Люмінесценція: види, методи, застосування. Термостімулірованная люмінесценція - це що?
Люмінесценція - це випромінювання світла певними матеріалами в відносно холодному стані. Вона відрізняється від випромінювання розпечених тіл, наприклад палаючого дерева або вугілля, розплавленого заліза і дроту, що нагрівається електричним струмом. Випромінювання люмінесценції спостерігається:
- в неонових і люмінесцентних лампах, телевізорах, радарах і екранах флюороскоп;
- в органічних речовинах, таких як люмінол або люциферин в світляків;
- в деяких пігментах, використовуваних в зовнішній рекламі;
- при блискавки і північне сяйво.
У всіх цих явищах світлове випромінювання не є результатом нагрівання матеріалу вище кімнатної температури, тому його називають холодним світлом. Практична цінність люмінесцентних матеріалів полягає в їх здатності трансформувати невидимі форми енергії в видиме випромінювання.
Джерела і процес
Явище люмінесценції відбувається в результаті поглинання матеріалом енергії, наприклад, від джерела ультрафіолетового або рентгенівського випромінювання, пучків електронів, хімічних реакцій і т. Д. Це призводить атоми речовини в збуджений стан. Так як воно нестійке, матеріал повертається в свій початковий стан, а поглинена енергія виділяється у вигляді світла і / або тепла. У процесі задіяні тільки зовнішні електрони. Ефективність люмінесценції залежить від ступеня перетворення енергії збудження в світло. Число матеріалів, що володіють достатньою для практичного застосування ефективністю, відносно невелика.
Люмінесценція і розжарювання
Порушення люмінесценції не пов`язане з порушенням атомів. Коли гарячі матеріали починають світитися в результаті розжарювання, їх атоми знаходяться в збудженому стані. Хоча вони вібрують вже при кімнатній температурі, цього достатньо, щоб випромінювання відбувалося в далекій інфрачервоній області спектра. З підвищенням температури частота електромагнітного випромінювання зміщується у видиму область. З іншого боку, при дуже високих температурах, які створюються, наприклад, в ударних трубах, зіткнення атомів можуть бути настільки сильними, що електрони відокремлюються від них і рекомбінують, випускаючи світло. В цьому випадку люмінесценція і розжарювання стають невиразними.
Люмінесцентні пігменти і барвники
Звичайні пігменти і барвники володіють кольором, так як вони відображають ту частину спектра, яка комплементарна поглиненої. Невелика частина енергії перетворюється в тепло, але помітного випромінювання не відбувається. Якщо, проте, люмінесцентний пігмент поглинає денне світло на певній ділянці спектра, він може випромінювати фотони, що відрізняються від відображених. Це відбувається в результаті процесів всередині молекули барвника або пігменту, завдяки яким ультрафіолет може бути перетворений в видимий, наприклад, синє світло. Такі методи люмінесценції використовуються в зовнішній рекламі та в пральних порошках. В останньому випадку «освітлювач» залишається в тканині не тільки для відображення білого, але і для перетворення ультрафіолетового випромінювання в синій колір, що компенсує жовтизну і підсилює білизну.
ранні дослідження
Хоча блискавки, північне сяйво і тьмяне світіння світлячків і грибів завжди були відомі людству, перші дослідження люмінесценції почалися з синтетичного матеріалу, коли Вінченцо Каскаріоло, алхімік і швець з Болоньї (Італія), 1603 р нагрів суміш сульфату барію (у вигляді бариту, важкого шпату) з вугіллям. Порошок, отриманий після охолодження, вночі випускав блакитнувате світіння, і Каскаріоло зауважив, що воно може бути відновлене шляхом впливу на порошок сонячного світла. Речовина була названа «ляпіс Соляріс», або сонячний камінь, тому що алхіміки сподівалися, що воно здатне перетворювати метали в золото, символом якого є сонце. Післясвічення викликало інтерес багатьох вчених того періоду, що давали матеріалу й інші назви, в тому числі «фосфор», що означає «носій світла».
Сьогодні назва «фосфор» використовується тільки для хімічного елемента, в той час як микрокристаллические люмінесцирующие матеріалиназиваються люмінофором. «Фосфор» Каскаріоло, мабуть, був сульфідом барію. Першим комерційно доступним люмінофором (1870 г.) стала «фарба Бальмена» - розчин сульфіду кальцію. У 1866 році був описаний перший стабільний люмінофор з сульфіду цинку - один з найважливіших в сучасній техніці.
Одне з перших наукових досліджень люмінесценції, що виявляється при гнитті деревини або плоті і в світляків, було виконано в 1672 році англійським вченим Робертом Бойл, який, хоча і не знав про біохімічному походження цього світла, проте встановив деякі з основних властивостей біолюмінесцентних систем:
- світіння холодну;
- воно може бути придушене такими хімічними агентами, як спирт, соляна кислота і аміак;
- випромінювання вимагає доступу до повітря.
У 1885-1887 роках було помічено, що неочищені екстракти, отримані з вест-індійських світлячків (Вогненосних щелкунів) і з молюсків фолад, при змішуванні виробляють світло.
Першими ефективними хемілюмінесцентних матеріалами були небіологічні синтетичні сполуки, такі як люминола, відкрита в 1928 році.
Хемі і біолюмінесценція
Велика частина енергії, що виділяється в хімічних реакціях, особливо реакціях окислення, має форму тепла. У деяких реакціях, проте, її частина використовується для збудження електронів до більш високих рівнів, а у флуоресцентних молекулах до виникнення хемілюмінесценції (ХЛ). Дослідження показують, що ХЛ є універсальним явищем, хоча інтенсивність люмінесценції буває настільки мала, що потрібне використання чутливих детекторів. Є, однак, деякі сполуки, які демонструють яскраву ХЛ. Найбільш відомим з них є люмінол, який при окисленні пероксидом водню може давати сильний синій або синьо-зелене світло. Інші сильні ХЛ-речовини - люцигенина і лофін. Незважаючи на яскравість їх ХЛ, не всі вони ефективні при перетворенні хімічної енергії в світлову, т. К. Менше 1% молекул випромінюють світло. У 1960-і роки було виявлено, що складні ефіри щавлевої кислоти, окислені в безводних розчинниках у присутності сильно флуоресціюючих ароматичних з`єднань, випромінюють яскраве світло з ефективністю до 23%.
Біолюмінесценція являє собою особливий тип ХЛ, що каталізує ферментами. Вихід люмінесценції таких реакцій може досягати 100%, що означає, що кожна молекула реагує люциферина переходить в яке випромінює стан. Всі відомі сьогодні біолюмінесцентного реакції катализируются реакціями окислення, що протікають в присутності повітря.
Відео: Види люмінесценції
термостімулірованная люмінесценція
Термолюмінесценція означає не температурне випромінювання, але посилення світлового випромінювання матеріалів, електрони яких порушено під дією тепла. Термостімулірованная люмінесценція спостерігається у деяких мінералів і перш за все у кристаллофосфоров після того, як вони були порушені світлом.
фотолюмінісценція
Фотолюмінісценція, яка виникає під дією електромагнітного випромінювання, що падає на речовину, може проводитися в діапазоні від видимого світла через ультрафіолетовий до рентгенівського і гамма-випромінювання. У люмінесценції, викликаної фотонами, довжина хвилі випромінюваного світла, як правило, дорівнює або більше довжини хвилі збудливого (т. Е. Дорівнює або менший енергії). Ця різниця в довжині хвилі обумовлена перетворенням енергії, що надходить в коливання атомів або іонів. Іноді, при інтенсивній дії променем лазера, що випускається світло може мати більш коротку довжину хвилі.
Той факт, що ФЛ може порушуватися під дією ультрафіолетового випромінювання, був виявлений німецьким фізиком Йоганном Ріттером в 1801 р Він зауважив, що люмінофори яскраво світяться в невидимій області за фіолетовою частиною спектра, і таким чином відкрив УФ-випромінювання. Перетворення УФ в видиме світло має велике практичне значення.
гамма-і рентгенівські промені збуджують кристалічні люмінофори та інші матеріали до стану люмінесценції шляхом процесу іонізації з подальшою рекомбінацією електронів та іонів, в результаті чого і відбувається люмінесценція. Застосування вона знаходить у флюороскоп, використовуваних в рентгенодіагностиці, і в сцинтиляційних лічильниках. Останні реєструють і вимірюють гамма-випромінювання, спрямоване на диск, вкритий люмінофором, який знаходиться в оптичному контакті з поверхнею фотоумножителя.
тріболюмінесценціей
Коли кристали деяких речовин, наприклад цукру, подрібнюються, видно іскри. Те ж спостерігається у багатьох органічних і неорганічних речовин. Всі ці види люмінесценції породжуються позитивними і негативними електричними зарядами. Останні виробляються за рахунок механічного поділу поверхонь і в процесі кристалізації. Світлове випромінювання потім відбувається шляхом розряду - або безпосереднього, між фрагментами молекул, або через порушення люмінесценції атмосфери поблизу відокремленої поверхні.
електролюмінесценція
Як і термолюмінесценція, термін електролюмінесценція (ЕЛ) включає в себе різні види люмінесценції, спільною рисою яких є те, що світло випромінюється при електричному розряді в газах, рідинах і твердих матеріалах. У 1752 р Бенджамін Франклін встановив люмінесценцію блискавки, викликану електричним розрядом через атмосферу. У 1860 році в Лондонському королівському товаристві вперше була продемонстрована розрядна лампа. Вона виробляла яскравий білий світ при розряді високої напруги через двоокис вуглецю при низькому тиску. Сучасні люмінесцентні лампи засновані на комбінації електролюмінесценції і фотолюмінесценції: атоми ртуті в лампі збуджуються електричним розрядом, що випускається ними ультрафіолетове випромінювання перетвориться у видиме світло за допомогою люмінофора.
ЕЛ, яка спостерігається у електродів при електролізі, обумовлена рекомбінацією іонів (отже, це свого роду хемілюмінесценція). Під дією електричного поля в тонких шарах люмінесцирующего сульфіду цинку відбувається випромінювання світла, яке також називають Електролюмінесценція.
Велика кількість матеріалів випускає світіння під впливом прискорених електронів - алмаз, рубін, кристалічний фосфор і деякі комплексні солі платини. Перше практичне застосування катодолюминесценции - осцилограф (1897). Аналогічні екрани, що використовують поліпшені кристалічні люмінофори, використовуються в телевізорах, радарах, осцилографах і електронних мікроскопах.
радіолюмінесценція
Радіоактивні елементи можуть випускати альфа-частинки (ядра гелію), електрони і гамма-промені (високоенергетичне електромагнітне випромінювання). Радіаційна люмінесценція - це світіння, порушену радіоактивною речовиною. Коли альфа-частинки бомбардують кристалічний фосфор, під мікроскопом видно крихітні мерехтіння. Цей принцип використав англійський фізик Ернест Резерфорд, щоб довести, що атом має центральний ядром. Сяючі фарби, використовувані для маркування годин і інших інструментів, діють на основі РЛ. Вони складаються з люмінофора і радіоактивної речовини, наприклад тритію або радію. Вражаюча природна люмінесценція - це північне сяйво: радіоактивні процеси на Сонці викидають в простір величезні маси електронів та іонів. Коли вони наближаються до Землі, її геомагнітне поле направляє їх до полюсів. Газорозрядні процеси у верхніх шарах атмосфери і створюють знамениті полярні сяйва.
Люмінесценція: фізика процесу
Випромінювання видимого світла (т. Е. З довжинами хвиль між 690 нм і 400 нм) вимагає енергії збудження, мінімум якої визначається законом Ейнштейна. Енергія (Е) дорівнює постійної Планка (h), помноженої на частоту світла (&nu-) або на його швидкість в вакуумі (с), поділену на довжину хвилі (&lambda-): E = h&nu- = hc / &lambda-.
Таким чином, енергія, необхідна для збудження, коливається в межах від 40 кілокалорій (для червоного) до 60 кілокалорій (для жовтого) і 80 кілокалорій (для фіолетового) на моль речовини. Інший спосіб вираження енергії - через електрон-вольти (1 еВ = 1,6 10-12 ерг) - від 1,8 до 3,1 еВ.
Енергія збудження передається електронам, відповідальним за люмінесценцію, які перескакують зі свого основного енергетичного рівня на більш високий. Ці стани визначаються законами квантової механіки. Різні механізми збудження залежать від того, чи відбувається воно в одиночних атомах і молекулах, в комбінаціях молекул або в кристалі. Вони ініціюються за допомогою впливу прискорених частинок, таких як електрони, позитивні іони або фотони.
Часто енергія збудження значно вище необхідних для підняття електрона до рівня випромінювання. Наприклад, світіння кристалів люмінофора в телевізійних екранах проводиться катодними електронами з середніми енергіями 25000 електрон-вольт. Проте колір люмінесцентного світла майже не залежить від енергії частинок. На нього впливає рівень збудженого стану енергії кристалічних центрів.
Люмінісцентні лампи
Частинки, через які виникає люмінесценція, - це зовнішні електрони атомів або молекул. У люмінесцентних лампах, наприклад, атом ртуті збуджується під впливом енергії 6,7 еВ або більше, піднімаючи один з двох зовнішніх електронів на більш високий рівень. Після його повернення в основний стан різниця в енергії випромінюється у вигляді ультрафіолетового світла з довжиною хвилі 185 нм. Перехід між іншим рівнем і базовим виробляє ультрафіолетове випромінювання при 254 нм, яке, в свою чергу, може порушувати інші люмінофори, що генерують видиме світло.
Відео: 13.02.27-1 Ю.А. Владимиров Застосування люмінесценції
Це випромінювання особливо інтенсивно при низькому тиску парів ртуті (10-5 атмосфери), що використовуються в газорозрядних лампах низького тиску. Таким чином близько 60% енергії електронів перетворюється в монохроматический УФ-світло.
При високому тиску частота збільшується. Спектри більше не складаються з однієї спектральної лінії 254 нм, а енергія випромінювання розподілена по спектральним лініях, відповідним різним електронним рівням: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 і 578 нм. Ртутні лампи високого тиску використовують для освітлення, так як 405-546 нм відповідають мабуть блакитно-зеленого світла, а при трансформації частини випромінювання в червоне світло за допомогою люмінофора в результаті виходить білий.
Коли молекули газу збуджуються, їх спектри люмінесценції показують широкі смуги-не тільки електрони піднімаються на рівні більш високої енергії, але одночасно збуджуються коливальні і обертальні рухи атомів в цілому. Це відбувається тому, що коливальні і обертальні енергії молекул складають 10-2 і 10-4 від енергій переходів, які, складаючись, утворюють безліч трохи відрізняються довжин хвиль, що складають одну смугу. У більших молекулах є кілька перекривають один одного смуг, по одній для кожного виду переходу. Випромінювання молекул в розчині переважно лентовидное, що викликано взаємодією щодо великого числа порушених молекул з молекулами розчинника. У молекулах, як і в атомах, в люмінесценції беруть участь зовнішні електрони молекулярних орбіталей.
Флуоресценція і фосфоресценція
Ці терміни можна розрізняти не тільки на підставі тривалості світіння, а й за способом його виробництва. Коли електрон збуджується до синглетного стану з терміном перебування в ньому 10-8 с, з якого він може легко повернутися в основне, речовина випромінює свою енергію у вигляді флуоресценції. Під час переходу спин не змінюється. Базове і порушену стану мають подібну кратність.
Відео: Підключення різних типів ламп до диммерами
Електрон, однак, можна підняти на більш високий енергетичний рівень (званий "порушену тріплетное стан") Зі зверненням його спина. У квантовій механіці переходи з триплетних станів в синглетні заборонені, і, отже, час їхнього життя значно більше. Тому люмінесценція в цьому випадку має набагато більш тривалий термін: спостерігається фосфоресценція.
