Полученные данные оказали большое влияние на исследования, выясняющие происхождение электронных полос поглощения и излучения многоатомных молекул, в частности на фундаментальные работы академика Академии наук Белорусской ССР Бориса Ивановича Степанова и профессора Бертольда Самуиловича Непорента.
Изучая природу фотохимических реакций, академик П. П. Лазарев установил, что отношение количества вещества, разложенного под воздействием падающего света, к поглощенной при этом световой энергии не зависит от длины волны падающего света и остается постоянным в пределах одной полосы поглощения. Этот вывод противоречил закону фотохимического действия Эйнштейна, согласно которому при достаточной величине световых квантов, возрастающей при уменьшении длины световой волны, должна существовать пропорциональная зависимость между фотохимическим разложением вещества и длиной волны падающего света.
Заинтересовавшись результатами П. П. Лазарева, С. И. Вавилов стал изучать эффективность процесса преобразования возбуждающего света с разными длинами волн в люминесценцию растворов красителей. В своей первой работе, посвященной изучению люминесцентных процессов — «Зависимость интенсивности флуоресценции красителей от длины волны возбуждающего света», Вавилов ввел понятие удельной люминесценции — отношения величины энергии излучаемой люминесценции к величине энергии вызывающего ее поглощенного возбуждающего света.
Удельная люминесценция — своеобразный коэффициент полезного действия. Она указывает, насколько эффективно происходит преобразование возбуждающего света в свет люминесценции в исследуемом веществе. Впоследствии эта величина получила название энергетического выхода люминесценции. Кроме понятия «энергетический выход», часто пользуются понятием «квантовый выход люминесценции», понимая под ним отношение числа излученных веществом квантов люминесценции к числу поглощенных квантов возбуждающего света.
На 3-м Всесоюзном совещании по люминесценции в Москве в 1951 году, состоявшемся уже после кончины С. И. Вавилова, председатель оргкомитета совещания В. Л. Левшин сказал: «В своих замечательных исследованиях по выходу свечения Сергей Иванович пользовался для его обозначения самыми различными буквами латинского и греческого алфавитов. ...Я думаю, что мы поступим вполне правильно, если будем в честь Сергея Ивановича обозначать выход люминесценции русской буквой В...» Предложение было принято, и русская буква В вошла в обиход ученых.
Сергей Иванович задумал возбуждать люминесценцию красителей волнами различных длин. Однако в те годы наука не располагала соответствующим спектральным прибором — монохроматором. Ученый вынужден был довольствоваться светофильтрами, пропускающими широкие участки спектра. В качестве светофильтров он использовал желатиновые пленки, окрашенные различными красителями. В результате люминесценция возбуждалась не отдельными линиями, а довольно широким набором длин волн. Вавилову не удалось установить зависимости между удельной люминесценцией и длиной волны возбуждающего света, что противоречило теории Эйнштейна. Однако расчет показал, что отклонения, которые должны наблюдаться по этой теории, в условиях опыта очень незначительны.
В первую очередь Сергей Иванович задался целью определить абсолютные значения энергетического выхода люминесценции у наиболее ярко светящихся веществ. Это было важно потому, что люминесценция считалась очень эффектным, но, с энергетической точки зрения, второстепенным явлением. Прочно утвердилось мнение о том, что поглощение света в основном вызывает нагревание тела, а на возбуждение его люминесценции расходуется ничтожная доля энергии. Так, известный немецкий физик Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц считал, что она имеет значение менее 0,1 процента. Господствовало представление о бесперспективности использования люминесценции для практических целей.
Необходимо было точно измерить абсолютные величины энергии поглощенного света и возникшей люминесценции. Проведение абсолютных измерений представляло сложную задачу.
Сергей Иванович предложил остроумный метод, в котором абсолютные измерения были заменены относительными. С помощью спектрофотометра Кёнига-Мартенса он сравнивал интенсивность возбуждающего света, рассеянного диффузноотражающей поверхностью (стеклянной пластинкой, покрытой окисью магния), с интенсивностью возбуждаемой им люминесценции. Исследователь учел ошибку американского физика Роберта Уильмса Вуда, который не принимал во внимание того, что интенсивность отраженного света зависит от угла отражения (подчиняется закону Ламберта), в то время как люминесценция (согласно закону Ломмеля) одинаково распространяется во все стороны.
С. И. Вавилов установил, что у многих красителей энергетический выход люминесценции может быть весьма значителен. Так, для водных растворов флуоресцеина он равен 80 процентам, водного раствора магдалового красного — 54, а водного раствора родамина Ж — 37 процентам. Эти результаты имели принципиальное значение, так как доказывали, что с энергетической точки зрения люминесцентные процессы являются не побочными, а основными, и что на возникновение их расходуется значительная часть энергии возбуждающего света.
В 1924 году академик Д. С. Рождественский писал: «Открытие Вавилова коренным образом меняет наши представления о роли явления люминесценции. Мы должны изменить прежнее пренебрежительное отношение к ее практическим возможностям». Результаты Вавилова по определению абсолютных значений выхода люминесценции более пятидесяти лет используются в качестве эталонных.
Позднее Сергей Иванович предложил идею теплового метода определения абсолютного энергетического выхода люминесценции. Этот метод заключался в сравнении нагрева люминесцирующих и нелюминесцирующих растворов при поглощении ими одинаковой энергии возбуждающего света. Практическое осуществление метода было связано с большими экспериментальными трудностями, которые возникали в связи с необходимостью точного учета всех возможных тепловых потерь, происходящих во время опыта.
Эти тонкие измерения удалось осуществить Михаилу Николаевичу Аленцеву. Он завершил их незадолго до кончины своего учителя. Полученные им значения абсолютного энергетического выхода люминесценции оказались близки к значениям, полученным Вавиловым в 1924 году.
Вавилов возвратился к этой теме в 1927 году. Теперь он провел эксперименты на более высоком уровне, в широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетовой части спектра (250 нанометров) до середины видимой его части (540 нанометров). Для выделения возбуждающих лучей определенной длины волны ученый использовал спектральный прибор — кварцевый монохроматор, а в качестве источника ультрафиолетовых лучей — ртутную лампу. При работе в видимой части спектра применялась пятисотваттная кинолампа.
Свои эксперименты Вавилов в основном проводил со щелочными водными растворами флуоресцеина, для которых установил зависимость энергетического выхода люминесценции от длины возбуждающего света. Эта зависимость, отражающая одну из основных закономерностей молекулярной люминесценции, получила название закона Вавилова. Оказалось, что энергетический выход люминесценции флуоресцеина в интервале от 250 до 430 нанометров растет пропорционально длине волны возбуждающего света, а в интервале от 430 до 515 нанометров остается постоянным, после чего начинает быстро падать.
Закон Вавилова может быть объяснен исходя из квантовых представлений о природе световых явлений. Увеличение энергетического выхода свечения пропорционально длине волны возбуждающего света означает постоянство квантового выхода люминесценции. Экспериментальная проверка закона Вавилова для квантового выхода люминесценции различных веществ показала его состоятельность.
Для каждого соединения имеется обширная область длин волн возбуждающего света, где квантовый выход свечения остается постоянным. Это означает, что число излучаемых квантов люминесценции растет пропорционально числу поглощенных возбуждающих квантов. Такая зависимость наблюдается на протяжении всей стоксовской области спектра.
Еще в 1852 году английский физик Джордж Габриэль Стокс установил правило, согласно которому свет люминесценции имеет большую длину волны, чем свет, применявшийся для ее возбуждения.
По Стоксу, спектр люминесценции должен быть сдвинут по отношению к спектру поглощения в сторону длинных волн. Однако у большинства веществ спектры поглощения и люминесценции частично накладываются друг на друга. Область спектра люминесценции, где имеются частоты, которые больше частот возбуждающего света, носит название антистоксовской. Длинноволновая же часть спектра люминесценции, где правило Стокса строго выполняется, называется стоксовской. При переходе в антистоксовскую область кванты люминесценции становятся больше возбуждающих квантов. Их возникновение может быть объяснено комбинацией квантов возбуждающего света с колебательной энергией, запасенной молекулами еще до их возбуждения.
Наиболее сложным оказался вопрос о причинах быстрого уменьшения выхода люминесценции в антистоксовской части спектра. Сергей Иванович очень интересовался природой этого явления. Его последняя работа — «О причинах снижения выхода люминесценции в антистоксовской области» — была посвящена этой проблеме. Он написал ее незадолго до смерти, в начале января 1951 года, и направил в журнал «Доклады Академии наук СССР». Через несколько дней у него появились новые мысли, и он решил переработать статью. В день смерти корректура статьи лежала на его столе, но ему уже не суждено было дополнить статью. Работа была опубликована в 1952 году без изменений.
В последующие годы этот вопрос неоднократно обсуждался. Белорусские физики Николай Александрович Борисевич, Виктор Владимирович Грузинский и Виталий Антонович Толкачев, а затем Георгий Павлович Гуринович, Елена Кузьминична Круглик и Антон Никифорович Севченко показали, что в тех случаях, когда опыт проводится в условиях, исключающих образование в парах и растворах новых центров поглощения и люминесценции, квантовый выход свечения остается постоянным и при возбуждении люминесценции в антистоксовской части спектра.