Луминисценция: видове, методи, приложение. Термично стимулирана луминесценция е какво?

Луминесценцията е излъчването на светлина от определени материали в относително студено състояние. Тя се различава от излъчването на горещи тела, например изгаряне на дървесина или въглища, разтопено желязо и тел, загрята от електрически ток. Емисиите на луминесценция се наблюдават:

• в неонови и флуоресцентни лампи, телевизори, радари и екрани от флуороскопи;
• в органични вещества, като луминол или луциферин в светкавици;
• в някои пигменти, използвани при външна реклама;
• с мълния и аврора бореалис.

При всички тези явления светлинната радиация не е резултат от нагряване на материала над стайната температура, така че се нарича студена светлина. Практическата стойност на луминисцентните материали се състои в способността им да трансформират невидими форми на енергия в тях видимо излъчване.

Източници и процес

луминисценция явление възниква в резултат на поглъщане на енергия материал, например от източник на ултравиолетова или рентгенови лъчи, електронни лъчи, химични реакции и така нататък. г. Това води до атоми на веществото възбудено състояние. Тъй като е нестабилна, материалът се връща в първоначалното си състояние и абсорбираната енергия се освобождава под формата на светлина и / или топлина. В процеса участват само външни електрони. Ефективността на луминисценцията зависи от степента на превръщане на възбуждащата енергия в светлина. Броят на материалите с достатъчна ефективност за практическа употреба е относително малък.

Луминисценция и нагряване

Възбуждането на луминесценцията не се дължи на възбуждането на атомите. Когато горещите материали започват да блестят в резултат на нагряване, атомите им са в разгорещено състояние. Въпреки че те вече вибрират при стайна температура, това е достатъчно, за да се получи лъчението в далечната инфрачервена област на спектъра. Тъй като температурата се повишава, честотата на електромагнитното излъчване се измества към видимия регион. От друга страна, при много високи температури, които се създават например в ударни тръби, сблъсъците на атомите могат да бъдат толкова силни, че електроните се отделят от тях и се рекомбинират, излъчващи светлина. В този случай луминесценцията и нагряването стават неразличими.

Флуоресцентни пигменти и багрила

Конвенционалните пигменти и багрила имат цвят, тъй като отразяват тази част от спектъра, която е допълваща към абсорбирания. Малка част от енергията се превръща в топлина, но не се наблюдава забележима радиация. Ако обаче луминесцентният пигмент абсорбира дневна светлина в определена част от спектъра, той може да излъчва фотони, които са различни от отразените. Това се случва в резултат на процесите вътре в молекулата на багрилото или пигмента, поради което ултравиолетът може да се превърне в видима, например синя светлина. Такива методи на луминисценция се използват при външна реклама и в прахове за пране. Във втория случай "утаителят" остава в тъканта не само да отразява бялото, но и да превърне ултравиолетовото лъчение в синьо, компенсирайки жълтата светлина и повишавайки белотата.

Ранно проучване

Въпреки мълния Aurora и тъп блясък на светулки и гъбички винаги са известни на хората, първите проучвания луминисцентни започнаха с синтетичен материал, когато Vincenzo Kaskariolo алхимик и обущарски на Bologna (Италия), в 1603 грама. Загрята смес от бариев сулфат (барит във формата, тежки размери) с въглища. Полученият след охлаждане на прах, нощен синята луминесценция, излъчвана и Kaskariolo забелязали, че тя може да бъде възстановена чрез подлагане на праха на слънчева светлина. Веществото е кръстен "лапис Solaris" или Sunstone, защото алхимици надяваха, че тя е в състояние да се превърне неблагородните метали в злато, символ на което е слънцето. Afterglow е причинил интереса на много учени от този период, които дават материали и други имена, включително "фосфор", което означава "носител на светлина".

Днес името "фосфор" се използва само за химически елемент, докато микрокристалните луминесцентни материали се наричат ​​фосфор. "Фосфорът" Каскарио очевидно беше бариев сулфид. Първият наличен в търговската мрежа фосфор (1870) е "боя на Балмаин" - разтвор на калциев сулфид. През 1866 г. е описан първият стабилен фосфор от цинков сулфид - един от най-важните в съвременната технология.

Един от първите научни изследвания на луминесценция, която се проявява при гниене дърво или плът и светулки, се извършва в 1672 от английския учен Робърт Бойл, който, въпреки че той не е знаел за биохимичния произход на тази светлина, но въпреки това създаде някои от основните свойства на биолуминесцентни системи:

• Светлината е студена;
• той може да бъде потиснат от химически агенти като алкохол, солна киселина и амоняк;
• радиацията изисква достъп до въздуха.

В годините 1885-1887, беше отбелязано, че сурови екстракти от светулки Западна Индия (pyrophorus) и миди Foladi, когато се смесят продукция светлина.

Първите ефективни хемолуминесцентни материали са небиологични синтетични съединения, като луминол, открити през 1928 г.

Хими и биолуминесценция

Повечето от енергията, отделена при химическите реакции, особено окислителните реакции, има формата на топлина. При някои реакции обаче част от него се използва за възбуждане на електрони до по-високи нива и за флуоресцентни молекули преди началото на хемилуминесценцията (CL). Проучванията показват, че CL е универсален феномен, въпреки че интензитетът на луминисценция е толкова малък, че изисква използването на чувствителни детектори. Съществуват обаче някои съединения, които показват ярко CL. Най-известният от тях е луминол, който, когато се окислява с водороден прекис, може да произведе силна синя или синьо-зелена светлина. Други силни CL-вещества са луцигенин и лофин. Въпреки яркостта на техния CL, не всички от тях са ефективни при превръщането на химическата енергия в светлина, тъй като по-малко от 1% от молекулите излъчват светлина. През 1960 е установено, че естерите на оксалова киселина, окислени в безводни разтворители, в присъствието на силно флуоресцентни ароматни съединения излъчват ярка светлина с ефективност 23%.

Биолуминесценцията е специален тип CL, катализиран от ензими. Добивът на луминисценция на такива реакции може да достигне 100%, което означава, че всяка молекула от реагиращия луциферин преминава в излъчващо състояние. Всички известни биолуминесцентни реакции се катализират от окислителни реакции, които се провеждат в присъствието на въздух.

Термично стимулираната луминесценция

Термолуминесценцията означава не термично излъчване, а усилване на светлинната емисия на материали, чиито електрони се възбуждат от топлината. Термично стимулирана луминесценция се наблюдава в някои минерали, особено в кристалофосфор, след като са били развълнувани от светлината.

фотолуминисценция

Фактът, че ПЗ може да се възбужда от ултравиолетова радиация, е бил открит от немския физик Йохан Ритер през 1801 година, той забелязал, че фосфора светят ярко в невидимата област на лилаво част на спектъра, и по този начин отвори ултравиолетовите лъчи. Превръщането на UV в видима светлина е от голямо практическо значение.

Гама и Рентгенови лъчи възбуждат кристални фосфор и други материали до състоянието на луминисценция чрез йонизационен процес, последвано от рекомбинация на електрони и йони, в резултат на което се получава луминисценция. Той намира приложение при флуороскопи, използвани в рентгеновата диагностика и в сцинтилационните броячи. Последният открива и измерва гама-лъчение, насочена към диск, покрит с фосфор, който е в оптичен контакт с фоточувствителната повърхност.

triboluminescence

Когато кристалите на някои вещества, например захар, са смачкани, искри са видими. Същото се наблюдава в много органични и неорганични вещества. Всички тези видове луминисценция се генерират от положителни и отрицателни електрически заряди. Последните се произвеждат чрез механично разделяне на повърхностите и в процеса на кристализация. Светлинната радиация се получава след изхвърляне - директно между фрагменти от молекули или чрез възбуждане на луминисценцията на атмосферата близо до отделената повърхност.

електролуминисценция

Както термолуминесцентното, електролуминесценция (EL), терминът включва различни видове луминисценция обща черта от които е, че светлината се излъчва когато газов разряд, течности и твърди материали. През 1752, Бенджамин Франклин, създаден луминесценция от мълния предизвикан електрически разряд през атмосферата. През 1860 г. лампа за разреждане за първи път е била демонстрирана в Кралското дружество в Лондон. Той произвежда ярка бяла светлина с високо напрежение изхвърляне чрез въглероден диоксид при ниско налягане. Съвременните флуоресцентни лампи се основава на комбинация от електролуминесценция и фотолуминисценция живачни атоми възбудени от електрическа лампа освобождаване, ултравиолетовата радиация, излъчвана от тях се превръща във видима светлина чрез фосфор.

EL, наблюдавано при електродите по време на електролизата, се дължи на йонна рекомбинация (следователно, това е вид хемилуминесценция). Под въздействието на електрическо поле в тънки слоеве от луминисцентен цинков сулфид се излъчва светлина, която също се нарича електролуминесценция.

Голям брой материали излъчват под въздействието на ускорени електрони - диамант, рубин, кристален фосфор и някои сложни платинови соли. Първото практическо приложение на кадодолуминесценцията е осцилоскопът (1897). Подобни екрани с подобрени кристални фосфор се използват в телевизори, радари, осцилоскопи и електронни микроскопи.

на радио

Радиоактивните елементи могат да отделят алфа частици (хелиеви ядра), електрони и гама лъчи (високоенергийна електромагнитна радиация). Радиационната луминесценция е луминесценция, възбудена от радиоактивно вещество. Когато алфа частиците са бомбардирани с кристален фосфор, малък трептене се вижда под микроскоп. Този принцип е използван от английския физик Ърнест Ръдърфорд, За да докажете, че атомът има централно ядро. Самоблокираните бои, използвани за маркиране на часовници и други инструменти, работят на базата на радари. Те се състоят от фосфор и радиоактивно вещество, например тритий или радий. Впечатляваща естествена луминесценция е северните светлини: радиоактивните процеси на Слънцето хвърлят огромни маси електрон и йони в пространството. Когато се приближават до Земята, нейното геомагнитно поле ги насочва към полюсите. Процесите на газово зареждане в горните слоеве на атмосферата създават известните полярни светлини.

Луминесценция: физиката на процеса

Радиацията на видимата светлина (т.е. при дължини на вълните между 690 nm и 400 nm) изисква възбудителна енергия, минималната от която се определя от закона на Айнщайн. Енергията (E) е равна на константата на Planck (h), умножена по честотата на светлината (nu-) или скоростта във вакуум (и), разделена на дължината на вълната (ламбда): E = hnu- = hc / ламбда.

По този начин енергията, необходима за възбуждане, варира от 40 килокалории (за червено) до 60 килокалории (за жълто) и 80 килокалории (за лилаво) на мол вещество. Друг начин за изразяване на енергия е чрез електро-волта (1 eV = 1,6 × 10^-12 erg) - от 1,8 до 3,1 eV.

Енергията на възбуждане се прехвърля на електроните, отговорни за луминисценцията, които се преместват от основното си енергийно ниво до по-високо. Тези състояния се определят от законите на квантовата механика. Различните механизми на възбуждане зависят от това дали се срещат в отделни атоми и молекули, в комбинация от молекули или в кристал. Те се инициират от действието на ускорени частици, като например електрони, положителни йони или фотони.

Често възбуждащата енергия е много по-висока от необходимата за повишаване на електрона до нивото на излъчване. Например, блясъкът на фосфорни кристали в телевизионните екрани се получава от катодни електрони със средна енергия от 25 000 електроволта. Въпреки това, цветът на флуоресцентната светлина е почти независим от енергията на частиците. Тя се влияе от нивото на възбудено състояние на енергията на кристалните центрове.

Луминесцентни лампи

Частиците, поради които възниква луминисценция, са външните електрони на атомите или молекулите. При флуоресцентни лампи например живачен атом е възбуден под въздействието на енергия от 6.7 eV или повече, повдигайки един от двата външни електрона на по-високо ниво. След завръщането си в основното състояние, енергийната разлика се излъчва под формата на ултравиолетова светлина с дължина на вълната 185 nm. Преходът между друго ниво и основата произвежда ултравиолетово лъчение при 254 nm, което от своя страна може да възбуди други луминофори, генериращи видима светлина.

Това лъчение е особено интензивно при ниски налягания на живачните пари (10^-5 атмосфера), използвана в газоразрядни лампи ниско налягане. По този начин около 60% от енергията на електроните се превръща в монохромна UV светлина.

При високи налягания честотата се увеличава. Спектрите вече не се състоят от единична спектрална линия от 254 nm и радиационната енергия се разпределя върху спектрални линии, съответстващи на различни електронни нива: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 и 578 nm. Използват се живачни лампи с високо налягане за осветяване, тъй като 405-546 нанометра съответстват на видимата синкаво-зелена светлина, а когато част от лъчението се трансформира в червена светлина с помощта на фосфор, резултатът е бял.

Когато молекулите на газа се възбуждат, техните спектри на луминисценция показват широки ленти, не само електроните се издигат до по-високи енергийни нива, но вибрационните и ротационните движения на атомите като цяло се възбуждат едновременно. Това е така, защото вибрационните и въртящите енергии на молекулите са 10^-2 и 10^-4 от преходните енергии, които, образувайки набор от леко различни дължини на вълните, съставляват една лента. При по-големи молекули има няколко припокриващи се ленти, по един за всеки тип преход. Излъчването на молекулите в разтвора е предимно лентообразно, което се дължи на взаимодействието на относително голям брой възбудени молекули с молекулите на разтворителя. В молекулите, както и в атомите, участват в луминисценцията външни електрони на молекулните орбитали.

Флуоресценция и фосфоресценция

Тези термини могат да бъдат разграничени не само въз основа на продължителността на блясъка, но и по начина, по който се произвежда. Когато един електрон е възбуден преди състояние на синглет с период на пребиваване от 10^-8 s, от която лесно може да се върне на земята, веществото излъчва своята енергия под формата на флуоресценция. По време на прехода въртенето не се променя. Базовите и развълнувани държави имат подобна многообразие.

Електронът обаче може да се издигне до по-високо енергийно ниво (наречено "възбудено състояние на триплета") с инверсията на своето въртене. В квантовата механика, преходите от триплетни състояния към синглетни състояния са забранени и затова техният живот е много по-дълъг. Следователно луминисценцията в този случай има много по-дълго време: наблюдава се фосфоресценция.