Luminestsents: tüübid, meetodid ja rakendused. Termiliselt stimuleeritud luminestsentsi - mis see on?

Luminestsents on teatud materjalide valguse emissioon suhteliselt külmas olekus. See erineb kuumade kehade kiirgusest, näiteks põletatakse puitu või kivisütt, sulatatakse rauda ja traati, mida soojendatakse elektrivooluga. Luminestsentsi heitkogus on täheldatud:

• Neoon- ja luminofoorlampides, televiisorites, radarides ja fluoroskoopide ekraanides;
• Orgaanilistes ainetes, nagu luminol või lutsiferiin, värsked lillad;
• Mõnes fotograafias kasutatavates pigmentides;
• Välk ja aurora borealis.

Kõigis nendes nähtustes ei tulene valguskiirgus materjali kuumutamisest toatemperatuurist kõrgemal, nii et seda nimetatakse külmvalgustuseks. Luminestsentsmaterjalide praktiline väärtus seisneb nende võimes muuta nähtamatuid energiavorme nähtavaks kiirguseks.

Allikad ja protsess

Luminestsents nähtus tekib materjali energia imbumise tagajärjel, näiteks ultraviolettkiirguse või röntgenkiirguse allikast, elektronkiiretest, keemilistest reaktsioonidest jms. See toob aine aatomid põnevaks olekusse. Kuna see on ebastabiilne, läheb materjal tagasi algse olekusse ja neelduv energia vabaneb valguse ja / või kuumuse kujul. Selles protsessis osalevad ainult välised elektronid. Luminestsentsi efektiivsus sõltub põlemisenergia muutumisest valgusele. Kasutatavate materjalide arv praktilisel kasutamisel on suhteliselt väike.

Luminestsents ja hõõggus

Luminestsentsi ergastamine ei tulene aatomite ergastamisest. Kui kuummaterjal hakkab hõõgumise tulemusena särama, on nende aatomid põnevil. Kuigi nad vibratsiooni juba toatemperatuuril, piisab sellest, kui kiirgus tekib spektri kauges infrapuna piirkonnas. Suureneva temperatuuri korral muutub elektromagnetilise kiirguse sagedus nähtavale piirkonnale. Teisest küljest, väga kõrgel temperatuuril, mis on loodud näiteks šokikutorude korral, võib aatomite kokkupõrked olla nii tugevad, et elektronid eralduvad nendest ja rekombinatsioonid, mis kiirgavad valgust. Sellisel juhul muutuvad luminestsents ja hõõggus eristumatuks.

Fluorestseerivad pigmendid ja värvained

Tavalised pigmendid ja värvained on värvilised, kuna need peegeldavad neeldunud kompositsiooni spektriosa. Väike osa energiast muudetakse soojuseks, kuid märgatav kiirgus ei toimu. Kui aga luminestsentspigment absorbeerib päevavalgust teatavas spektriosas, võib see kiirgada peegeldatud nurkadest erinevaid فوتonid. See tekib värvimolekuli või pigmendi sees toimuvate protsesside tulemusena, mille tõttu ultraviolett saab muuta nähtavaks, näiteks siniseks valguseks. Selliseid luminestsentsimeetodeid kasutatakse välireklaamides ja pesupulbides. Viimasel juhul jääb "selgitaja" koes mitte ainult valgeks peegelduseks, vaid ka ultraviolettkiirguse muutmiseks siniseks, kompenseerides kollase ja valge tasakaalu.

Varajased uuringud

Kuigi välk oli põhjapoolsetest tuledest ja lillkapslite ja seente vähene sära, oli inimestele alati teada, esimesed luminestsentsuuringud algasid sünteetilisest materjalist, kui 1603. aastal Bologna (Itaalia) alkeemik ja kingsepp Vincenzo Cascariolo soojendas baariumsulfaadi (barite, Heavy spar) söega. Pärast jahutamist saadud pulber tõi öösel välja sinakasvärvi ja Cascariolo märkas, et seda saab taastada, kui pulbrit päikesevalgustesse tuua. Seda ainet nimetati "lapis solarisiks" või päikesekiviks, sest alkeemikud lootsid, et nad saavad metallid kullaks, mille sümboliks on päike. Hiljutine sündmus tekitas paljude aja teadlaste huvi, mis andis materjali ja muud nimed, sealhulgas "fosforit", mis tähendab "valguse kandjat".

Täna nimetatakse "fosforit" ainult keemiliseks elemendiks, mikrokristallilisi luminestseeruvaid materjale nimetatakse fosforiks. "Fosfor" Cascario ilmselt oli baarium sulfiid. Esimene müügilolev fosfor (1870) oli "Balmaini värv" - kaltsiumsulfiidi lahus. Aastal 1866 kirjeldati esimest stabiilset tsinksulfiidi fosforit - üks kaasaegse tehnoloogia kõige olulisemaid.

1672. aastal tegi inglise teadlane Robert Boyle, kes, kuigi ta ei teadnud selle valguse biokeemilisest päritolust, tegi luminestsentsi esimesi teaduslikke uuringuid puidu, liha ja salkade lagunemise kohta, leidis see siiski kindlaks mõned bioluminestsentssüsteemide põhiomadused:

• Hõre on külm;
• Seda võib pärssida keemilised ained nagu alkohol, vesinikkloriidhape ja ammoniaak;
• Kiirgus nõuab juurdepääsu õhus.

Aastatel 1885-1887 täheldati, et lääne-indiaanistest värsketest värsketest lillestest (tulekahvelkestadest) ja foladest saadud molluskidest saadud toorsaadused tekitavad valgust.

Esimesed efektiivsed kemoluminestsentsmaterjalid olid mittebioloogilised sünteetilised ühendid, näiteks luminool, mis avastati 1928. aastal.

Keemiline ja bioluminestsents

Enamik keemilistest reaktsioonidest, eriti oksüdatsioonireaktsioonidest vabanevat energiat on kuumuse kujul. Mõnedes reaktsioonides kasutatakse siiski osa sellest, et kiirendada elektronide kõrgemat taset ja fluorestsentsmolekulides enne kemiluminestsentsi algust (CL). Uuringud näitavad, et CL on universaalne nähtus, kuigi luminestsentsi intensiivsus on nii väike, et see nõuab tundlike detektorite kasutamist. Siiski on mõned ühendid, millel on ere CL. Kõige tuntum neist on luminool, mis vesinikperoksiidiga oksüdeerituna võib toota tugevat sinist või sinist rohelist valgust. Muud tugevad CL-ained on lutsigeniin ja lämmastik. Vaatamata oma CL-i heledusele, ei ole kõik need efektid keemilise energia muutmisel valguseks, kuna vähem kui 1% molekulidest kiirgab valgust. 1960. aastatel leiti, et veevabades lahustites oksüdeerunud oksaalhappeestrid tugevalt fluorestseeruvate aromaatsete ühendite manulusel kiirgavad eredat valgust, mille efektiivsus on kuni 23%.

Bioluminestsents on ensüümide katalüsaatoriks spetsiifiline CL-tüüp. Selliste reaktsioonide luminestsentsi saagis võib ulatuda 100% -ni, mis tähendab, et iga reageeriva lutsiferiini molekul läheb kiirgava olekusse. Kõik tänapäeval tuntud bioluminestsentsreaktsioonid katalüüsitakse õhu kohalolekul toimuvate oksüdatsioonireaktsioonide abil.

Termiliselt stimuleeritud luminestsents

Termoluminestsents tähendab mitte termilist kiirgust, vaid materjalide valguse emissiooni võimendamist, mille elekter on kuumusel põnevil. Termiliselt stimuleeritud luminestsents on täheldatud mõnedes mineraalides ja eriti kristallfosforides pärast seda, kui need on valguse poolt ärritatud.

Fotoluminestsents

Ainele tekitatava elektromagnetilise kiirguse tekitatavat fotoluminestsentsi võib läbi viia ultraviolettkiirguse ja röntgenikiirguse ja gammakiirguse vahel. Fotonite poolt põhjustatud luminestsentsi korral on valgust kiirgava valguse lainepikkus üldjuhul võrdne või suurem kui põneva (so võrdne või väiksem energia) lainepikkus. See lainepikkuse erinevus on tingitud sissetuleva energia muutumisest aatomite või ioonide vibreerumiseks. Mõnikord võib laserkiirega intensiivne kokkupuude kiirgusega valgusel olla lühem lainepikkus.

Asjaolu, et PL-i saab põlema ultraviolettkiirgusega, avastati 1801. aastal saksa füüsik Johann Ritter. Ta märkas, et fosforid erksalt hõõguvad nähtamatu piirkonnas, mis jäävad spektri violetsesse ossa, ja avastas seega UV-kiirguse. UV-de muutumine nähtavaks valguseks on väga praktiline.

Gamma- ja röntgenikiirgus kristalliliste fosforide ja muude materjalide kergendamiseks ionisatsiooni protsessi abil luminestsentsi seisundile, millele järgneb elektronide ja ioonide rekombinatsioon, mille tulemusena toimub luminestsents. See leiab kasutamist röntgendiagnostikas ja stsintillatsiooniloendurites kasutatavates fluoroskoobides. Viimased tuvastavad ja mõõdavad gammakiirgust, mis on suunatud fosforiga kaetud plaadile, mis on optiliselt kokkupuutes fotomultipleidi pinnaga.

Triboluminestsents

Kui mõne aine kristallid, näiteks suhkur, purustatakse, on sädemed nähtavad. Sama on täheldatud paljudes orgaanilistes ja anorgaanilistes ainetes. Kõik need tüüpi luminestsents tekitatakse positiivsete ja negatiivsete elektrikulude abil. Viimaseid toodetakse pindade mehaanilisel eraldamisel ja kristalliseerumisprotsessis. Seejärel tekib valguskiirgus väljutamise teel - kas otse, molekulide fragmentide vahel või läbi eraldunud pinna lähedal oleva atmosfääri luminestsentsi ergastamise.

Elektroluminestsents

Nagu termoluminestsents, hõlmab termine electroluminescence (EL) ka erinevat tüüpi luminestsentsi, mille ühine omadus on see, et valgust kiirgab gaaside, vedelike ja tahkete ainete elektrivool. 1752. aastal tõi Benjamin Franklin välja valgustugevuse luminestsentsi, mis on tingitud elektrienergia väljastamisest atmosfääri. 1860. aastal ilmus esmakordselt Londoni Kuninglikus Seltsis lakke lamp. See tekitas eredalt valget valgust, kui kõrgepinge tühjenes madalal rõhul süsinikdioksiidil. Kaasaegsed luminofoorlambid põhinevad elektroluminestsentsi ja fotoluminestsentsi kombinatsioonil: lambi elavhõbeda aatomid ärritavad elektrilugemist, nende poolt väljastatav ultraviolettkiirgus muudetakse fosforiks nähtava valguse abil.

Elektroodides elektrolüüsi käigus elektrolüüdis EL täheldati ioonide rekombinatsiooni (seega see on mingi kemiluminestsents). Luminestsents-tsinksulfiidi kergete kihtide elektrivälja mõjul levib kerge, mida nimetatakse ka elektroluminestsentsiks.

Paljud materjalid kiirgavate elektronide - teemandi, rubiini, kristallilise fosfori ja mõningate keerukate plaatina-soolade - all hoiavad kuma. Katoodoluminestsentsi esimene praktiline rakendus on ostsilloskoop (1897). Sarnaseid ekraane kasutades täiustatud kristallilist fosforit kasutatakse televiisorites, radarites, ostsilloskoobides ja elektronmikroskoopides.

Radioluminestsents

Radioaktiivsed elemendid võivad eralduda alfa-osakesi (heeliumi tuumad), elektronid ja gammakiirgust (kõrge energiaga elektromagnetkiirgus). Kiirgusluminestsents on radioaktiivse aine põletav luminestsents. Kui alfa-osakesed pommitatakse kristallilise fosforiga, nähakse mikroskoobi all väikest värinat. Seda põhimõtet kasutas inglise füüsik Ernest Rutherford, et tõestada, et aatomil on keskne tuum. Kellade ja muude instrumentide tähistamiseks kasutatavad isesõbralikud värvid toimivad radari baasil. Need koosnevad fosforist ja radioaktiivsest ainest, näiteks triitiumist või raadiusest. Muljetavaldav looduslik luminestsents on põhjapoolsed tuled: päikese radioaktiivsed protsessid viskavad kosmosesse suurt hulka elektronide ja ioonide massi. Kui nad lähenevad Maale, suunab geomagnetiline väli need postidesse. Gaaslahendusprotsessid atmosfääri ülemistes kihtides loovad kuulsad polaarsed tuled.

Luminestsents: protsessi füüsika

Nähtava valguse emissioon (st lainepikkusega 690 nm kuni 400 nm) nõuab erutusenergiat, mille minimaalne väärtus määratakse Einsteini seadusega. Energia (E) võrdub Plancki konstandiga (h), korrutatuna valgus sagedusega (ν) või selle kiirusega vaakumites (jagudes lainepikkusega (λ): E = hν = hc / λ.

Seega on ergastamiseks vajalik energia 40 kilokalorit (punasele) 60 kilokalorile (kollasele) ja 80 kilokalorile (violett) ühe mooli kohta. Teine viis energia väljendamiseks - elektron-voltide (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) kaudu - 1,8 kuni 3,1 eV.

Põlemisenergia viiakse luminestsentsi eest vastutavatele elektronidele, mis hüppavad nende energia baastasemest kõrgemale. Need olekud on määratud kvantmehaanika seadustega. Erinevad ergastuse mehhanismid sõltuvad sellest, kas see esineb üksikutes aatomites ja molekulides, molekulide kombinatsioonides või kristallis. Nad on initsieerunud kiirendatud osakeste, näiteks elektronide, positiivsete ioonide või footonite toimel.

Sageli on ergastusenergia palju suurem kui vajalik, et tõsta elektroni kiirguse tasemele. Näiteks fosforkristallide helendamist teleriekraanides toodavad katoodelektroonid, mille keskmine energia on 25 000 elektron-volti. Siiski on fluorestseeriva valguse värvus peaaegu sõltumatu osakeste energiast. Seda mõjutavad kristalsete keskuste energia põneva seisundi tase.

Luminofoorlambid

Osakesed, mille tõttu luminestsents tekib, on aatomite või molekulide välised elektronid. Luminofoorlampides on näiteks elavhõbeda aatom põnevil energia all 6,7 eV või rohkem, tõstes ühe kahest välisest elektronist kõrgemale tasemele. Pärast maasseasendisse naasmist kiirgub energia erinevus ultraviolettvalguse kujul lainepikkusega 185 nm. Üleminek teise taseme ja aluse vahel tekitab ultraviolettkiirguse 254 nm juures, mis omakorda võib eksitada teisi luminofoore, mis tekitavad nähtavat valgust.

See kiirgus on eriti intensiivne madala rõhu all olevate lambipirnide kasutamisel elavhõbeda aururõhul ( ^10-5 atmosfääri). Seega moodustatakse ligikaudu 60% elektroni energiast monokromaatilise UV-valgusega.

Suure surve korral suureneb sagedus. Spektrid ei koosne enam ühest 254 nm spektriliinist ja kiirgusenergia jaotatakse spektraalide vahel, mis vastavad erinevatele elektroonilistele tasanditele: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 ja 578 nm. Valgustamiseks kasutatakse kõrgsurve-elavhõbedat, kuna 405-546 nm vastab nähtava sinakasrohelisele valgusele ja kui osa kiirgust muudetakse fosfori abil punaseks, valgeks.

Kui gaasimolekulid on põnevil, näitavad nende luminestsentspektrid laiad ribasid; Kõrgemasse energiatase tõuseb mitte ainult elektronid, vaid samal ajal põnevad ka aatomite vibratsiooni- ja pöördalused. Seda seetõttu, et molekulide vibratsiooni- ja pöörlemisenergia on ^10-2 ja 10 ^-4 üleminekuenergeetikadest, mis koosnevad natuke erinevat lainepikkust, mis moodustavad ühe riba. Suuremates molekulides on mitmeid kattuvaid ribasid, üks igat tüüpi üleminekute jaoks. Molekulide kiirgus lahuses on valdavalt lindi sarnane, mis on tingitud suhteliselt suure hulga põlemismolekulide ja lahustite molekulide interaktsioonist. Molekulides, nagu ka aatomites, osalevad luminestsentsis molekulaarsete orbitaalide välised elektronid.

Fluorestsents ja fosforestsents

Need terminid on võimalik eristada mitte ainult põhineb kestus luminestsents, vaid ka selle valmistusviisi. Kui elektrone ergastatakse singlett olekus astmete seal 10 ^-8 s, kust ta saab kergesti tagasi maapinnale, aine emiteerib energiat kui fluorestsentsi. Üleminekuperioodi, spin ei muutu. Basic ja ergastatud on sarnane paljusus.

Electron, aga saab tõsta kõrgemale energia tasemele (nn "põnevil triplett riik") seljaga ravi. Kvantmehaanika, üleminekud triplett olekust särk keelatud ning seega aega oma elu palju. Seetõttu luminestsents antud juhul on palju pikemas perspektiivis: seal on fosforetsents.