Luminescens: typer, metoder, anvendelse. Termisk stimulert luminescens er hva?

Luminescens - er emisjon av lys av visse materialer i en forholdsvis kald tilstand. Den skiller seg fra den stråling av glødelegemer, slik som brenning av tre eller kull, en smeltet jern og en ledning varmes opp av en elektrisk strøm. luminescens utslippet er observert:

• i neon og lysrør, fjernsyn, radar skjermer og fluoroscopes;
• i organiske stoffer, som luminol eller luciferin i Ildfluer;
• i enkelte pigmenter som brukes i utendørs reklame;
• med lyn og aurora.

I alle disse fenomenene lysemisjonen ikke er forårsaket av oppvarming av materialet over romtemperatur, slik at det blir kalt kald lys. Den praktiske verdi av luminiserende materialer er deres evne til å omdanne usynlig form for energi til synlig lys.

Kilder og prosess

luminescens fenomen opptrer som et resultat av energiabsorberende materiale, for eksempel fra en kilde for ultrafiolett eller røntgenstråler, elektronstråler, kjemiske reaksjoner, og så videre. d. Dette resulterer i at stoffet atomene til en eksitert tilstand. Siden det er ustabilt, er materialet tilbake til sin opprinnelige tilstand, og den absorberte energi som frigjøres som lys og / eller varme. Fremgangsmåten innebærer bare de ytre elektroner. luminescens Effektiviteten avhenger av graden av omdanning av eksitasjonsenergien til lys. Antallet av materialer som har tilstrekkelig ytelse for praktisk bruk, er forholdsvis liten.

Luminescens og hvitglødende

luminescens magnetisering er ikke relatert til eksitasjon av atomer. Når varmt materiale begynner å gløde som et resultat av pærer, deres atomer er i en eksitert tilstand. Selv om de vibrerer selv ved romtemperatur, er det nok at strålingen forekom i det fjerne infrarøde spektralområdet. Med økende temperatur forskyver frekvensen av elektromagnetisk stråling i det synlige området. På den annen side, ved meget høye temperaturer som frembringes, for eksempel, i sjokkrørene, kan atomkollisjoner være så sterk at elektronene er adskilt fra dem, og rekombinere, emitterer lys. I dette tilfellet, luminescens og gløde bli utvisket.

Fluorescerende pigmenter og fargestoffer

Konvensjonelle pigmenter og fargestoffer som har farge som de reflektere den del av spekteret som er komplementære absorbert. En liten del av energien blir omdannet til varme, men en betydelig utslipp finner sted. Hvis imidlertid absorberer det fluorescerende pigment lys i området fra et bestemt område, kan den sende ut fotoner, forskjellig fra refleksjon. Dette skjer som et resultat av prosesser i fargen eller pigmentet molekyl, ved hvilken ultrafiolett lys kan omdannes til synlig, for eksempel blått lys. Slike luminescens metoder brukes i utendørs reklame og vaskepulver. I det sistnevnte tilfelle den "klareren" blir værende i vevet, ikke bare for å reflektere den hvite, men også til å omdanne ultrafiolett stråling til blått, gult for kompensering og forbedre hvithet.

tidlige studier

Selv lyn aurora og kjedelig gløden av Ildfluer og sopp har alltid vært kjent for menneskeheten, den første luminiserende studiene begynte med det syntetiske materiale, når Vincenzo Kaskariolo alkymist og skomaker av Bologna (Italia), i 1603 g. Oppvarmede blanding av bariumsulfat (barytt i form, tungspat) med kull. Det etter avkjøling pulver, natt blå luminescens slippes ut, og Kaskariolo merke til at det kan gjenopprettes ved å utsette pulveret for sollys. Stoffet ble kåret til "lapis solaris" eller Sunstone, fordi alkymister håpet at den er i stand til å slå uedle metaller til gull, symbolet som er solen. Afterglow har forårsaket interesse av mange forskere i perioden, noe som gir materialer og andre navn, blant annet "fosfor", som betyr "bærer av lys".

I dag er navnet "fosfor" benyttes bare for det kjemiske elementet, mens den mikrokrystallinske luminescerende materiale som kalles en fosfor. "Phosphorus" Kaskariolo tilsynelatende var bariumsulfid. Den første kommersielt tilgjengelige fosfor (1870) ble en "maling Balmain" - oppløsning av kalsium sulfid. I 1866, ble det beskrevet i den første stabile sinksulfid fosfor av - en av de viktigste i moderne teknologi.

En av de første vitenskapelige studier av luminescens, som er manifestert i rotting tre eller kjøtt og ildfluer, ble utført i 1672 av den engelske vitenskapsmannen Robert Boyle, som, selv om han ikke visste om biokjemiske opprinnelsen til dette lyset, men satt noen av de grunnleggende egenskapene til selvlysende systemer:

• Glow kaldt;
• det kan undertrykkes ved hjelp av kjemiske midler, slik som alkohol, saltsyre og ammoniakk;
• stråling krever tilgang til luft.

I årene 1885-1887 ble det observert at råolje ekstrakter fra ildfluer West Indian (pyrophorus) og musling Foladi når blandet produsere lys.

De første effektive chemiluminescente materialer var ikke-biologiske syntetiske forbindelser slik som luminol, oppdaget i 1928 år.

Kjemi- og bioluminesens

Mesteparten av energien som frigjøres i de kjemiske reaksjoner, særlig oksidasjonsreaksjoner, har form av varme. I enkelte reaksjoner, men en del brukes til å eksitere elektronene opp til et høyere nivå, og i fluorescente molekyler før den kjemiluminescens (CL). Studier viser at CL er et universelt fenomen, men luminescens intensiteten er så liten at det krever bruk av følsomme detektorer. Det er imidlertid noen av de forbindelser som utviser levende CL. Det best kjente av disse er luminol, som ved oksydasjon med hydrogenperoksyd gir en sterk blå eller blå-grønt lys. Andre styrker av CL-stoffer - og lucigenin lofin. Til tross for deres lysstyrke CL, ikke alle av dem er effektive til å omdanne kjemisk energi til lys, det vil si. K. Mindre enn 1% av molekylene sende ut lys. I 1960-årene ble det funnet at estere av oksalsyre, oksyderte i vannfrie oppløsningsmidler i nærvær av svært fluorescerende aromatiske forbindelser som sender ut lys med en effektivitet på 23%.

Bioluminescens er en spesiell type av kjemiluminescens katalysert av enzymer. Luminescensen Utgangen fra disse reaksjonene kan nå 100%, noe som betyr at hvert molekyl av luciferin reaktant kommer inn mitterende tilstand. Alle kjente i dag bioluminescerende reaksjon som katalyseres oksidasjonsreaksjoner som forekommer i nærvær av luft.

termisk stimulert luminescens

Thermoluminescence betyr ingen termisk stråling, men styrke lette emisjonsmaterialet elektroner som blir eksitert av varme. Termisk stimulert luminescens observert i enkelte mineraler og særlig i krystall fosfor etter at de hadde blitt opphisset av lys.

photoluminescence

Fotoluminescerende som oppstår under påvirkning av elektromagnetisk stråling som faller inn på materialet, kan gjøres i området for synlig lys gjennom ultrafiolett til røntgen- og gammastråling. I luminescens, indusert av fotoner, bølgelengde av det utsendte lys er vanligvis lik eller større enn bølgelengden av den eksiterende (m. E. lik eller mindre strøm). Denne forskjellen i bølgelengde forårsaket av transformasjonen av den innkommende energi til vibrasjoner av atomer eller ioner. Noen ganger, med intensiv laserstråle, kan det utsendte lys har en kortere bølgelengde.

Det faktum at PL kan bli opphisset av ultrafiolett stråling, ble oppdaget av den tyske fysikeren Johann Ritter i 1801, la han merke til at fosfor gløden brightly i den usynlige delen av den lilla delen av spekteret, og dermed åpnet UV-stråling. Konverteringen av UV til synlig lys er av stor praktisk betydning.

Gamma- og røntgenstråler eksitere fosfor, og andre krystallinske materialer til luminescens tilstand ved ionisering prosess, etterfulgt av rekombinasjon av elektroner og ioner, hvorved luminescens oppstår. Bruken av det er i gjennomlysning anvendes i radiologi, og scintillasjonstellere. Den siste registrering og måling av gammastråling rettet på en plate belagt med et fosfor, som er i optisk kontakt med overflaten på fotomultiplikatoren.

triboluminescence

Når krystallene av enkelte stoffer, for eksempel sukkere, knust, synlig gnist. Det samme er observert i mange organiske og uorganiske stoffer. Alle disse typene av luminescens som genereres av de positive og negative elektriske ladninger. Nylige produsert ved mekaniske separasjons overflater i krystalliseringsprosessen. Lysemisjon finner så sted ved å slippe ut - enten direkte mellom delene av molekylene, enten ved eksitasjon av luminescens av atmosfæren i nærheten av det fraskilte overflate.

electroluminescence

Som thermoluminescence, elektroluminescens (EL), omfatter betegnelsen forskjellige typer av luminescens Felles for dem er at lys emitteres ved en elektrisk utladning i gasser, væsker og faste materialer. I 1752 etablerte Bendzhamin Franklin den luminescens av lyn-induserte elektriske utladning gjennom atmosfæren. I 1860 ble utslippet lampe første gang påvist i Royal Society of London. Hun produserte et hvitt lys med en høyspenningsutladning gjennom karbondioksyd ved lavt trykk. Moderne lysrør er basert på en kombinasjon av elektroluminescens og fotoluminescens kvikksølvatomene er eksitert ved hjelp av elektrisk utladningslampe, blir ultrafiolett stråling som sendes ut av dem omdannes til synlig lys via fosfor.

EL observert ved elektrodene under elektrolysen på grunn av rekombinasjon av ioner (og dermed en slags kjemiluminescens). Under påvirkning av det elektriske feltet i de tynne lag av luminiserende sinksulfid emisjon av lys forekommer, som også er referert til som elektroluminescens.

Et stort antall materialer som avgir luminescens under påvirkning av akselererte elektroner - diamant, rubin, krystall fosfor og visse komplekse platinasalt. Den første praktiske anvendelsen av katodeluminisens - oscilloskop (1897). Lignende nettinger med forbedrede krystallinske fosforer blir brukt i TV-apparater, radarer, oscilloskoper og elektronmikroskop.

av radio

Radioaktive grunnstoffer kan slippe ut alfa-partikler (heliumkjerner), elektroner og gammastråler (en høy-energi elektromagnetisk stråling). Stråling luminescens - en gløde eksitert av den radioaktive substans. Når alfapartikkel bombardere krystallinsk fosfor, synlig under mikroskopet lille flimring. Dette prinsippet ved bruk av engelsk fysiker Ernest Rutherford, for å bevise at den atom har en sentral kjerne. Selvlysende maling brukes til merking klokker og andre verktøy er basert på RL. De består av fosforet og den radioaktive substans, for eksempel tritium eller radium. Imponerende naturlig luminescens - er den Aurora Borealis: radioaktive prosesser i solen avgir i romskip store masser av elektroner og ioner. Når de nærmer seg jorden, retter sin geomagnetiske feltet dem til polene. Gass-utladningsprosessene i de øvre lag av atmosfæren og skaper et kjent aurora.

Luminescens: fysikken i prosessen

Emisjon av synlig lys (f.eks. E. med bølgelengder mellom 690 nm og 400 nm) eksitasjon krever energi, som bestemmes i det minste Einstein lov. Energi (E) er lik Plancks konstant (h), multiplisert med frekvensen av lys (ν) eller dens hastighet i et vakuum (c), dividert med bølgelengde (λ): E = hν = hc / λ.

Således er energien som trengs for magnetisering varierer fra 40 kilokalorier (for rødt) til 60 kcal (for gult), og 80 kalorier (til purpur) per mol av substans. En annen måte å uttrykke energi - i elektronvolt (1 eV = 1,6 x 10 ^-12 erg) - 1,8 til 3,1 eV.

Eksitasjonsenergien overføres til elektroner som er ansvarlige for den luminescens som hoppe fra dens første nivå til et høyere nivå. Disse betingelser bestemmes av lovene i kvantemekanikk. Forskjellige mekanismer for eksitasjon, avhenger av hvorvidt det forekommer i enkeltatomer og molekyler, eller i kombinasjoner av molekyler i krystallen. De blir initiert ved innvirkning av akselererte partikler, såsom elektroner, positive ioner eller fotoner.

Ofte er eksitasjonsenergien betydelig høyere enn det som kreves for å heve et elektron-stråling. For eksempel, fosfor luminescens krystall TV-skjermer, katode-elektroner produsert med midlere energi på 25.000 volt. Likevel, fargen på fluorescerende lys er nesten uavhengig av partikkel energi. Det er påvirket av nivået på opphisset tilstand av krystall energisentre.

lysrør

Partiklene, på grunn av hvilket luminescens oppstår - denne ytre elektroner av atomer eller molekyler. I lysrør, slik som kvikksølv atom drives under påvirkning av energi 6.7 eV eller mer, løfte ett av de to ytre elektroner til et høyere nivå. Etter tilbakeføring til grunntilstanden forskjellen i energi er emittert som ultrafiolett lys med en bølgelengde på 185 nm. Overgangen mellom base og et annet nivå frembringer ultrafiolett bestråling ved 254 nm, noe som i sin tur kan eksitere andre fosforgenererende synlig lys.

Denne stråling er særlig intens ved lavtrykkskvikksølvdamp (10 ^-5 atmosfære) som brukes i gassutladningslamper med lavt trykk. Således ca. 60% av elektronenergi omdannes til en monokromatisk UV-lys.

Ved høyt trykk, øker frekvensen. Spectra består ikke lenger av en spektrallinje på 254 nm, og strålingsenergien blir fordelt fra spektrallinjene som svarer til ulike elektroniske nivåer: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 og 578 nm. Høytrykks kvikksølvlamper benyttes for belysning, da det synlige 405-546 nm blå-grønt lys, mens trans del av strålingen i det røde lys ved hjelp av en fosfor som et resultat blir hvit.

Når gassmolekyler er spent, deres luminescens spektra viser brede bånd; ikke bare elektroner blir hevet til nivåer med høyere energi, men samtidig spent vibrasjonen og rotasjonsbevegelse av atomene i det hele. Dette er fordi vibrasjonen og rotasjonsenergi av molekylene er 10 ^-2 og ^-4 10 av overgangs energier, som legger opp for å definere en flerhet av litt forskjellige bølgelengdekomponenter av et enkelt bånd. De større molekyler har flere overlappende strimler, ett for hver type overgang. Stråling molekyler i løsning fortrinnsvis båndlignende den som forårsakes av vekselvirkningen mellom et forholdsvis stort antall eksiterte molekyler og løsningsmiddelmolekyler. I molekylene, som i de som er involvert i de luminiserende ytre elektroner molekylorbitalene atomer.

Fluorescens og fosforescens

Disse vilkårene kan være preget ikke bare basert på varigheten av luminescens, men også ved sin metode for produksjon. Når et elektron eksiteres til en singlet tilstand med tiden deri 10 ^-8 s, hvorfra det lett kan vende tilbake til bakken, avgir sin energi substans som fluorescens. Under overgangen, ikke spin endres ikke. Grunnleggende og eksiterte tilstander har en lignende mangfold.

Electron, men kan heves til et høyere energinivå (kalt "en spent lett tilstand") med ryggen behandling. I kvantemekanikken overgangene fra triplett-tilstanden til singlet forbudt, og dermed tidspunktet for deres liv mye mer. Derfor er luminescens i dette tilfellet mye mer langsiktig: det er phosphorescence.