Luminescence: vrste, metode, uporaba. Kaj je toplotno stimulirana luminiscenca?

Luminescence je emisija svetlobe iz določenih materialov v relativno hladnem stanju. To se razlikuje od sevanja vročih teles, na primer gorenja lesa ali premoga, staljenega železa in žice, ogrevane z električnim tokom. Emisije luminescence so opažene:

• v neonskih in fluorescenčnih žarnicah, televizorjih, radarjih in zaslonih fluoroskopov;
• v organskih snoveh, kot so luminol ali luciferin v svetilkah;
• v nekaterih pigmentih, ki se uporabljajo pri oglaševanju na prostem;
• s strelo in aurora borealisom.

V vseh teh pojavih svetlobno sevanje ni posledica segrevanja materiala nad sobno temperaturo, zato se imenuje hladna svetloba. Praktična vrednost luminiscenčnih materialov je njihova sposobnost pretvorbe nevidnih oblik energije v vidno sevanje.

Viri in proces

Pojav luminescence se pojavi kot posledica absorpcije energije s pomočjo materiala, na primer iz vira ultravijoličnega ali rentgenskega sevanja, elektronskih žarkov, kemičnih reakcij itd. To povzroči, da atomi snovi v vzbujeno stanje. Ker je nestabilna, se material vrne v prvotno stanje, absorbirana energija pa se sprosti v obliki svetlobe in / ali toplote. V proces vključujejo le zunanji elektroni. Učinkovitost luminescence je odvisna od stopnje pretvorbe energije vzbujanja v svetlobo. Število materialov z zadostno učinkovitostjo za praktično uporabo je relativno majhno.

Luminescence in žareče barve

Vzbujanje luminescence ni posledica vzbujanja atomov. Ko vroči materiali začnejo žareti zaradi žarjenja, so njihovi atomi v vznemirjenem stanju. Čeprav vibrirajo že pri sobni temperaturi, je dovolj, da se sevanje pojavi v daljinskem infrardečem področju spektra. Ko se temperatura dvigne, se frekvenca elektromagnetnega sevanja spremeni v vidno področje. Po drugi strani pa so pri zelo visokih temperaturah, ki so nastale, na primer, v udarnih ceveh, trki atomov lahko tako močni, da se elektroni ločijo od njih in rekombinirajo, ki oddajajo svetlobo. V tem primeru se luminescence in žarenje ne razlikujejo.

Fluorescenčni pigmenti in barvila

Konvencionalni pigmenti in barvila imajo barvo, saj odražajo tisti del spektra, ki dopolnjuje absorbirano. Majhen del energije se pretvori v vročino, vendar ne pride do opaznega sevanja. Če pa luminescenčni pigment absorbira svetlobo v določenem delu spektra, lahko oddaja fotone, ki se razlikujejo od odsevnih. To se zgodi kot posledica procesov znotraj molekule barvila ali pigmenta, zaradi česar se lahko ultravijolično pretvori v vidno, na primer modra svetloba. Takšne metode luminescence se uporabljajo pri oglaševanju na prostem in v pralnih praških. V slednjem primeru "čistilnik" ostane v tkivu ne samo, da odraža belo, temveč tudi pretvoriti ultravijolično sevanje v modro, kompenzirati žilavost in povečati belino.

Zgodnje raziskave

Čeprav so strele aurora in mat sij kresnice in gliv nekdaj za človeka, prve študije luminescence začela s sintetičnim materialom, ko Vincenzo Kaskariolo alkimist in čevljar Bologna (Italija), v 1603 g. Segrevamo zmes barijevega sulfata (barita v obliki, težka brazgotina) s premogom. Prašek pridobljeno po hlajenju, nočno modro luminiscenco oddaja, in Kaskariolo opazil, da ga je mogoče obnoviti z izpostavljanjem prahu sončni svetlobi. Snov je bil imenovan "lapis solaris" ali Sunstone, saj alkimisti upal, da je sposoben obrniti navadne kovine v zlato, ki je simbol, ki je na soncu. Afterglow je povzročilo zanimanje številnih znanstvenikov v obdobju, ki dajejo materialov in drugih imen, vključno z "fosforja", kar pomeni "nosilec luči".

Danes se ime "fosfor" uporablja samo za kemični element, medtem ko se mikrokristalni luminiscenčni materiali imenujejo fosfor. "Fosfor" Cascario, očitno, je bil barijev sulfid. Prvi komercialno dostopen fosfor (1870) je bil "Balmainova barva" - raztopina kalcijevega sulfida. Leta 1866 je bil opisan prvi stabilni fosfor iz cinkovega sulfida - eden najpomembnejših v sodobni tehnologiji.

Ena od prvih znanstvenih študijah luminiscence, ki se kaže na gnitje lesa ali meso in kresnice, je bila izvedena leta 1672, ki jih je angleški znanstvenik Robert Boyle, ki je, čeprav ni vedel o biokemičnih izvoru tega vidika, vendar je določil nekaj osnovnih lastnosti bioluminiscenčnimi sistemov:

• sij je hladen;
• ga lahko zavre s kemičnimi sredstvi, kot so alkohol, klorovodikova kislina in amoniak;
• Sevanje zahteva dostop do zraka.

V letih 1885-1887, je bilo ugotovljeno, da je surova izvlečki iz kresnice West Indian (pyrophorus) in školjk Foladi ko mešati proizvajajo svetlobo.

Prvi učinkoviti kemiluminiscenčni materiali so bile nebiološke sintetične spojine, kot je luminol, odkrit leta 1928.

Chemi- in bioluminiscenca

Večina energije, sproščene v kemičnih reakcijah, zlasti oksidacijskih reakcij, ima obliko toplote. V nekaterih reakcijah pa se del tega uporablja za vzbujanje elektronov na višje nivoje in v fluorescenčnih molekulah pred začetkom kemiluminiscence (CL). Študije kažejo, da je CL univerzalni pojav, čeprav je intenzivnost luminescence tako majhna, da zahteva uporabo občutljivih detektorjev. Vendar pa obstajajo nekatere spojine, ki kažejo svetlo CL. Najbolj znana je luminol, ki lahko ob oksidaciji z vodikovim peroksidom proizvede močno modro ali modro-zeleno svetlobo. Druge močne snovi CL so lucigenin in lofin. Kljub svetlosti njihove CL, niso vsi učinkoviti pri pretvarjanju kemične energije v svetlobo, saj manj kot 1% molekul oddaja svetlobo. V šestdesetih letih je bilo ugotovljeno, da estri oksalne kisline, oksidirani v brezvodnih topilih v prisotnosti močno fluorescenčnih aromatskih spojin, oddajajo svetlo svetlobo z učinkovitostjo do 23%.

Bioluminiscenca je posebna vrsta CL, ki jo katalizirajo encimi. Donos luminescence takih reakcij lahko doseže 100%, kar pomeni, da vsaka molekula reakcije luciferina prehaja v sevalno stanje. Vse znane bioluminiscenčne reakcije katalizirajo oksidacijske reakcije, ki potekajo v prisotnosti zraka.

Toplotno stimulirana luminiscenca

Termoluminiscenca pomeni ne toplotno sevanje, ampak ojačanje svetlobne emisije materialov, katerih elektrone se vzbujajo s toploto. V nekaterih mineralih opazimo toplotno stimulirano luminescenco, še posebej pri kristalosferah, potem ko jih je vzbujala svetloba.

Fotoluminiscenca

Dejstvo, da je PL lahko vznemirja ultravijolično sevanje, je odkril nemški fizik Johann Ritter leta 1801, je opazil, da se fosfor sijaj svetlo v nevidnem območju vijolične delu spektra, ter tako odprl UV sevanja. Preoblikovanje UV v vidno svetlobo je zelo praktičen pomen.

Gamma in Rentgenski žarki vzbujate kristalne fosforje in druge materiale v stanje luminescence z ionizacijskim procesom, ki mu sledi rekombinacija elektronov in ionov, zaradi česar pride do luminescence. Uporablja se pri fluoroskopih, ki se uporabljajo pri rentgenski diagnostiki in v scintilacijskih števcih. Slednji zaznavajo in merijo gama sevanja, usmerjeno na ploščo, prevlečeno s fosforjem, ki je v optičnem stiku s površino fotomultirov.

Triboluminiscenca

Ko so kristali nekaterih snovi, na primer sladkor, zdrobljeni, so iskre vidne. Enako velja za številne organske in anorganske snovi. Vse te vrste luminescence nastajajo s pozitivnimi in negativnimi električnimi nabojem. Slednje se proizvaja z mehanskim ločevanjem površin in v procesu kristalizacije. Svetlobno sevanje se nato pojavi z izpustom - bodisi neposredno, med fragmenti molekul ali z vzbujanjem luminescence ozračja v bližini ločene površine.

Elektroluminiscenca

Kot thermoluminescence, elektroluminiscenca (EL), izraz vključuje različne vrste luminiscence skupna značilnost, ki se je, da svetloba, ko električni tok v plini, tekočine in trdne snovi. Leta 1752, Benjamin Franklin ustanovil luminiscence-strele inducirane razelektritev po zraku. Leta 1860 je bil sijalka najprej pokazali v Royal Society v Londonu. Ona proizvaja belo svetlobo z visokim izpust napetosti skozi ogljikov dioksid pri nizkem tlaku. Sodobni fluorescenčne sijalke temeljijo na kombinaciji Elektroluminiscenca in fotoluminiscenco živosrebrovih atomih z električno sijalko vzbujanjem se ultravijolično sevanje, ki jih oddajajo pretvori v vidno svetlobo preko fosfor.

EL, ki je bil opazen pri elektrodah med elektrolizo, je posledica ionske rekombinacije (zato gre za nekakšno kemiluminiscenco). Pod vplivom električnega polja v tankih plasteh svetleči cinkovega emisije sulfida svetlobe pojavi, ki se označuje tudi z Elektroluminiscenca.

Veliko število materialov oddaja svetlobo pod vplivom pospešenih elektronov - diamant, ruby, kristalni fosfor in nekatere kompleksne platinske soli. Prva praktična uporaba katodoluminiscence je osciloskop (1897). Podobni zasloni z izboljšanimi kristalnimi fosforji se uporabljajo v televizorjih, radarjih, osciloskopih in elektronskih mikroskopih.

Radioluminiscenca

Radioaktivni elementi lahko oddajajo delce alfa (jedra helija), elektronov in gama žarkov (visokoenergetsko elektromagnetno sevanje). Svetlobna sevanje je luminescenca, ki jo sproži radioaktivna snov. Ko so alfa delci bombardirani s kristalnim fosforjem, se pod mikroskopom vidi majhna utripanja. To načelo je uporabil angleški fizik Ernest Rutherford, Da bi dokazali, da ima atom osrednje jedro. Samorazsvetovalne barve, ki se uporabljajo za označevanje ur in drugih instrumentov, delujejo na podlagi radarja. So sestavljeni iz fosforja in radioaktivne snovi, na primer tritija ali radija. Impresivno naravno luminescenco so severne luči: radioaktivni procesi na Soncu vržejo v vesolje ogromne množice elektrona in ionov. Ko se približajo Zemlji, njihovo geomagnetno polje usmeri na drogove. Postopki izpusta plina v zgornjih plasteh atmosfere ustvarjajo znane polarne luči.

Luminescence: fizika procesa

Emisija vidne svetlobe (npr. E. S valovnih dolžinah med 690 nm in 400 nm) vzbujanja zahteva energijo, ki se določi vsaj pravom Einstein. Energija (e) je enako konstantno Planck je (h), pomnožen s frekvenco svetlobe (nu-) ali njene hitrosti v vakuumskem (c), deljeno s valovne dolžine (lambda-): E = hnu- = hc / lambda-.

Tako je energija, potrebna za vzbujanje giblje od 40 kJ (za rdeče) do 60 kcal (rumene) in 80 kalorij (do vijolično) na mol snovi. Drug način izražanja energije je preko elektronskih voltov (1 eV = 1,6 × 10^{-12. mesto} erg) - od 1,8 do 3,1 eV.

Energija vzbujanja se prenese na elektrone, ki so odgovorni za luminescenco, ki skočijo od osnovne ravni energije do višje. Ta stanja določajo zakoni kvantne mehanike. Različni mehanizmi vzbujanja so odvisni od tega, ali se pojavljajo v posameznih atomih in molekulah, v kombinacijah molekul ali v kristalu. Začnejo jih z delovanjem pospešenih delcev, kot so elektroni, pozitivni ioni ali fotoni.

Pogosto je energija vzbujanja veliko višja, kot je potrebno za dvig elektrona na raven sevanja. Na primer, sevanje fosfornih kristalov v televizijskih zaslonih proizvajajo katodni elektroni s povprečno energijo 25.000 elektronskih voltov. Kljub temu je barva fluorescenčne svetlobe skoraj neodvisna od energije delcev. Na to vpliva vplivnost vzbujenega stanja energije kristalnih centrov.

Fluorescenčne sijalke

Delci, zaradi katerih nastane luminescenca, so zunanji elektroni atomov ali molekul. V fluorescenčnih žarnicah je npr. Vzrok živega srebra pod vplivom energije 6,7 eV ali več, dvigovanje enega od dveh zunanjih elektronov na višjo raven. Po vrnitvi v osnovno stanje se razlika v energiji izriče v obliki ultravijolične svetlobe z valovno dolžino 185 nm. Prehod med drugo raven in bazo proizvede ultravijolično sevanje pri 254 nm, kar pa lahko vzbudi druge luminofore, ki ustvarjajo vidno svetlobo.

To sevanje je še posebej intenzivno pri nizkih tlakih živega srebra (10^-5 atmosfera) žarnice za razrešnico nizek tlak. Tako se pretvori v približno 60% energije elektronov monokromatska UV svetloba.

Pri visokih tlakih se frekvenca poveča. Spektri ni več sestavljen iz enega spektralne črte 254 nm in energijo sevanja porazdelimo iz spektralnih črt, ki ustrezajo različnim elektronskih ravneh: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 in 578 nm. Visokotlačne živosrebrne žarnice se uporabljajo za osvetlitev, saj je vidno 405-546 nm modro-zeleno svetlobo, medtem ko preoblikovanje del sevanja v rdečo luč uporabo fosfor kot rezultat obarva belo.

Ko molekul plina vzbujanjem njihove luminescence spektri kažejo širok polosy- Samo elektroni niso dvigne na višji ravni energije, temveč hkrati vzbujani vibracijsko in rotacijsko gibanje atomov v celoti. To je zato, ker so vibracijske in rotacijske energije molekul 10^-2 in 10^-4 iz tranzicijskih energij, ki tvorijo niz nekoliko drugačnih valovnih dolžin, sestavljajo en pas. V večjih molekulih obstaja več prekrivajočih se trakov, po eno za vsako vrsto prehoda. Sevanje molekul v raztopini je pretežno ribbonsko, kar je posledica interakcije sorazmerno velikega števila vzburjenih molekul z molekulami topil. V molekulah, tako kot pri atomih, v luminescenci sodelujejo zunanji elektroni molekularnih orbitalcev.

Fluorescenca in fosforecenca

Te izraze je mogoče razlikovati ne le na podlagi trajanja sijaja, ampak tudi od načina proizvodnje. Kadar je vzburjen elektron pred enojnim stanjem z obdobjem prebivanja 10^{-8. mesto} s, iz katere se lahko enostavno vrne v tla, snov oddaja svojo energijo v obliki fluorescence. Med prehodom se vrtenje ne spremeni. Podobna in vzburjena stanja imajo podobno številčnost.

Elektron lahko dvignemo na višjo raven energije (imenovanega "vzbujanega trojnega stanja") z inverzijo njegovega vrtenja. V kvantni mehaniki so prehodi iz tripletnih držav v singletna stanja prepovedani, zato je njihova življenjska doba veliko daljša. Zato ima luminescenca v tem primeru veliko daljši čas: opazimo fosforecenco.