Люмінесцэнцыя: віды, метады, прымяненне. Термостимулированная люмінесцэнцыя - гэта што?

Люмінесцэнцыя - гэта выпраменьванне святла пэўнымі матэрыяламі ў адносна халодным стане. Яна адрозніваецца ад выпраменьвання распаленых тэл, напрыклад палаючага дрэва або вугалю, расплаўленага жалеза і дроту, нагреваемой электрычным токам. Выпраменьванне люмінесцэнцыі назіраецца:

• у неонавых і люмінесцэнтных лямпах, тэлевізарах, радарах і экранах флюороскопов;
• ў арганічных рэчывах, такіх як люминол або люциферин ў светлячкоў;
• у некаторых пігментах, якія выкарыстоўваюцца ў вонкавай рэкламе;
• пры маланкі і паўночным ззянні.

Ва ўсіх гэтых з'явах светлавое выпраменьванне не з'яўляецца вынікам награвання матэрыялу вышэй пакаёвай тэмпературы, таму яго называюць халодным святлом. Практычная каштоўнасць люмінесцэнтных матэрыялаў заключаецца ў іх здольнасці трансфармаваць нябачныя формы энергіі ў бачнае выпраменьванне.

Крыніцы і працэс

З'ява люмінесцэнцыі адбываецца ў выніку паглынання матэрыялам энергіі, напрыклад, ад крыніцы ультрафіялетавага або рэнтгенаўскага выпраменьвання, пучкоў электронаў, хімічных рэакцый і т. Д. Гэта прыводзіць атамы рэчыва ва ўзбуджаны стан. Бо яно няўстойліва, матэрыял вяртаецца ў свой зыходны стан, а паглынутая энергія выдзяляецца ў выглядзе святла і / або цяпла. У працэсе задзейнічаны толькі знешнія электроны. Эфектыўнасць люмінесцэнцыі залежыць ад ступені ператварэння энергіі ўзбуджэння ў свет. Лік матэрыялаў, якія валодаюць дастатковай для практычнага прымянення эфектыўнасцю, адносна невялікае.

Люмінесцэнцыя і напальвання

Ўзбуджэнне люмінесцэнцыі не зьвязана з узбуджэннем атамаў. Калі гарачыя матэрыялы пачынаюць свяціцца ў выніку напальвання, іх атамы знаходзяцца ва ўзбуджаным стане. Хоць яны вібруюць ўжо пры пакаёвай тэмпературы, гэтага дастаткова, каб выпраменьванне адбывалася ў далёкай інфрачырвонай вобласці спектру. З павышэннем тэмпературы частата электрамагнітнага выпраменьвання ссоўваецца ў бачную вобласць. З іншага боку, пры вельмі высокіх тэмпературах, якія ствараюцца, напрыклад, ва ўдарных трубах, сутыкнення атамаў могуць быць настолькі моцнымі, што электроны адлучаюцца ад іх і рекомбинируют, выпускаючы святло. У гэтым выпадку люмінесцэнцыя і напальвання становяцца неадметнымі.

Люмінесцэнтныя пігменты і фарбавальнікі

Звычайныя пігменты і фарбавальнікі валодаюць колерам, бо яны адлюстроўваюць тую частку спектру, якая Камплементарнай паглынутай. Невялікая частка энергіі пераўтворыцца ў цяпло, але прыкметнага выпраменьвання не адбываецца. Калі, аднак, люмінесцэнтны пігмент паглынае дзённае святло на пэўным участку спектру, ён можа выпраменьваць фатоны, адрозныя ад адлюстраваных. Гэта адбываецца ў выніку працэсаў ўнутры малекулы фарбавальніка або пігмента, дзякуючы якім ўльтрафіялет можа быць ператвораны ў бачны, напрыклад, сіні святло. Такія метады люмінесцэнцыі выкарыстоўваюцца ў вонкавай рэкламе і ў пральных парашках. У апошнім выпадку «асвятляльнікаў» застаецца ў тканіны не толькі для адлюстравання белага, але і для пераўтварэння ультрафіялетавага выпраменьвання ў сіні колер, кампенсавальны жаўцізну і ўзмацняе беласць.

раннія даследаванні

Хоць маланкі, паўночнае ззянне і цьмянае свячэнне светлячкоў і грыбоў заўсёды былі вядомыя чалавецтву, першыя даследаванні люмінесцэнцыі пачаліся з сінтэтычнага матэрыялу, калі Вінчэнца Каскариоло, алхімік і шавец з Балонні (Італія), у 1603 г. нагрэў сумесь сульфату барыю (у выглядзе барыт, цяжкага шпата) з вуглём. Парашок, атрыманы пасля астуджэння, ноччу крычаў блакітнавата свячэнне, і Каскариоло заўважыў, што яно можа быць адноўлена шляхам уздзеяння на парашок сонечнага святла. Рэчыва было названа «ляпіс Салярыс», або сонечны камень, таму што алхімікі спадзяваліся, што яно здольна ператвараць металы ў золата, сімвалам якога з'яўляецца сонца. Послесвечение выклікала цікавасць многіх навукоўцаў таго перыяду, якія давалі матэрыяле і іншыя назвы, у тым ліку «фосфар», што азначае «носьбіт святла».

Сёння назва «фосфар» выкарыстоўваецца толькі для хімічнага элемента, у той час як микрокристаллические люминесцирующие матэрыялы называюцца люмінафорам. «Фосфар» Каскариоло, па-відаць, быў сульфід барыю. Першым камерцыйна даступным люмінафорам (1870 г.) стала «фарба Бальмена» - раствор сульфіду кальцыя. У 1866 годзе быў апісаны першы стабільны люмінафор з сульфіду цынку - адзін з найважнейшых у сучаснай тэхніцы.

Адно з першых навуковых даследаванняў люмінесцэнцыі, што выяўляецца пры гніенні драўніны або плоці і ў светлячкоў, было выканана у 1672 годзе ангельскай навукоўцам Робертам Бойл, які, хоць і не ведаў пра біяхімічным паходжанні гэтага святла, тым не менш ўсталяваў некаторыя з асноўных уласцівасцяў биолюминесцентных сістэм:

• свячэнне халоднае;
• яно можа быць задушана такімі хімічнымі агентамі, як спірт, саляная кіслата і аміяк;
• выпраменьванне патрабуе доступу да паветра.

У 1885-1887 гадах было заўважана, што неачышчаных экстракты, атрыманыя з вест-індыйскіх светлячкоў (огненосных шчалкуны) і з малюскаў Таладзе, пры змешванні вырабляюць святло.

Першымі эфектыўнымі хемилюминесцентными матэрыяламі былі небіялагічны сінтэтычныя злучэння, такія як люминола, адкрытая ў 1928 годзе.

Хеми- і биолюминесценция

Большая частка энергіі, якая вылучаецца ў хімічных рэакцыях, асабліва рэакцыях акіслення, мае форму цяпла. У некаторых рэакцыях, аднак, яе частка выкарыстоўваецца для распачынання электронаў да больш высокіх узроўняў, а па флуоресцентных малекулах да ўзнікнення хемилюминесценции (ХЛ). Даследаванні паказваюць, што ХЛ з'яўляецца універсальным з'явай, хоць інтэнсіўнасць люмінесцэнцыі бывае настолькі малая, што патрабуецца выкарыстанне адчувальных дэтэктараў. Ёсць, аднак, некаторыя злучэнні, якія дэманструюць яркую ХЛ. Найбольш вядомым з іх з'яўляецца люминол, які пры акісленні пераксіду вадароду можа даваць моцны сіні ці сіне-зялёнае святло. Іншыя моцныя ХЛ-рэчывы - люцигенин і лофин. Нягледзячы на яркасць іх ХЛ, не ўсе яны эфектыўныя пры пераўтварэнні хімічнай энергіі ў светлавую, т. К. Менш за 1% малекул выпраменьваюць святло. У 1960-я гады было выяўлена, што складаныя эфіры шчаўевай кіслаты, акісленыя ў бязводных растваральніках ў прысутнасці моцна флуоресцирующих араматычных злучэнняў, выпраменьваюць яркае святло з эфектыўнасцю да 23%.

Биолюминесценция ўяўляе сабой асаблівы тып ХЛ, катализируемой ферментамі. Выхад люмінесцэнцыі такіх рэакцый можа дасягаць 100%, што азначае, што кожная малекула які рэагуе люциферина пераходзіць у выпраменьвальнае стан. Усе вядомыя сёння биолюминесцентные рэакцыі каталізуе рэакцыямі акіслення, якія праходзяць у прысутнасці паветра.

Термостимулированная люмінесцэнцыя

Термолюминесценция азначае не тэмпературнае выпраменьванне, але ўзмацненне светлавога выпраменьвання матэрыялаў, электроны якіх узбуджаны пад дзеяннем цяпла. Термостимулированная люмінесцэнцыя назіраецца ў некаторых мінералаў і перш за ўсё ў кристаллофосфоров пасля таго, як яны былі распачатыя святлом.

Фотолюминесценция

Фотолюминесценция, якая ўзнікае пад дзеяннем электрамагнітнага выпраменьвання, які падае на рэчыва, можа адбывацца ў дыяпазоне ад бачнага святла праз ультрафіялетавае да рэнтгенаўскага і гама-выпраменьвання. У люмінесцэнцыі, выкліканай фатонамі, даўжыня хвалі выпраменьванага святла, як правіла, роўная або больш даўжыні хвалі узбуджальнага (т. Е. Роўнай ці меншай энергіі). Гэтая розніца ў даўжыні хвалі абумоўлена пераўтварэннем паступае энергіі ў ваганні атамаў або іёнаў. Часам, пры інтэнсіўным уздзеянні прамянём лазера, выпусканых святло можа мець больш кароткую даўжыню хвалі.

Той факт, што ФЛ можа ўзбуджацца пад дзеяннем ультрафіялетавага выпраменьвання, быў знойдзены нямецкім фізікам Іяганам Рытэр ў 1801 г. Ён заўважыў, што люмінафоры ярка свецяцца ў нябачнай вобласці за фіялетавай часткай спектру, і такім чынам адкрыў УФ-выпраменьванне. Ператварэнне УФ ў бачнае святло мае вялікае практычнае значэнне.

Гама-і рэнтгенаўскія прамяні ўзбуджаюць крышталічныя люмінафоры і іншыя матэрыялы да стану люмінесцэнцыі шляхам працэсу іянізацыі з наступнай рэкамбінацыяй электронаў і іёнаў, у выніку чаго і адбываецца люмінесцэнцыя. Прымяненне яна знаходзіць ва флюороскопах, якія выкарыстоўваюцца ў рэнтгенадыягностыкі, і ў сцинтилляционных лічыльніках. Апошнія рэгіструюць і вымераюць гама-выпраменьванне, накіраванае на дыск, пакрыты люмінафорам, які знаходзіцца ў аптычным кантакце з паверхняй фотоумножителя.

Триболюминесценция

Калі крышталі некаторых рэчываў, напрыклад цукру, здрабняюцца, бачныя іскры. Тое ж назіраецца ў многіх арганічных і неарганічных рэчываў. Усе гэтыя віды люмінесцэнцыі спараджаюцца станоўчымі і адмоўнымі электрычнымі зарадамі. Апошнія робяцца за кошт механічнага падзелу паверхняў і ў працэсе крышталізацыі. Светлавое выпраменьванне затым адбываецца шляхам разраду - альбо непасрэднага, паміж фрагментамі малекул, альбо праз ўзбуджэнне люмінесцэнцыі атмасферы паблізу аддзеленай паверхні.

Электролюминесценция

Як і термолюминесценция, тэрмін электролюминесценция (ЭЛ) уключае ў сябе розныя віды люмінесцэнцыі, агульнай рысай якіх з'яўляецца тое, што святло выпраменьваецца пры электрычным разрадзе ў газах, вадкасцях і цвёрдых матэрыялах. У 1752 г. Бенджамін Франклін ўсталяваў люмінесцэнцыю маланкі, выкліканую электрычным разрадам праз атмасферу. У 1860 годзе ў Лонданскім каралеўскім грамадстве ўпершыню была прадэманстравана разрадная лямпа. Яна вырабляла яркі белы свет пры разрадзе высокага напружання праз двухвокіс вугляроду пры нізкім ціску. Сучасныя люмінесцэнтныя лямпы заснаваныя на камбінацыі электролюминесценции і фотолюминесценции: атамы ртуці ў лямпе узбуджаюцца электрычным разрадам, выпусканае імі ультрафіялетавае выпраменьванне пераўтворыцца ў бачнае святло з дапамогай люмінафора.

ЭЛ, назіраная ў электродаў пры электролізе, абумоўлена рэкамбінацыяй іёнаў (такім чынам, гэта свайго роду хемилюминесценция). Пад дзеяннем электрычнага поля ў тонкіх пластах люминесцирующего сульфіду цынку адбываецца выпраменьванне святла, якое таксама называюць электролюминесценцией.

Вялікая колькасць матэрыялаў выпускае свячэнне пад уздзеяннем паскораных электронаў - алмаз, лал, крышталічны фосфар і некаторыя комплексныя солі плаціны. Першае практычнае прымяненне катодолюминесценции - асцылограф (1897). Аналагічныя экраны, якія выкарыстоўваюць палепшаныя крышталічныя люмінафоры, выкарыстоўваюцца ў тэлевізарах, радарах, асцылограф і электронных мікраскопах.

Радиолюминесценция

Радыеактыўныя элементы могуць выпускаць альфа-часціцы (ядра гелія), электроны і гама-прамяні (высокаэнергетычныя электрамагнітнае выпраменьванне). Радыяцыйная люмінесцэнцыя - гэта свячэнне, які ўзбуджаецца радыеактыўным рэчывам. Калі альфа-часціцы бамбуюць крышталічны фосфар, пад мікраскопам бачныя малюсенькія мігацення. Гэты прынцып выкарыстаў англійская фізік Эрнэст Радэрфорд, каб даказаць, што атам валодае цэнтральным ядром. Самосветящиеся фарбы, якія выкарыстоўваюцца для маркіроўкі гадзін і іншых інструментаў, дзейнічаюць на аснове РЛ. Яны складаюцца з люмінафора і радыеактыўнага рэчыва, напрыклад трыція або радыя. Ўражлівая натуральная люмінесцэнцыя - гэта паўночнае ззянне: радыёактыўныя працэсы на Сонца выкідваюць у прастору велізарныя масы электронаў і іёнаў. Калі яны набліжаюцца да Зямлі, яе геамагнітныя поле накіроўвае іх да канцавоссяў. Газаразрадныя працэсы ў верхніх пластах атмасферы і ствараюць знакамітыя палярныя зьзяньні.

Люмінесцэнцыя: фізіка працэсу

Выпраменьванне бачнага святла (т. Е. З даўжынямі хваляў паміж 690 нм і 400 нм) патрабуе энергіі ўзбуджэння, мінімум якой вызначаецца законам Эйнштэйна. Энергія (Е) роўная пастаяннай Планка (h), памножанай на частату святла (ν) або на яго хуткасць у вакууме (с), падзелу на даўжыню хвалі (λ): E = hν = hc / λ.

Такім чынам, энергія, неабходная для распачынання, вагаецца ў межах ад 40 кілакалорый (для чырвонага) да 60 кілакалорый (для жоўтага) і 80 кілакалорый (для фіялетавага) на моль рэчывы. Іншы спосаб выразы энергіі - праз электрон-Вольты (1 эв = 1,6 × 10 ^-12 эрг) - ад 1,8 да 3,1 эв.

Энергія ўзбуджэння перадаецца электронам, адказным за люмінесцэнцыю, якія пераскокваюць са свайго асноўнага энергетычнага ўзроўню на больш высокі. Гэтыя стану вызначаюцца законамі квантавай механікі. Розныя механізмы ўзбуджэння залежаць ад таго, ці адбываецца яно ў адзіночных атамах і малекулах, у камбінацыях малекул або ў крышталі. Яны ініцыююцца з дапамогай ўздзеяння паскораных часціц, такіх як электроны, станоўчыя іёны або фатоны.

Часта энергія ўзбуджэння значна вышэй за неабходныя для ўзняцця электрона да ўзроўню выпраменьвання. Напрыклад, свячэнне крышталяў люмінафора ў тэлевізійных экранах вырабляецца катоднымі электронамі з сярэднімі энергіямі 25000 электрон-вольт. Тым не менш колер люмінесцэнтнага святла амаль не залежыць ад энергіі часціц. На яго ўплывае ўзровень узбуджанай стану энергіі крышталічных цэнтраў.

люмінесцэнтныя лямпы

Часціцы, з-за якіх узнікае люмінесцэнцыя, - гэта знешнія электроны атамаў або малекул. У люмінесцэнтных лямпах, напрыклад, атам ртуці ўзбуджаецца пад уздзеяннем энергіі 6,7 эВ або больш, падымаючы адзін з двух знешніх электронаў на больш высокі ўзровень. Пасля яго вяртання ў асноўны стан розніца ў энергіі выпраменьваецца ў выглядзе ультрафіялетавага святла з даўжынёй хвалі 185 нм. Пераход паміж іншым узроўнем і базавым вырабляе ультрафіялетавае выпраменьванне пры 254 нм, якое, у сваю чаргу, можа ўзбуджаць іншыя люмінафоры, генеравальныя бачнае святло.

Гэта выпраменьванне асабліва інтэнсіўна пры нізкіх цісках пароў ртуці (10 ^-5 атмасферы), якія выкарыстоўваюцца ў газаразрадных лямпах нізкага ціску. Такім чынам каля 60% энергіі электронаў пераўтворыцца ў манахраматычнага УФ-святло.

Пры высокім ціску частата павялічваецца. Спектры больш не складаюцца з адной спектральнай лініі 254 нм, а энергія выпраменьвання размеркавана па спектральным лініях, адпаведным розных электронных узроўням: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 і 578 нм. Ртутныя лямпы высокага ціску выкарыстоўваюць для асвятлення, так як 405-546 нм адпавядаюць відаць блакітнавата-зялёным святле, а пры трансфармацыі часткі выпраменьвання ў чырвонае святло з дапамогай люмінафора ў выніку атрымліваецца белы.

Калі малекулы газу узбуджаюцца, іх спектры люмінесцэнцыі паказваюць шырокія палосы; не толькі электроны падымаюцца на ўзроўні больш высокай энергіі, але адначасова узбуджаюцца вагальныя і круцільныя руху атамаў у цэлым. Гэта адбываецца таму, што вагальныя і круцільныя энергіі малекул складаюць 10 ^-2 і 10 ^-4 ад энергій пераходаў, якія, складаючыся, ўтвараюць мноства трохі адрозніваюцца даўжынь хваль, якія складаюць адну паласу. У больш буйных малекулах ёсць некалькі перакрываюць адзін аднаго палос, па адной для кожнага віду пераходу. Выпраменьванне малекул у растворы пераважна лентовидное, што выклікана узаемадзеяннем адносна вялікага ліку узбуджаных малекул з малекуламі растваральніка. У малекулах, як і ў атамах, у люмінесцэнцыі ўдзельнічаюць знешнія электроны малекулярных арбіталей.

Флуарэсцэнцыі і фасфарэсцэнцыі

Гэтыя тэрміны можна адрозніваць не толькі на падставе працягласці святлення, але і па спосабе яго вытворчасці. Калі электрон ўзбуджаецца да синглетного стану з тэрмінам знаходжання ў ім 10 ^-8 з, з якога ён можа лёгка вярнуцца ў асноўнае, рэчыва выпраменьвае сваю энергію ў выглядзе флуарэсцэнцыі. Падчас пераходу спін не змяняецца. Базавая i узбуджаная стану маюць падобную кратнасць.

Электрон, аднак, можна падняць на больш высокі энергетычны ўзровень (званы "распачатая триплетное стан") са зваротам яго спіна. У квантавай механіцы пераходы з триплетных станаў у синглетные забароненыя, і, такім чынам, час іх жыцця значна больш. Таму люмінесцэнцыя ў гэтым выпадку мае значна больш працяглы тэрмін: назіраецца фасфарэсцэнцыі.