Luminescens: typer, metoder og applikationer. Termisk stimuleret luminescens - hvad er det?

Luminescens - er emissionen af lys ved bestemte materialer i en relativ kold tilstand. Den adskiller sig fra strålingen fra glødelamper organer som brændende træ eller kul, en smeltet jern og en tråd opvarmes af en elektrisk strøm. luminescens emission observeres:

• i neon og lysstofrør, fjernsyn, radarskærme og fluoroscopes;
• i organiske stoffer, såsom luminol eller luciferin i ildfluer;
• i visse pigmenter, der anvendes i udendørs reklamer;
• med lyn og aurora.

I alle disse fænomener lysemission er ikke forårsaget af opvarmning af materialet over stuetemperatur, så det kaldes koldt lys. Den praktiske værdi af de luminescerende materialer er deres evne til at omsætte den usynlige form for energi til synligt lys.

Kilder og proces

luminescens fænomen forekommer som et resultat af energi absorberende materiale, for eksempel fra en kilde for ultraviolet eller røntgenstråler, elektronstråler, kemiske reaktioner osv. d. Dette resulterer i stoffet atomer en exciteret tilstand. Da det er ustabilt, er materialet vender tilbage til sin oprindelige tilstand, og den absorberede energi frigives som lys og / eller varme. Fremgangsmåden involverer kun de ydre elektroner. luminescens effektivitet afhænger af graden af omdannelsen af excitation energi til lys. Antallet af materialer, der har tilstrækkelig kapacitet til praktisk anvendelse, er relativt lille.

Luminescens og incandescence

luminescensexcitation er ikke relateret til excitation af atomer. Når varme materialer begynder at gløde som følge af pærer, deres atomer er i en ophidset tilstand. Selv om de vibrerer selv ved stuetemperatur, er det nok, at strålingen opstod i langt infrarød spektrale område. Med stigende temperatur forskyder frekvensen af elektromagnetisk stråling i det synlige område. På den anden side, ved meget høje temperaturer, som frembringes, for eksempel i shock tubes, kan atomare kollisioner være så stærk, at elektronerne er adskilt fra dem og rekombinerer, der udsender lys. I dette tilfælde, luminescens og glødende bliver umulig at skelne.

Fluorescerende pigmenter og farvestoffer,

Traditionelle pigmenter og farvestoffer har farve, da de afspejler den del af spektret, som er komplementær absorberes. En lille del af energien omdannes til varme, men en betydelig emission forekommer. Hvis imidlertid det fluorescerende pigment absorberer lys i området fra et bestemt område, kan den udsende fotoner, forskellige fra refleksion. Dette sker som et resultat af processer i farvestof eller pigment molekyle, hvorved ultraviolet lys kan omdannes til synligt for eksempel blåt lys. Sådanne luminescens metoder anvendes udendørs reklamer og i vaskepulvere. I sidstnævnte tilfælde er "bundfældningstank" forbliver i vævet, ikke kun for at afspejle den hvide, men også til at omdanne ultraviolet stråling i blå, gul kompensere og forbedre hvidhed.

tidlige undersøgelser

Selvom lyn aurora og kedelig glød af ildfluer og svampe altid har været kendt for menneskeheden, de første luminescens studier begyndte med det syntetiske materiale, da Vincenzo Kaskariolo alkymist og skomager af Bologna (Italien), i 1603 g. Opvarmede blanding af bariumsulfat (baryt i form, tungspat) med kul. Opnået efter afkøling pulver, nat blå luminescens emitteret, og Kaskariolo bemærket, at det kan gendannes ved at udsætte pulveret for sollys. Stoffet blev navngivet "lapis solaris" eller Sunstone, fordi alkymister håbede, at det er i stand til at vende uædle metaller til guld, symbolet på hvilket er solen. Afterglow har forårsaget af interesse for mange forskere i perioden, hvilket giver materialer og andre navne, herunder "fosfor", som betyder "bærer af lys".

I dag navnet "fosfor" anvendes kun til grundstoffet, mens mikrokrystallinsk selvlysende materiale kaldet en fosfor. "Phosphor" Kaskariolo tilsyneladende var barium sulfid. Den første kommercielt tilgængelige fosfor (1870) blev en "male Balmain" - opløsning af calciumsulfid. I 1866 blev det beskrevet i den første stabile zinksulfid fosfor af - en af de vigtigste i moderne teknologi.

En af de første videnskabelige undersøgelser af luminescens, som manifesterer sig ved rådner op træ eller kød og ildfluer, blev udført i 1672 af den engelske videnskabsmand Robert Boyle, der, selv om han ikke vidste om den biokemiske oprindelsen af denne lette, men sæt nogle af de grundlæggende egenskaber af selvlysende systemer:

• Glow kold;
• det kan undertrykkes ved kemiske midler, såsom alkohol, saltsyre og ammoniak;
• stråling kræver adgang til luft.

I årene 1885-1887, blev det observeret, at rå ekstrakter fra ildfluer West Indian (Pyrophorus) og clam Foladi når de blandes producere lys.

De første effektive chemiluminescerende materialer var ikke-biologiske syntetiske forbindelser, såsom luminol, opdaget i 1928 år.

Kemi- og bioluminescens

Det meste af energien frigives i de kemiske reaktioner, især oxidationsreaktioner, har form af varme. I nogle reaktioner, men en del anvendes til at excitere elektroner op til højere niveauer, og i fluorescerende molekyler før kemiluminescens (CL). Undersøgelser viser, at CL er et universelt fænomen, men luminescensintensitet er så lille, at den kræver anvendelse af følsomme detektorer. Der er dog nogle af de forbindelser, der udviser levende CL. Den bedst kendte af disse er luminol, som ved oxidation med hydrogenperoxid kan give en stærk blå eller blå-grønne lys. Andre styrker af CL-stoffer - og lucigenin lofin. På trods af deres lysstyrke CL, ikke alle af dem er effektiv til at konvertere kemisk energi til lys, dvs.. K. Mindre end 1% af molekylerne udsender lys. I 1960'erne blev det konstateret, at esterne af oxalsyre, oxiderede i vandfrie opløsningsmidler i nærværelse af stærkt fluorescerende aromatiske forbindelser udsender lys med en effektivitet på 23%.

Bioluminescens er en særlig type af chemiluminescens katalyseret af enzymer. Luminescens output af disse reaktioner kan nå 100%, hvilket betyder, at hvert molekyle af luciferin reaktant kommer ind udsender tilstand. Alle kendte i dag bioluminescensreaktion oxidationsreaktioner forekommer i nærværelse af luft.

termisk stimuleret luminescens

Termoluminiscensdatering betyder ingen termisk stråling, men styrke lysemissionen materialer, de elektroner, som exciteres af varme. Termisk stimuleret luminescens hos nogle mineraler og især i krystal fosfor, efter at de var blevet ophidset af lys.

fotoluminescens

Fotoluminescens som sker under påvirkning af elektromagnetisk stråling indfaldende på materialet, kan foretages i området fra synligt lys gennem det ultraviolette til røntgen- og gammastråling. I luminescens, induceret af fotoner, bølgelængde af udsendt lys er generelt lig med eller større end bølgelængden af den spændende (m. E. Lig med eller mindre strøm). Denne forskel i bølgelængde forårsaget af omdannelsen af den indkommende energi til vibrationer af atomer eller ioner. Undertiden, med intensiv laserstråle, kan emitterede lys har en kortere bølgelængde.

Den omstændighed, at PL kan ophidset af ultraviolet stråling, blev opdaget af den tyske fysiker Johann Ritter i 1801, bemærkede han, at fosfor glød klart i den usynlige område af det lilla del af spektret, og dermed åbnede UV-stråling. Omdannelsen af UV til synligt lys er af stor praktisk betydning.

Gamma og røntgenstråler excite phosphorer og andre krystallinske materialer til luminescens tilstand ved ionisering proces efterfulgt af rekombination af elektroner og ioner, hvorved luminescensen sker. Brugen af det er i fluoroskopi anvendt i radiologi, og scintillationstællere. Den sidste post og måle gammastråling rettet på en disk belagt med en phosphor, som er i optisk kontakt med overfladen af fotomultiplikatoren.

triboluminescence

Når krystallerne af visse stoffer, såsom sukkere, knust, synlig gnist. Det samme er observeret i mange organiske og uorganiske stoffer. Alle disse typer af luminescens genereres af de positive og negative elektriske ladninger. Nylig produceret af overflader mekanisk separation i krystallisationsprocessen. Lysemission finder derefter sted ved at udlede - enten direkte mellem delene af molekylerne enten gennem excitation af luminescens af luften i den separerede overflade.

elektroluminescens

Som termoluminiscensdatering, elektroluminescens (EL) Udtrykket indbefatter forskellige typer af luminescens fælles træk, er, at lyset udsendes, når en elektrisk udladning i gasser, væsker og faste materialer. I 1752 etablerede Bendzhamin Franklin luminescensen af lyninduceret elektrisk udladning gennem atmosfæren. I 1860 blev den udledning lampe først demonstreret i Royal Society of London. Hun frembragte en klart hvidt lys med en høj spænding udledning gennem carbondioxidet ved lavt tryk. Moderne lysstofrør er baseret på en kombination af elektroluminiscens og fotoluminescens kviksølvatomer ophidset af elektrisk udladningslampe, er den ultraviolette stråling fra dem omdannes til synligt lys via fosfor.

EL observeret ved elektroderne under elektrolyse grund rekombination af ioner (og dermed en slags kemiluminiscens). Under påvirkning af det elektriske felt i de tynde lag af luminescerende zinksulfid udsendelse af lys der, som det også omtales som elektroluminescens.

Et stort antal materialer udsender luminescens under indflydelse af accelererede elektroner - diamant, rubin, krystal phosphor og bestemte komplekse platin salt. Den første praktiske anvendelse af katodeluminescensdisplays - Oscilloskop (1897). Lignende skærme med forbedrede krystallinske phosphorer anvendes i fjernsyn, radarer, oscilloskoper og elektronmikroskoper.

af radio

Radioaktive grundstoffer kan udsende alfapartikler (helium kerner), elektroner og gammastråler (en højenergi-elektromagnetisk stråling). Stråling luminescens - en glød ophidset af det radioaktive stof. Når alfapartikel bombarderer krystallinsk phosphor, synlig under mikroskop lille flimmer. Dette princip anvendelse engelske fysiker Ernest Rutherford, at bevise, at atomet har en central kerne. Selvlysende maling anvendes til mærkning ure og andre værktøjer er baseret på RL. De består af fosfor og det radioaktive stof, for eksempel tritium eller radium. Imponerende naturlige luminescens - er aurora borealis: radioaktive processer på solen udsender i rummet enorme masser af elektroner og ioner. Når de nærmer sig Jorden, dens geomagnetiske felt dirigerer dem til polerne. Gasudladningstypen processer i de øvre lag af atmosfæren og skabe en berømt aurora.

Luminescens: fysik af processen

Emission af synligt lys (dvs.. E. Med bølgelængder mellem 690 nm og 400 nm) excitation kræver energi, som bestemmes i det mindste Einstein ret. Energi (E) er lig med Plancks konstant (h), multipliceret med frekvensen af lys (ν) eller dens hastighed i et vakuum (c), divideret med bølgelængden (λ): E = hv = hc / λ.

Således, den nødvendige energi til excitation varierer fra 40 kilokalorier (til rød) til 60 kcal (for gul) og 80 kalorier (til lilla) pr mol stof. En anden måde at udtrykke energi - i elektronvolt (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) - 1,8-3,1 eV.

Excitationsenergien overføres til elektroner er ansvarlige for luminescens, der springer fra dens grundniveau til et højere. Disse betingelser er bestemt af kvantemekanikkens love. Forskellige mekanismer excitation afhænger af, om den forekommer i enkelte atomer og molekyler, eller i kombinationer af molekyler i krystallen. De er iværksat af virkningen af accelererede partikler, såsom elektroner, positive ioner eller fotoner.

Ofte, excitationsenergien er signifikant højere end kræves for at hæve en elektron til stråling. For eksempel fosfor luminescens krystal fjernsynsskærme, katode elektroner produceret med gennemsnitlige energier 25.000 volt. Ikke desto mindre, farven på fluorescerende lys er næsten uafhængig af partiklen energi. Det er påvirket af niveauet af den exciterede tilstand af krystal energi centre.

lysstofrør

Partiklerne, som følge af hvilken luminescens forekommer - denne ydre elektroner af atomer eller molekyler. I lysstofrør, såsom kviksølv atom drives under påvirkning af energi 6,7 eV eller mere, løfte en af de to ydre elektroner til et højere niveau. Efter dets tilbagevenden til grundtilstanden forskellen i energi udsendes som ultraviolet lys med en bølgelængde på 185 nm. Overgangen mellem basen og et andet niveau frembringer ultraviolet stråling ved 254 nm, hvilket igen kan excitere andet fosfor genererer synligt lys.

Denne stråling er særlig intens ved lavt tryk kviksølvdamplampe (10 ^-5 atmosfære) anvendt i gasudladningslamper af lavt tryk. Således omkring 60% af elektron energien omsættes til en monokromatisk UV-lys.

Ved højt tryk, frekvensen stiger. Spectra ikke længere består af en spektral linie på 254 nm, og strålingsenergien fordeles fra de spektrale linier svarende til forskellige elektroniske niveauer: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 og 578 nm. Højtryks kviksølvlamper anvendes til belysning, eftersom det synlige 405-546 nm blå-grønne lys, mens transformerende del af strålingen i rødt lys ved hjælp af en phosphor som et resultat bliver hvid.

Når gasmolekyler exciteres, deres luminescens spektre viser brede bånd; ikke kun elektroner øges til de niveauer højere energi, men samtidig spændt vibrationelle og roterende bevægelse af atomerne på hele. Dette skyldes vibrationsenergi og rotationsenergi af molekylerne er 10 ^-2 og 10 ^-4 af overgangsmetallerne energier, som tilsammen definerer en flerhed af lidt forskellige bølgelængdekomponenter af et enkelt bånd. De større molekyler har flere overlappende strimler, én for hver type overgang. Stråling molekyler i opløsning med fordel båndlignende som forårsages af interaktionen af et relativt stort antal exciterede molekyler og opløsningsmiddelmolekyler. I molekylerne, som i de involverede i luminescensegenskaberne ydre elektroner molekylorbitaler atomer.

Fluorescens og morild

Disse vilkår kan skelnes ikke kun baseret på varigheden af luminescens, men også ved sin produktionsmetode. Når en elektron exciteres til en singlet tilstand med uopsigelighed deri 10 ^-8 s, hvorfra det let kan vende tilbage til jorden, stoffet afgiver sin energi som fluorescens. Under overgangen, er spin ændres ikke. Grundlæggende og anslåede tilstande har en lignende mangfoldighed.

Electron, dog kan hæves til et højere energiniveau (kaldet "en ophidset triplet tilstand") med ryggen behandling. I kvantemekanikken, overgangene fra triplet tilstand til singlet forbudt, og derfor er tidspunktet for deres liv meget mere. Derfor luminescens i dette tilfælde er meget mere langsigtet: Der er morild.