Вавилов установил, что величина выхода люминесценции многих веществ сильно зависит от внешних воздействий. Под их влиянием она обычно заметно падает, что указывает на уменьшение энергетической эффективности люминесцирующего вещества. В этом случае говорят, что происходит тушение люминесценции. Прежде всего Сергей Иванович исследовал тушение, возникающее при увеличении концентрации вещества в растворе. Это явление было известно давно. Качественно оно изучалось еще в середине прошлого столетия тем же Д. Стоксом. Однако количественный ход процесса не был установлен.
В 1934 году С. И. Вавилов изучил концентрационное тушение люминесценции у ряда красителей, растворенных в различных растворителях, и установил формулу, которая хорошо описывала ход этого процесса в широких пределах концентраций. Согласно этой формуле, в определенном интервале концентраций выход свечения остается постоянным, а затем, после достижения пороговой концентрации, величина которой характерна для каждого вещества, наблюдается его уменьшение, происходящее по экспоненциальному закону.
Известно, что выход люминесценции может сильно падать при введении в раствор посторонних примесей. Этот вид тушения люминесценции также заинтересовал Сергея Ивановича. В 1931 году совместно со своим учеником будущим академиком Ильей Михайловичем Франком он выдвинул теорию этого явления. В дальнейшем представления этой теории были развиты другим его учеником Борисом Яковлевичем Свешниковым.
Глубокое изучение процессов тушения люминесценции позволило Вавилову классифицировать их. Все известные виды тушения были разделены им на тушение первого и тушение второго рода. Тушением первого рода он назвал процессы, в которых уменьшение выхода люминесценции вызывается воздействиями на невозбужденные молекулы, тушение второго рода обусловлено влиянием на возбужденные молекулы. Тушение первого рода не сказывается на средней длительности возбужденного состояния молекул, в то время как тушение второго рода должно сопровождаться ее уменьшением.
Действительно, каждая из попавших в возбужденное состояние молекул пребывает в нем определенное время. Для одних молекул оно больше, для других меньше. В опытах наблюдается одновременное свечение огромного числа молекул, поэтому длительность возбужденного состояния характеризуется средним для всех молекул временем. При воздействии тушащих факторов наиболее долгоживущие возбужденные молекулы будут потушены в первую очередь. Это и приводит к уменьшению средней длительности возбужденного состояния исследуемых молекул.
В работах Вавилова показано, что при затухании свечения по экспоненциальному закону и при экспоненциальном характере тушения свечения должна существовать пропорциональная зависимость между выходом люминесценции и средней длительностью возбужденного состояния исследуемых молекул. Постоянство или изменение величины средней длительности возбужденного состояния молекул может служить наглядным критерием, вскрывающим природу процесса тушения их свечения.
Значительное место в научном творчестве С. И. Вавилова занимают работы по исследованию поляризованной люминесценции. В 1924 году Сергей Иванович привлек к работам по люминесценции уже не раз упоминавшегося физика Вадима Леонидовича Левитина и вместе с ним провел ряд важных исследований. В течение тридцати лет Вадим Леонидович был ближайшим сотрудником Сергея Ивановича и, по словам академика Василия Владимировича Шулейкина, «неразлучным спутником в науке».
Ученик Вавилова Петр Петрович Феофилов писал: «Люди во многом разного склада и характера, Сергей Иванович и Вадим Леонидович, взаимно дополняя друг друга, плодотворно сотрудничали в течение ряда лет». После кончины С. И. Вавилова В. Л. Левшин возглавил его лабораторию в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР.
Одно из фундаментальных свойств оптического излучения — поляризация света. Этот термин был введен в науку еще в 1808 году французским физиком Этьенном Луи Малюсом. Самим же понятием поляризации света мы обязаны Исааку Ньютону, который в своих выводах опирался на работы датского математика и медика Эразма Бертолина, открывшего в 1609 году явление двойного лучепреломления в кристаллах, и нидерландского оптика Христиана Гюйгенса, пытавшегося теоретически объяснить это явление.
Сущность поляризации света состоит в неравноправии различных колебаний в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения светового луча. Если такого неравноправия нет, свет называется неполяризованным, или естественным. Это один крайний случай. Другой — когда в этой плоскости колебания совершаются лишь в одном направлении. Такой свет носит название линейнополяризованного. Промежуточные случаи, наиболее часто встречающиеся в практике, соответствуют частично поляризованному свету. Поляризация света может быть описана количественно c помощью характеристики, носящей название степени поляризации света. Ее величина способна меняться в пределах от 0 (естественный свет) до 100 процентов (линейно-поляризованный свет).
При изучении явлений люминесценции поляризацию света долгое время никто не наблюдал. Лишь в 1920 году немецкий физик Фриц Вейгерт сообщил, что ему удалось обнаружить поляризованную люминесценцию некоторых растворов красителей. Это сообщение привлекло внимание С. И. Вавилова, и в 1921 году он вместе с В. Л. Левшиным начал изучение поляризованной люминесценции. Впоследствии Вадим Леонидович вспоминал, что по поводу полученных результатов у них с Сергеем Ивановичем нередко разгорались жаркие споры.
В 1923 году на примере растворов двадцати шести красителей исследователи подтвердили существование поляризованной люминесценции. Была установлена количественная зависимость степени поляризации свечения от вязкости раствора. С. И. Вавилов и В. Л. Левшин показали, что максимальное значение степени поляризации, получившее название предельной степени поляризации, характерно для каждого вещества и обычно не превышает 40 процентов. Они установили, что поляризованную люминесценцию можно наблюдать не только при возбуждении свечения линейно-поляризованным светом — она может возникать и при возбуждении свечения неполяризованными лучами.
Была выведена формула, связывающая степень поляризации при возбуждении свечения естественным светом с ее величиной, наблюдаемой при возбуждении люминесценции линейно-поляризованным светом. Формула Вавилова — Левшина, многократно подтвержденная в опытах, позволяет, в зависимости от требуемых условий эксперимента, осуществлять возбуждение свечения как естественным, так и поляризованным светом, что существенно расширяет возможности экспериментов.
Вавилов и Левшин теоретически рассмотрели простейшие случаи возникновения поляризованной люминесценции, предположив, что поглощение и испускание света в молекуле можно описать, уподобив ее электрическому диполю — совокупности двух одинаковых по величине и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, малом по сравнению с расстоянием этих зарядов от исследуемых точек поля. Считалось, что диполи, ответственные за поглощение и излучение, совпадают между собой. Исходя из этих представлений, для случая равномерно распределенных в пространстве диполей была получена степень поляризации, равная 50 процентам. Это значение оказалось близким к величине предельной степени поляризации у ряда веществ.
В 1924 году В. Л. Левшин обнаружил, что величина предельной степени поляризации сильно зависит от длины волны возбуждающего света. Однако несовершенное оборудование не позволило изучить эту важную закономерность. Через пять лет С. И. Вавилов получил возможность на более высоком экспериментальном уровне исследовать это явление. Он использовал те же разведенные глицериновые (10e-5 грамм на кубический сантиметр) растворы красителей, что и В. Л. Левшин. В качестве источников света в интервале от 540 до 253 нанометров применялась ртутно-кварцевая лампа, а в интервале от 250 до 200 нанометров — дуговая угольная лампа. Отдельные волны выделялись с помощью кварцевого монохроматора.
Тщательные измерения в широком спектральном диапазоне привели С. И. Вавилова к открытию важной зависимости предельной степени поляризации от длины волны возбуждающего света. Сергей Иванович показал, что величина степени поляризации очень сильно меняется при изменении длины волны возбуждающего света и в ряде случаев может принимать отрицательные значения. Оказалось, что эта зависимость характерна для каждого люминесцирующего вещества. Это позволило Вавилову ввести в учение о люминесценции новую оптическую характеристику люминесцирующих соединений, которую он назвал поляризационным спектром. Ныне поляризационные спектры наряду со спектрами поглощения и люминесценции широко используются при изучении свойств люминесцирующих веществ.
В. Л. Левшин, а позднее французский ученый Франсис Перрен развили теорию поляризованной люминесценции. Независимыми путями они пришли к важной формуле, названной формулой Левшина — Перрена, которая связывает значение наблюдаемой степени поляризации люминесценции с величиной угла между поглощающими и излучающими диполями в молекуле.
Дальнейшие опыты П. П. Феофилова показали, что поляризационный спектр вещества очень тесно связан с его электронным спектром поглощения. Используя формулу Левшина — Перрена, Феофилов установил, что поляризационные спектры позволяют определять относительное расположение диполей поглощения и излучения в молекулах, что дает возможность получать такую информацию о свойствах молекулярных систем, которую нельзя получить никакими другими методами.
Изучая свойства поляризованной люминесценции, С. И. Вавилов заинтересовался природой так называемых элементарных излучателей. Он показал, что поглощение и излучение света такими сложными системами, как атомы и молекулы, можно описать, уподобив их некоторым упрощенным моделям — элементарным излучателям. В качестве таких моделей могут быть использованы электрические диполи, магнитные диполи, отличающиеся от электрических тем, что в них электрические заряды заменяются совокупностью двух одинаковых по величине разноименных фиктивных магнитных зарядов, а также электрические квадруполи — системы зарядов, представляющие собой два равных по величине и противоположных по знаку электрических диполя, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Вводить в описание более сложные модели элементарных излучателей оказалось и