхностный потенциал фоторецептора равен 800 В, потенциал на коронирующем электроде равен 5,5 кВ, ,· толщина фоторецептора составляет 20мкм.
20. Темновая проводимость слоя равна , ,·потенциал на коронирующем электроде равен 5,5 кВ, пороговый потенциал 3,5 кВ, толщина фоторецептора составляет 20мкм. Найти напряженность электрического поля в слое.
21. Потенциал на коронирующем электроде равен 7,5 кВ, пороговый потенциал 3,5 кВ, толщина фоторецептора составляет 20мкм. До какого значения поверхностного потенциала заряжается фоторецептор, если его проводимость равна , , , , , , Построить график зависимости V от .
22. Найти поверхностную плотность заряда на фоторецепторе, образующуюся при зарядке, если темновая проводимость слоя равна , ,· потенциал на коронирующем электроде равен 7,5 кВ, пороговый потенциал 3,4 кВ, толщина фоторецептора составляет 25мкм. Диэлектрическая проницаемость фоторецептора равна 3,6.
23. Определить плотности тока коронного разряда I, , который будет течь к фоторецептору в момент достижения его поверхностью потенциалов V=500В и 600В. Для зарядки использован цилиндрический коротрон, его постоянная . Потенциал коронной проволочки равен 8000В, пороговый потенциал .
24. Определить плотность тока коронного разряда I, при зарядке фоторецептора коротроном задачи 23 до потенциала 600В, если имеет место темновой ток , при B=A.
25. Определить плотность тока коронного разряда I, , который будет течь к фоторецептору в момент достижения его поверхностью потенциала, равного потенциалу сетки скоротрона. Величины констант А равняются: , а . Потенциал, подаваемый на коронную проволочку равен 8100В, пороговый потенциал 4100В, потенциал, подаваемый на сетку скоротрона 600В.
26. Скорость зарядки фоторецептора увеличена в 1,5 раза. Какие параметры процесса зарядки следует изменить, чтобы потенциал поверхности заряженной пластины не изменился?
27. Во сколько раз следует изменить ток разряда , чтобы при увеличении скорости зарядки в 1,2 раза потенциал зарядки не изменился?

Скрытое электростатическое изображение состоит из электрических зарядов. Чтобы его получить, участки, где в соответствии с изображением не должно быть заряда, подвергают фоторазрядке, сообщая определенное количество освещения - экспозицию Н. Потенциал на освещенных участках падает. График зависимости потенциала поверхности фоторецептора от полученной ею экспозиции называют фотоиндуцированной разрядной кривой (ФИРК). Ее можно построить в координатах для монохроматического излучения и или для интегрального излучения.

Для прямолинейного участка ФИРК можно записать следующее математическое выражение: ., где

,

Спектральная чувствительность, определяемая по образованию скрытого электростатического изображения, которая выражается в или ; - эффективность фоторецептора, определяемая как отношение числа фотогенерированных свободных носителей заряда, разряжающих поверхностный заряд фоторецептора, к числу поглощенных фотонов, - поверхностный потенциал до начала экспонирования, - световой поток, - коэффициент поглощения в генерационном слое, - экспозиция, даваемая уравнением

,

где h - постоянная Планка, с - скорость света, - длина волны экспонирующего света. Как следует из уравнений, по линейному участку ФИРК можно определить чувствительность фоторецептора и его эффективность. Интегральная чувствительность дается выражением

.

В технических характеристиках фоторецепторов светочувствительность выражается как обратная величина критериальной экспозиции, необходимой для снижения начального потенциала на 20 или процентов (обычно 50%): и . Из этого определения следует связь между и и .

Формирование скрытого изображения состоит из следующих стадий: образование в генерационном слое свободных носителей зарядов, инжекция носителей заряда в транспортный слой, перемещение зарядов к поверхности и нейтрализация поверхностного заряда.

Для скорости генерации свободных носителей зарядов можно записать формулу:

Коэффициент поглощения пигмента, генерирующего заряды, зависит от длины волны излучения, поэтому скорость генерации свободных зарядов определяется кривой поглощения пигмента и спектральным составом излучения, падающего на поверхность фоторецептора .

Величина квантовой эффективности образования свободных носителей заряда определяется квантовой эффективностью образования электронно-дырочных пар, , и долей электронно-дырочных пар, участвующих в образовании свободных носителей заряда. Все эти величины зависят от длины волны поглощенного излучения.

Где - кулоновский радиус, а -расстояние друг от друга носителей заряда в момент образования электронно-дырочной пары.

Скорость пролета носителей заряда в транспортном слое пропорциональна напряженности электрического поля. - скорость пролета заряда в м/с, - подвижность носителя заряда, имеющая размерность, а E- напряженность в В/м. Зависимость величины от расстояния между транспортными центрами r, абсолютной температуры T и напряженности электрического поля E описывается эмпирическим уравнением Гилла:

.

Здесь. - не зависящий от температуры и поля предэкспоненциальный множитель, . - энергия активации подвижности носителей заряда в поле . - энергия активации в нулевом поле, . - постоянная Больцмана, равная 1,38 Дж/К, Т и .- температуры измерения и характеристическая для данного фоторецептора температура, К, r - среднее расстояние между транспортными центрами .,где с - концентрация транспортных центров, ., . - постоянная спада волновой функции транспортного центра (как правило, ., . - константа, приблизительно равная.

1. Подвижность носителей заряда в транспортном слое равна. Определить время пролета носителей через слой, если его толщина равна 20 мкм и поверхностный потенциал составляет 850 В.
2. Определить время пролета носителей через слой, если его толщина равна 25 мкм, плотность поверхностного заряда . и диэлектрическая проницаемость фоторецептора 3,4.
3. Подвижность дырок в фоторецепторе равна., поверхностный потенциал 700 В и толщина транспортного слоя 25 мкм. Определить время пролета дырок через слой.
4. Поверхностная концентрация однозарядных ионов заряженного фоторецептора составляет. Определить время пролета через транспортный слой для носителей заряда, если диэлектрическая проницаемость слоя равна 3,3, толщина слоя 25 мкм, подвижность.
5. Определить толщину транспортного слоя при условии, что подвижность носителей заряда равна., толщина транспортного слоя 25 мкм и поверхностный потенциал 700 В.
6. В электрофотографическом аппарате блок экспонирования и блок проявления расположены под углом. Найти максимальную частоту вращения барабана, при которой не ухудшается качество копий, если подвижность носителей заряда в транспортном слое равна., его толщина 20 мкм и поверхностный потенциал составляет 850 В.
7. Время пролета носителей заряда через транспортный слой равно 15мс. Определить подвижность носителей заряда, если поверхностный потенциал равен 650 В, а толщина слоя 25 мкм.
8. Каким должен быть поверхностный потенциал, если время между экспонированием и проявлением электростатического изображения в электрофотографическом аппарате составляет 3,5 с при условии, что толщина транспортного слоя равна 14 мкм и подвижность носителей заряда составляет.
9. Поверхностный потенциал фоторецептора равен 750 В, подвижность носителей заряда . Как изменится время пролета, если толщина транспортного слоя равна 5, 10, 15, 25, 30, 40 мкм? Построить график этой зависимости.
10. При комнатной температуре подвижность равна . Как изменится подвижность при нагревании фоторецептора до ? Энергия активации подвижности равна 0,35 эВ.
11. При подвижность равна . Определить энергию активации подвижности.
12. Найти величину электрического поля, при которой для данного фоторецептора подвижность носителей заряда не зависит от температуры. Энергия активации в нулевом поле равна 0,3 эВ.
13. Максимальное расстояние между транспортными центрами в транспортном слое, при котором реализуется электронный транспорт, составляет . Какая концентрация транспортных центров соответствует этому расстоянию? Ответ получить в . Величина .

Разрешающая способность скрытого электростатического изображения на фоторецепторе выражается уравнением

где и - подвижности в нулевом поле и в поле E. Суммарная разрешающая способность электрофотографического процесса определяется выражением

.

В этих формулах R - разрешающая способность процесса в целом, - предельная разрешающая способность скрытого изображения, - разрешающая способность проявления, определяемая размером частиц тонера, - разрешающая способность, определяемая структурой материала.

1. Как изменится предельная разрешающая способность скрытого электростатического изображения при подвижности , , , ,
2. Найти разрешающую способность скрытого электростатического изображения при и температуре , если , .
3. Найти, как изменяется разрешающая способность с увеличением напряженности электрического поля в ряду , , , , , , , , В/см при температуре , , . Построить график в координатах , lgE.
4. Средний диаметр частиц тонера равен 6 мкм, , К. Тонерное изображение с фоторецептора переносится на специальную полимерную пленку для лазерного принтера. Определить суммарную разрешающую способность полученного изображения.
5. Определить разрешающую способность скрытого электростатического изображения при температурах 15, 20, 25, 30, 35 и , если , и подвижности . Построить график зависимости , от температуры.

Электрическое поле в зоне проявления над равномерно заряженной поверхностью фоторецептора .

В зоне проявления заряженная поверхность фоторецептора оказывается между двумя электродами - подложкой фоторецептора и проявляющим валиком. В этом случае электрическое поле, создаваемое зарядом с поверхностной плотностью , распределяется между фотопроводниковым слоем и зоной проявления. Если оба электрода заземлены, то напряженность электрического поля над равномерно заряженным участком скрытого изображения выражается следующей формулой:

При подаче на проявляющий валик потенциала смещения, отличного от нуля, уравнение (1) приобретает вид:

(2)

В уравнениях (1) и (2) - и - относительная диэлектрическая проницаемость фоторецептора и зоны проявления, в которой находится проявитель, d -величина зазора между проявляющим электродом (проявляющим валиком) и фоторецептором, L - толщина слоя фотопроводника, V - потенциал сплошного участка скрытого изображения, - потенциал смещения, подаваемый на проявляющий валик.

Величина , обычно невелика по сравнению с величиной d. Поэтому если при расчете напряженности электрического поля в зоне проявления не требуется большая точность, можно использовать упрощенную формулу:

Электрическое поле в зоне проявления над скрытым штриховым изображением, представляющим периодический штриховой рисунок

Если плотность заряда в скрытом штриховом изображении (линейной решетке) изменяется по синусоидальному закону, то для него можно записать следующее математическое выражение:

где - постоянная составляющая, равная усредненной по площади поверхностной плотности заряда:

Переменная составляющая показывает отклонение плотности заряда от средней величины при перемещении вдоль оси y. Параметр k является пространственной частотой, равной , где - период зарядового рельефа (например, расстояние между центрами штрихов). В свою очередь, , где n - частота линий в решетке. Величины k и n связаны между собой формулой . Величина k выражается в радианах на миллиметр .

Зависимость нормальной составляющей напряженности электрического поля от потенциалов скрытого изображения для такого штрихового рисунка удобно выразить формулой:

где: , , .

Для центра штрихов . Величина - представляет собой электростатический контраст, численно равный разности электрических потенциалов изображения и фона, - потенциал смещения на проявляющем электроде.

Если потенциал смещения равен потенциалу фона: , то уравнение (3) упростится до выражения (4):

из которого видно, что электрическое поле над штриховым изображением определяется электростатическим контрастом скрытого изображения .

Перепишем уравнение (3) следующим образом:

. (5)

Первый член уравнения представляет собой постоянную составляющую проявляющего электрического поля. Она соответствует напряженности поля над сплошным участком скрытого изображения, заряд которого равен усредненному по площади заряду штрихового изображения и не зависит от расстояния z.

Второй член уравнения (5) - переменная составляющая поля. Она связана со штриховым изображением и изменяется с расстоянием от фоторецептора. При больших величинах z, когда , переменная составляющая формулы (5) исчезает. Электрическое поле станет равномерным, зависящим только от и . Его напряженность можно выразить следующим уравнением:

3. В случае равномерно заряженного участка скрытого изображения (центра плашки) частота . В этом случае ; , а . Выражение (3) упрощается до выражения (1):

, где (3),

1. Потенциал участка поверхности фоторецептора равен 800В. Найти напряженность электрического поля в зазоре между проявляющим электродом и поверхностью фоторецептора, если проявитель в зоне проявления отсутствует и проявляющий электрод заземлен. Толщина фоторецептора L=20мкм, а зазор d равен 300мкм. Относительная диэлектрическая проницаемость фоторецептора 3,0.
2. Потенциал поверхности фоторецептора равен -600В. На проявляющий электрод подано напряжение смещения -100В. Найти напряженность электрического поля в зоне проявления, если толщина фоторецептора равна 25мкм, величина зазора 300мкм, величины относительной диэлектрической проницаемости фоторецептора и зоны проявления одинаковы.
3. Поверхностная плотность заряда равна . Найти·поверхностный потенциал, если диэлектрическая проницаемость фоторецептора , его толщина L=20 мкм. Характеристики зоны проявления , d=250 мкм.
4. Какова будет напряженность электрического поля в зоне проявления над равномерно заряженным фоторецептором, если высота зоны составит 100 мкм? 1000 мкм? Потенциал поверхности во всех случаях 600 В, потенциал смещения на проявляющем электроде -200 В.
5. Как изменится напряженность электрического поля для сплошного участка скрытого электростатического изображения с потенциалом -400 при изменении напряжения смещения на проявляющем электроде с -100 В до -200 В?
6. Толщину фотопроводникового слоя фоторецептора L изменили с 20 мкм до 30 мкм. Как изменится напряженность электрического поля в зоне проявления, если потенциал поверхности фоторецептора равен -600 В, величины относительной диэлектрической проницаемости фоторецептора и зоны проявления равны 9,0. Расстояние от фоторецептора до проявляющего валика 150мкм.
7. При каком расстоянии от равномерно заряженного фоторецептора до проявляющего валика напряженность проявляющего электрического поля можно рассчитывать по формуле ? Толщина фотопроводникового слоя фоторецептора равна 20 мкм, а его диэлектрическая проницаемость равна . Диэлектрическая проницаемость зоны проявления . Процент ошибки не должен превышать 10%.
8. Как будут различаться величины напряженности электрического поля в зоне проявления при осаждении тонера на равномерно заряженные участки двух фоторецепторов, если они имеют разные величины относительной диэлектрической проницаемости и 9,0? Толщины фотопроводниковых слоев одинаковые (40 мкм). Проявляющий валик удален от фоторецептора на расстояние 2,0 мм, Относительная диэлектрическая проницаемость тонерного облака в зоне проявления 3,0.
9. Постройте потенциальный рельеф скрытого изображения синусоидальной решетки при пространственной частоте , максимальной поверхностной плотности заряда и минимальной плотности, равной 0,0. Построение провести для периода .
10. Определить напряженность электрического поля в зоне проявления над центрами штрихов скрытого электростатического изображения синусоидальной решетки, если потенциал смещения на проявляющем электроде равен фоновому потенциалу. Максимальная и минимальная плотности заряда равны , а период решетки равен 50 мкм. Величина зазора между фоторецептором и проявляющим валиком 100 мкм.
11. Как возрастет напряженность электрического поля над центрами штрихов, если проявляющий электрод, находившийся на расстоянии 100 мкм, придвинули ближе к фоторецептору на расстояние 50 мкм.
12. На каком расстоянии от поверхности фоторецептора поле над штриховым изображением станет практически равномерным? Этому условию отвечает p(z)=0,1. Скрытое изображение представляет собой синусоидальную решетку с амплитудой , минимальным зарядом, равным 0,0 и пространственной частотой . Расстояние между фоторецептором и проявляющим электродом 100 мкм
.
13. Зарядовое изображение на поверхности фоторецептора представляет собой синусоидальную периодическую решетку с периодом 20 мкм, максимальной плотностью заряда и минимальной . Найти, как скажется на предельной высоте зоны проявления zmax изменение зазора между проявляющим валиком и фоторецептором с 100мкм до 250мкм. На высоте p(z)=0,1=0,05.
14. Рассчитайте напряженность проявляющего электрического поля у поверхности фоторецептора над центрами штрихов скрытого изображения миры. Толщина фоторецептора L= 40 мкм, его диэлектрическая проницаемость равна , толщина зоны проявления d=100 мкм, диэлектрическая проницаемость зоны проявления равна , период штрихового рисунка 40 мкм, потенциал штриха в его центре V=-500В, потенциал фона равен нулю. Проявляющий валик заземлен.
15. Рассчитайте напряженность электрического поля в зоне проявления Ez над центрами штрихов рисунка миры у поверхности проявляющего электрода. Толщина фоторецептора L= 40 мкм, его относительная диэлектрическая проницаемость равна , толщина зоны проявления d=100 мкм, относительная диэлектрическая проницаемость зоны проявления равна 5, период штрихового рисунка 40 мкм, потенциал штриха в его центре V=-500В, потенциал фона равен -100 В. Напряжение смещения на проявляющем валике -100 В.
16. Рассчитайте напряженность электрического поля в зоне проявления Ez над центрами штрихов рисунка миры на расстоянии 40 мкм от поверхности фоторецептора. Толщина фоторецептора L= 20 мкм, его относительная диэлектрическая проницаемость равна , толщина зоны проявления d=100 мкм, относительная диэлектрическая проницаемость зоны проявления равна 5, период штрихового рисунка 40 мкм, потенциал штриха в его центре V=-500В, потенциал фона равен нулю. Проявляющий валик заземлен.
17. Для условий задачи 16 постройте график изменения напряженности электрического поля в зоне проявления вдоль нормали к поверхности фоторецептора.
18. Для штрихового рисунка с периодом мкм постройте график зависимости параметра p(z) от расстояния z от поверхности фоторецептора. Расстояние от фоторецептора до проявляющего электрода равно 1000 мкм. Расчет производить для центра штриха.
19. Рассчитайте напряженность электрического поля на расстоянии 20 мкм (по нормали) от центров штрихов скрытого изображения линейной решетки с пространственной частотой . Толщина фоторецептора L= 20 мкм, его относительная диэлектрическая проницаемость равна , толщина зоны проявления d=100 мкм, относительная диэлектрическая проницаемость зоны проявления равна , расстояние между фоторецептором и проявляющим электродом 100 мкм. Потенциал фона равен , потенциал штрихов равен потенциалу смещения .
20. Определите величину и направление нормальной составляющей напряженности электрического поля на расстоянии 20 мкм от скрытого изображения линейной решетки с пространственной частотой . Расчеты провести для центров штрихов и центров просветов Толщина фоторецептора L= 20 мкм, его относительная диэлектрическая проницаемость равна , относительная диэлектрическая проницаемость зоны проявления равна 5, расстояние между фоторецептором и проявляющим электродом 100 мкм. Потенциалы скрытого изображения равны , , потенциал смещения на проявляющем электроде .

На удельный заряд тонера q/m. В результате получим:

Двухкомпонентный проявитель состоит из ферромагнитных частиц носителя, покрытых более мелкими частицами тонера. Тонер удерживается на носителе, в основном, силами электростатического притяжения. Оно возникает, поскольку при трении тонера и носителя друг о друга на их частицах возникают заряды противоположных знаков (трибоэлектризация). К трибоэлектрической зарядке способна не вся поверхность частицы тонера, а только ее активные участки. То же относится и к носителю.

Если число активных участков носителя достаточно велико для полной зарядки частиц тонера, то справедливо следующее выражение:

(12),

где q/m - удельный заряд тонера, - максимальный заряд частицы тонера, - масса частицы тонера, e- заряд электрона, - число заряженных участков частицы тонера, - число частиц тонера - разность работы выхода электрона из тонера и носителя.

Если число активных участков на носителе ограничено, то удельный заряд тонера зависит от его относительной концентрации и может быть рассчитан по формуле:

(13),

где N - число активных участков на частице носителя, - масса частицы носителя, - относительная концентрация тонера.

Частицы проявителя образуют магнитную кисть, щетинки которой состоят из частиц проявителя, выстроившихся по силовым линиям магнитного поля. В зоне проявления электрическое поле отрывает от носителя частицы тонера и переносит их на скрытое электростатическое изображение. Для такого переноса поле должно преодолеть силы, удерживающие тонер на носителе. Частицы тонера имеют диэлектрические свойства. Носитель может иметь свойства диэлектрика, либо обладать электропроводностью. При диэлектрической магнитной кисти по мере ухода частиц тонера с частиц носителя образуется некомпенсированный заряд, который также удерживает тонер силой:

Площадь, проекции на фоторецептор одной частицы проявителя, p - плотность упаковки поверхности фоторецептора проявителем, ?- отношение линейных скоростей проявляющего валика и фоторецептора. Отсюда, .

Рассчитать заряд частицы носителя, зарядившей 250 частиц тонера, если отношение массы носителя к его заряду равно , величины работы выхода электрона из тонера и носителя W соответственно равны 5,3 и 4,3 эВ. Заряд электрона e равен , диаметр частицы носителя , плотность носителя . Частицы носителя имеют сферическую форму.

Определить относительную концентрацию тонера , если частица носителя диаметром мкм покрыта 250 частицами тонера, имеющими диаметр мкм. Плотность частиц тонера , плотность частиц носителя . Частицы тонера и носителя считать сферическими.

При однокомпонентном проявлении магнитным тонером определить величину порогового потенциала, если = 300 мкм, сила магнитного притяжения равна FM Н, сила электростатического притяжения тонера к валику , заряд частицы тонера .