Luminiscens: typer, metoder och applikationer. Värme stimulerad luminiscens - vad är detta?

Luminiscens - är den emission av ljus av vissa material i ett relativt kallt tillstånd. Den skiljer sig från strålningen från glöd kroppar, såsom förbränning av trä eller kol, ett smält järn och en tråd uppvärmd av en elektrisk ström. luminiscens emission observeras:

• i neon och lysrör, tv-apparater, radarskärmar och fluoroscopes;
• i organiska substanser, såsom luminol eller luciferin i eldflugor;
• i vissa pigment som används i utomhusreklam;
• med blixt och aurora.

I alla dessa fenomen ljusemission inte orsakas av uppvärmning av materialet över rumstemperatur, så det kallas kallt ljus. Det praktiska värdet av de luminiscenta materialen är deras förmåga att transformera den osynliga form av energi till synligt ljus.

Källor och förfarande

luminiscens fenomen inträffar som ett resultat av absorptionsmaterial energi, till exempel, från en källa för ultraviolett eller röntgenstrålar, elektronstrålar, kemiska reaktioner, och så vidare. d. Detta resulterar i ämnet atomerna till ett exciterat tillstånd. Eftersom den är instabil, är materialet återgår till sitt ursprungliga tillstånd, och den absorberade energi som frigörs som ljus och / eller värme. Processen innebär endast de yttre elektroner. luminiscens effektivitet beror på graden av omvandling av exciteringsenergi till ljus. Antalet material som har tillräcklig prestanda för praktiskt bruk, är relativt liten.

Luminescence och incandescence

luminiscens excitation är inte relaterad till excitationen av atomer. När hett material börjar glöda till följd av glödlampor, deras atomer är i ett exciterat tillstånd. Även om de vibrerar även vid rumstemperatur, är det tillräckligt att strålningen inträffade i det bortre infraröda spektralområdet. Med ökande temperatur skiftar frekvensen hos elektromagnetisk strålning i det synliga området. Å andra sidan, vid mycket höga temperaturer, som alstras, till exempel, i stötrör, kan atomära kollisioner vara så stark att elektronerna är separerade från dem och rekombinera, emitterar ljus. I det här fallet, luminiscens och glödande blir omöjliga att särskilja.

Fluorescerande pigment och färgämnen,

Konventionella pigment och färgämnen har färg som de återspeglar den del av spektrumet som kompletterar absorberas. En liten del av energin omvandlas till värme, men en betydande emission uppträder. Om emellertid absorberar fluorescerande pigmentet ljus i området av ett visst område, kan den emittera fotoner, olika från reflektion. Detta sker som ett resultat av processer inom färgämnet eller pigmentet molekyl, genom vilket ultraviolett ljus kan omvandlas till synlig, till exempel, blått ljus. Sådana luminiscens metoder används i utomhusreklam och tvättmedel. I det senare fallet förblir "klar" i vävnaden inte bara för att återspegla den vita, men också att konvertera ultraviolett strålning i blått, gult att kompensera och öka vithet.

tidiga studier

Även om blixt aurora och tråkig skenet av eldflugor och svampar har alltid varit kända för mänskligheten, de första luminiscens studierna började med det syntetiska materialet, när Vincenzo Kaskariolo alkemist och skomakaren i Bologna (Italien), i 1603 g. Upphettad blandning av bariumsulfat (baryt i form, tungspat) med kol. Den som erhölls efter kylning pulver, nattblått luminescens som emitteras, och Kaskariolo märkte att det kan återställas genom att utsätta pulvret för solljus. Substansen fick namnet "lapis solaris" eller Sunstone, eftersom alkemisterna hoppades att det är möjligt att vända basmetaller till guld, vars symbol solen. Afterglow har orsakat intresset hos många forskare av perioden, vilket ger material och andra namn, inklusive "fosfor", som betyder "bärare av ljus".

Idag namnet "fosfor" endast används för det kemiska elementet, medan den mikrokristallina luminescerande material som kallas en fosfor. "Phosphorus" Kaskariolo tydligen var barium svavelväte. Den första kommersiellt tillgängliga fosforen (1870) blev en "måla Balmain" - lösning av kalciumsulfid. År 1866 var det som beskrivs i den första stabila zinksulfid fosfor av - en av de viktigaste i modern teknik.

En av de första vetenskapliga studier av luminiscens, som manifesteras på ruttnande trä eller kött och eldflugor, utfördes 1672 av den engelska vetenskapsmannen Robert Boyle, som trots att han inte visste om den biokemiska ursprung av detta ljus, men ändå ställa några av de grundläggande egenskaperna hos självlysande system:

• Glöd kall;
• det kan undertryckas genom kemiska medel såsom alkohol, klorvätesyra och ammoniak;
• strålning kräver tillgång till luften.

Under åren 1885-1887, konstaterades att råa extrakt från eldflugor västindiska (eldflugor) och clam Foladi när de blandas producerar ljus.

De första effektiva kemiluminescenta materialen var icke-biologiska syntetiska föreningar, såsom luminol, som upptäcktes i 1928 år.

Kemi- och bioluminiscens

Det mesta av den energi som frigörs i de kemiska reaktionerna, i synnerhet oxidationsreaktioner, har formen av värme. I vissa reaktioner, men en del som används för att excitera elektroner upp till högre nivåer, och i fluorescerande molekyler innan kemiluminiscens (CL). Studier visar att CL är ett universellt fenomen, men luminiscens intensiteten är så liten att den kräver användning av känsliga detektorer. Det finns dock en del av de föreningar som uppvisar levande CL. Den mest kända av dessa är luminol, som vid oxidation med väteperoxid kan ge en stark blå eller blå-grönt ljus. Andra styrkor CL-ämnen - och lucigenin lofin. Trots deras ljusstyrka CL, inte alla av dem är effektiva på att omvandla kemisk energi till ljus, dvs. K. Mindre än 1% av molekylerna emittera ljus. På 1960-talet fann man att estrarna av oxalsyra, oxiderade i vattenfria lösningsmedel i närvaro av höggradigt fluorescerande aromatiska föreningar emitterar starkt ljus med en effektivitet av 23%.

Bioluminescens är en speciell typ av kemiluminiscens som katalyseras av enzymer. Luminescensen utgång av dessa reaktioner kan nå 100%, vilket innebär att varje molekyl av luciferin reaktant inträder emitterande tillstånd. Alla kända idag bioluminescent reaktion som katalyseras oxidationsreaktioner som sker i närvaro av luft.

termiskt stimulerad luminescens

Termoluminiscens betyder ingen värmestrålning men förstärka ljusemissionsmaterial, de elektroner, som exciteras av värme. Värme stimulerad luminiscens observerades i vissa mineraler och speciellt i kristall fosfor efter att de hade blivit upphetsad av ljus.

fotoluminiscens

Fotoluminescens vilket sker under inverkan av elektromagnetisk strålning som faller in på materialet, kan göras i området av synligt ljus genom ultraviolett till röntgen och gammastrålning. I luminiscens, som inducerats av fotoner, är i allmänhet lika med eller större än våglängden för den exciterande våglängd av emitterat ljus (m. E. Lika med eller mindre ström). Denna skillnad i våglängd orsakas av omvandlingen av den inkommande energin till vibrationer av atomer eller joner. Ibland, med intensiv laserstråle, kan emitterat ljus har en kortare våglängd.

Det faktum att PL kan exciteras av ultraviolett strålning, upptäcktes av den tyska fysikern Johann Ritter 1801, märkte han att fosfor lysa klart i den osynliga delen av lila delen av spektrumet, och därmed öppnade UV-strålning. Omvandlingen av UV till synligt ljus är av stor praktisk betydelse.

Gamma och röntgenstrålar excitera fosforer och andra kristallina material till luminiscens tillstånd genom jonisering process följt av rekombination av elektroner och joner, varigenom luminiscens uppträder. Användningen av det är i genomlysning som används i radiologi och scintillationsräknare. Den sista posten och mäta gammastrålning riktad på en skiva belagd med en fosfor, som är i optisk kontakt med ytan av fotomultiplikatorn.

triboluminiscens

När kristallerna av vissa substanser, såsom socker, krossad, synlig gnista. Samma observeras i många organiska och oorganiska substanser. Alla dessa typer av luminiscens som genererats av de positiva och negativa elektriska laddningar. Nyligen produceras genom mekaniska separationsytor i kristallisationsprocessen. Ljusemission äger sedan rum genom urladdning - antingen direkt mellan delarna av molekylerna, antingen genom excitation av luminescens av atmosfären nära den separerade ytan.

elektroluminescens

Som termoluminiscens, elektroluminescens (EL) inkluderar termen olika typer av luminescens gemensamt särdrag hos vilken är att ljus sänds ut när en elektrisk urladdning i gaser, vätskor och fasta material. I 1752 etablerade Bendzhamin Franklin luminescensen av blixt inducerad elektrisk urladdning genom atmosfären. År 1860 var urladdningslampan först visats i Royal Society of London. Hon producerat en starkt vitt ljus med en hög urladdningsspänning genom koldioxid vid lågt tryck. Moderna lysrör är baserade på en kombination av elektroluminescens och fotoluminiscens kvicksilveratomerna exciteras genom elektrisk urladdningslampa, är den ultravioletta strålningen som emitteras av dem omvandlas till synligt ljus via fosforen.

EL observerats vid elektroderna under elektrolys på grund av rekombination av joner (och därmed en typ av kemiluminescens). Under inverkan av det elektriska fältet i de tunna skikten av luminiscerande zinksulfid emission av ljus sker, som också hänvisas till som elektroluminescens.

Ett stort antal material emitterar luminescens under inverkan av accelererade elektroner - diamant, rubin, kristall fosfor och vissa komplexa platinasalt. Den första praktiska tillämpningen av cathodoluminescence - oscilloskop (1897). Liknande skärmar som använder förbättrade kristallina fosforer används i tv-apparater, radar, oscilloskop och elektronmikroskop.

av radio

Radioaktiva grundämnen kan avge alfapartiklar (heliumkärnor), elektroner och gammastrålar (en hög energi elektromagnetisk strålning). Strålning luminiscens - en glöd upphetsad av det radioaktiva ämnet. När alfapartikel bombarderar kristallint lysämne, synliga under mikroskop liten flimmer. Denna princip använda engelska fysikern Ernest Rutherford, för att bevisa att atomen har en central kärna. Självlysande färg som används för att markera klockor och andra verktyg är baserade på RL. De består av fosfor och det radioaktiva ämnet, t ex tritium eller radium. Imponerande naturlig luminiscens - är aurora borealis: radioaktiva processer på solen avger i rymden enorma massor av elektroner och joner. När de närmar sig jorden, dess jordmagnetiska fältet leder dem till polerna. Gas-urladdningsprocesser i de övre skikten av atmosfären och skapar en känd aurora.

Luminescence: fysiken av processen

Emission av synligt ljus (dvs. E. Med våglängder mellan 690 nm och 400 nm) excitering kräver energi, som bestäms åtminstone Einstein lag. Energi (E) är lika med Plancks konstant (h), multiplicerad med frekvensen av ljus (ν) eller dess hastighet i ett vakuum (c), dividerat med våglängden (λ): E = hv = hc / λ.

Således varierar den energi som behövs för excitering från 40 kilokalorier (för röd) och 60 kcal (för gul), och 80 kalorier (till lila) per mol av substansen. Ett annat sätt att uttrycka energi - i elektronvolt (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) - 1,8-3,1 eV.

Exciteringsenergin överförs till elektroner som är ansvariga för den luminescens som hoppar från dess marknivå till en högre. Dessa villkor bestäms av lagarna i kvantmekanik. Olika mekanismer av excitation beror på om det förekommer i enskilda atomer och molekyler, eller i kombinationer av molekylerna i kristallen. De initieras genom verkan av accelererade partiklar, såsom elektroner, positiva joner eller fotoner.

Ofta, är exciteringsenergin signifikant högre än vad som krävs för att höja en elektron för strålning. Exempelvis fosfor luminiscens kristall TV-skärmar, katod elektroner produceras med genomsnittliga energier av 25.000 volt. Icke desto mindre, är färgen på fluorescerande ljus nästan oberoende av partikelenergin. Den påverkas av nivån på det exciterade tillståndet hos kristallenergicentra.

lysrör

Partiklarna, på grund av vilka luminescens sker - detta yttre elektronerna i atomer eller molekyler. I lysrör, såsom kvicksilveratom drivs under inflytande av energin 6,7 eV eller mer, lyfta en av de två yttre elektroner till en högre nivå. Efter dess återgång till grundtillståndet skillnaden i energi avges som ultraviolett ljus med en våglängd av 185 nm. Övergången mellan basen och en annan nivå producerar ultraviolett strålning vid 254 nm, vilket i sin tur, kan excitera andra fosforen genere synligt ljus.

Denna strålning är särskilt intensiv vid lågt tryck kvicksilverånga (10 ^-5 atmosfär) som används i gasurladdningslampor av lågt tryck. Således ca 60% av elektronenergi omvandlas till en monokromatisk UV-ljus.

Vid högt tryck, ökar frekvensen. Spektra inte längre bestå av en spektrallinje av 254 nm, och strålningsenergin distribueras från de spektrala linjer motsvarande olika elektroniska nivåer: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 och 578 nm. Högtryckskvicksilverlampor används för belysning, eftersom den synliga 405-546 nm blå-grönt ljus, medan omvandla del av strålningen i det röda ljuset med användning av en fosfor som ett resultat blir vit.

När gasmolekylerna exciteras, deras luminiscens-spektra visar breda band; inte bara elektroner höjs till de nivåer högre energi men samtidigt exciteras vibrations- och rotationsrörelse hos atomerna på det hela taget. Detta beror på vibrations- och rotationsenergi av molekylerna är 10 ^-2 och 10 ^-4 av övergångsenergier, som lägger upp för att definiera ett flertal något olika våglängdskomponenter i ett enda band. De större molekylerna har flera överlappande remsor, en för varje typ av övergång. molekyler strålnings i lösning med fördel bandliknande den som orsakas av interaktionen av ett relativt stort antal exciterade molekyler och lösningsmedelsmolekyler. I molekylerna, såsom i de atomer som deltar i luminiscens yttre elektroner av molekylära orbitaler.

Fluorescens och fosforescens

Dessa villkor kan urskiljas inte bara baserad på varaktigheten av luminiscens, men också av dess framställningssätt. När en elektron exciteras till ett singlettillstånd med besittnings däri 10 ^-8 s, från vilken den lätt kan återvända till marken, avger ämnet dess energi som fluorescens. Under övergången, inte spin ändras inte. Grundläggande och exciterade tillstånd har en liknande mångfald.

Electron, dock kan höjas till en högre energinivå (kallas "en spännande triplettillstånd") med ryggen behandling. I kvantmekaniken, övergångarna från triplett tillstånd till sing förbjudna och därför tidpunkten för deras liv mycket mer. Därför är luminiscens i detta fall mycket mer långsiktigt: det finns fosforescens.