Luminescència: tipus, mètodes i aplicacions. Tèrmicament luminescència estimulada - Què és això?

Luminescència - és l'emissió de llum per certs materials en un estat relativament fred. Es diferencia de la radiació dels cossos incandescents, com ara la crema de fusta o carbó, un ferro fos i un filferro escalfat per un corrent elèctric. s'observa emissió de luminescència:

• en neó i fluorescents llums, televisors, pantalles de radar i fluoroscopios;
• en substàncies orgàniques com ara luminol o luciferina en cuques de llum;
• en certs pigments usats en publicitat a l'aire lliure;
• amb llamps i aurora.

En tots aquests fenòmens d'emissió de llum no és causat per l'escalfament del material per sobre de la temperatura ambient, de manera que es diu de llum freda. El valor pràctic dels materials luminiscents és la seva capacitat per transformar la forma invisible d'energia en llum visible.

Fonts i processos

fenomen de luminescència es produeix com a resultat de material d'absorció d'energia, per exemple, d'una font de radiació ultraviolada o raigs X, feixos d'electrons, reaccions químiques, i així successivament. d. Això resulta en els àtoms de substància a un estat excitat. Ja que és inestable, el material torna al seu estat original, i l'energia absorbida s'allibera en forma de llum i / o calor. El procés implica únicament els electrons exteriors. l'eficiència de luminiscència depèn del grau de conversió de l'energia d'excitació a la llum. El nombre de materials que tenen un rendiment suficient per a l'ús pràctic, és relativament petit.

La luminiscència i la incandescència

excitació de luminescència no està relacionada amb l'excitació dels àtoms. Quan materials calents comencen a brillar com a resultat de bulbs, els seus àtoms estan en un estat excitat. Tot i que vibren fins i tot a temperatura ambient, és suficient amb que la radiació es va produir a la regió espectral de l'infraroig llunyà. Amb l'augment de la temperatura desplaça la freqüència de la radiació electromagnètica en la regió visible. D'altra banda, a temperatures molt elevades que es generen, per exemple, en tubs de xoc, les col·lisions atòmiques poden ser tan forts que els electrons se separen d'elles i es recombinen, emissor de llum. En aquest cas, la luminiscència incandescent i es tornen indistingibles.

pigments i colorants fluorescents,

pigments convencionals i tints tenen color, ja que reflecteixen que part de l'espectre que és complementària absorbida. Una petita part de l'energia es converteix en calor, però es produeix una emissió significativa. Si, però, el pigment fluorescent absorbeix la llum en l'interval d'una àrea en particular, es pot emetre fotons, diferents de reflexió. Això passa com a resultat dels processos dins de la molècula de colorant o pigment, pel qual la llum ultraviolada es pot convertir en visible, per exemple, la llum blava. Aquests mètodes de luminescència s'utilitzen en la publicitat a l'aire lliure i en el rentat de pols. En l'últim cas, el "clarificador" roman en el teixit no només per reflectir el blanc, sinó també per convertir la radiació ultraviolada en blau, groc de compensar i millorar la blancor.

Els primers estudis

Encara aurora raig i lluentor opaca de cuques de llum i fongs sempre han estat coneguts per la humanitat, els primers estudis de luminiscència van començar amb el material sintètic, quan Vincenzo Kaskariolo alquimista i sabater de Bolonya (Itàlia), en 1603 g. Barreja escalfada de sulfat de bari (barita en forma, espat pesat) amb el carbó. La pols obtingut després del refredament, blau nit luminescència emesa, i Kaskariolo va adonar que es pugui restaurar sotmetent la pols a la llum solar. La substància va ser nomenat "Solaris lapislàtzuli" o pedra del sol, perquè alquimistes esperaven que és capaç de convertir els metalls en or, el símbol és el sol. Afterglow ha provocat l'interès de molts científics de l'època, i els materials que proporcionen altres noms, incloent "fòsfor", que significa "portador de llum".

Avui dia el nom de "fòsfor" s'utilitza només per l'element químic, mentre que el material luminiscent microcristal·lina diu un fòsfor. "Fòsfor" Kaskariolo, pel que sembla, era el sulfur de bari. El primer de fòsfor disponible comercialment (1870) es va convertir en un "pintar Balmain" - solució de sulfur de calci. El 1866, es va descriure en la primera fòsfor sulfur de zinc estable de - un dels més importants de la tecnologia moderna.

Un dels primers estudis científics de la luminiscència, que es manifesta en la fusta podrida o carn i cuques de llum, es va dur a terme en 1672 pel científic anglès Robert Boyle, que, tot i que no sabia sobre l'origen bioquímic d'aquest punt de vista, però, estableix algunes de les propietats bàsiques dels sistemes bioluminescents:

• Glow fred;
• que pot ser suprimida per agents químics com ara alcohol, àcid clorhídric i amoníac;
• la radiació requereix l'accés a l'aire.

En els anys 1885-1887, es va observar que els extractes crus de cuques de llum de les Índies Occidentals (piroforo) i Foladi cloïssa quan es barregen produeixen llum.

Els primers materials quimioluminiscentes eficaços eren compostos sintètics no biològics com ara luminol, descoberts el 1928 anys.

Químicament i bioluminescència

La major part de l'energia alliberada en les reaccions químiques, en particular les reaccions d'oxidació, té la forma de calor. En algunes reaccions, però una porció utilitzada per excitar electrons a nivells més alts, i en molècules fluorescents abans de la quimioluminiscència (CL). Els estudis demostren que CL és un fenomen universal, però la intensitat de la luminiscència és tan petita que no requereix l'ús de detectors sensibles. , Hi ha, però alguns dels compostos que exhibeixen viu CL. El més conegut d'aquests és el luminol, que després de l'oxidació amb peròxid d'hidrogen pot produir una forta llum blava o blau-verd. Altres punts forts de CL-- substàncies i lofin lucigenin. Malgrat la seva brillantor CL, no tots ells són eficaços en la conversió d'energia química a la llum, és a dir. K. Menys d'1% de les molècules emeten llum. En els anys 1960 es va trobar que els èsters d'àcid oxàlic, oxidats en dissolvents anhidres en presència de compostos aromàtics altament fluorescents emeten llum brillant amb una eficiència del 23%.

La bioluminescència és un tipus especial de quimioluminiscència catalitzada per enzims. La sortida de la luminiscència d'aquestes reaccions pot arribar al 100%, el que significa que cada molècula de reactiu luciferina entra en l'estat d'emissió. Tot avui reacció bioluminiscent coneguda catalitzada reaccions d'oxidació que ocorren en presència d'aire.

luminiscència estimulada tèrmicament

Termoluminiscencia vol dir que no hi ha radiació tèrmica, però l'enfortiment dels materials d'emissió de llum, els electrons que són excitats per la calor. Tèrmicament estimulat luminescència observada en alguns minerals i especialment en els llumins de vidre després d'haver estat excitat per la llum.

fotoluminiscència

La fotoluminiscència que es produeix sota l'acció de la radiació electromagnètica incident sobre el material, es pot fer en el rang de la llum visible a través de la llum ultraviolada als raigs X i la radiació gamma. En luminescència, induïda per fotons, longitud d'ona de la llum emesa és generalment igual a o major que la longitud d'ona de l'emocionant (m. E. igual o menor potència). Aquesta diferència en la longitud d'ona provocat per la transformació de l'energia entrant en vibracions dels àtoms o ions. De vegades, amb el raig làser intens, la llum emesa pot tenir una longitud d'ona més curta.

El fet que el PL pot ser excitat per la radiació ultraviolada, va ser descobert pel físic alemany Johann Ritter en 1801. Va observar que els llumins brillen intensament en la regió invisible de la part violeta de l'espectre, i així van obrir la radiació UV. La conversió de la radiació UV a la llum visible és de gran importància pràctica.

Gama i raigs X excita els llumins, i altres materials cristal·lins a l'estat de luminescència per procés de ionització seguit de la recombinació d'electrons i ions, el que es produeix luminescència. L'ús de la mateixa és en fluoroscòpia usat en radiologia, i comptadors de centelleig. L'últim registre i mesurar la radiació gamma dirigida a un disc revestit amb un fòsfor, que està en contacte òptic amb la superfície del fotomultiplicador.

triboluminescència

Quan els vidres d'algunes substàncies, com ara sucres, triturat, espurna visible. El mateix s'observa en moltes substàncies orgàniques i inorgàniques. Tots aquests tipus de luminescència generada per les càrregues elèctriques positives i negatives. Recents produït per superfícies de separació mecànics en el procés de cristal·lització. L'emissió de llum té lloc llavors mitjançant la descàrrega - ja sigui directament entre les restes de les molècules, ja sigui a través de l'excitació de la luminiscència de l'atmosfera prop de la superfície separada.

electroluminescència

Com termoluminescència, la electroluminescència (EL), el terme inclou diversos tipus de característica comuna de luminescència dels quals és que la llum s'emet quan una descàrrega elèctrica en els gasos, líquids i materials sòlids. En 1752 Bendzhamin Franklin va establir la luminescència de la descàrrega elèctrica del llamp induïda a través de l'atmosfera. El 1860, el llum de descàrrega es va demostrar per primera vegada en la Royal Society de Londres. Ella produeix una llum blanca brillant amb una descàrrega d'alt voltatge a través del diòxid de carboni a baixa pressió. làmpades fluorescents modernes es basen en una combinació d'àtoms d'electroluminescència i mercuri fotoluminiscència excitats per làmpada de descàrrega elèctrica, la radiació ultraviolada emesa per ells es converteix en llum visible a través del fòsfor.

EL observar en els elèctrodes durant l'electròlisi causa de la recombinació d'ions (i així una espècie de quimioluminiscència). Sota la influència del camp elèctric en les primes capes de zinc luminiscent sulfur d'emissió de llum es produeix, que també es coneix com electroluminescència.

Un gran nombre de materials emet luminescència sota la influència d'electrons accelerats - diamant, robí, fòsfor de vidre i certa sal de platí complex. La primera aplicació pràctica de catodoluminiscencia - oscil·loscopi (1897). pantalles similars utilitzant llumins cristal·lines millorades s'utilitzen en televisors, radars, oscil·loscopis i microscopis electrònics.

de la ràdio

Els elements radioactius poden emetre partícules alfa (nuclis d'heli), electrons i raigs gamma (una radiació electromagnètica d'alta energia). luminescència radiació - una brillantor excitat per la substància radioactiva. Quan partícula alfa bombardegen fòsfor cristal·lí, visible sota el microscopi petita parpelleig. Aquest principi utilitzant Anglès físic Ernest Rutherford, per demostrar que l'àtom té un nucli central. pintura auto-lluminós utilitzat per al marcatge dels rellotges i altres eines es basen en la RL. Es componen de la substància luminiscent i la substància radioactiva, per exemple el triti o el radi. Impressionant luminescència naturals - és l'aurora boreal: processos radioactius al sol emeten a l'espai enormes masses d'electrons i ions. Quan s'acosten a la Terra, el seu camp geomagnètic els dirigeix als pols. processos de descàrrega de gas a les capes superiors de l'atmosfera i crear un famós aurora.

Luminescència: la física del procés

L'emissió de llum visible (és a dir. E. Amb longituds d'ona entre 690 nm i 400 nm) d'excitació requereix energia, que es determina en la llei menys Einstein. Energy (E) és igual a la constant de Planck (h), multiplicat per la freqüència de la llum (ν) o la seva velocitat en el buit (c), dividit per la longitud d'ona (λ): E = hv = hc / λ.

Per tant, l'energia necessària per a l'excitació varia de 40 quilocalories (per al vermell) a 60 kcal (per al color groc), i 80 calories (a porpra) per mol de substància. Una altra forma d'expressar l'energia - en electró-volts (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) - 1,8-3,1 eV.

L'energia d'excitació es transfereix als electrons responsables de la luminiscència de saltar del seu nivell de terra a una més alta. Aquestes condicions estan determinades per les lleis de la mecànica quàntica. Diversos mecanismes d'excitació depèn de si es produeix en els àtoms individuals i molècules, o en combinacions de molècules a la plataforma. Ells són iniciades per l'acció de partícules accelerades, com ara electrons, ions positius o fotons.

Sovint, l'energia d'excitació és significativament més alta que es requereix per a elevar un electró a la radiació. Per exemple, les pantalles de televisió de vidre de fòsfor de luminescència, els electrons del càtode produeixen amb energies mitjanes de 25.000 volts. No obstant això, el color de la llum fluorescent és gairebé independent de l'energia de la partícula. Està influenciada pel nivell de l'estat excitat dels centres d'energia de vidre.

làmpades fluorescents

Les partícules, pel fet que es produeix la luminescència - Aquest electrons exteriors dels àtoms o molècules. En les làmpades fluorescents, com ara un àtom de mercuri és accionada sota la influència de l'energia 6,7 eV o més, aixecant un dels dos electrons exteriors a un nivell superior. Després del seu retorn a l'estat fonamental la diferència d'energia s'emet com a llum ultraviolada amb una longitud d'ona de 185 nm. La transició entre la base i un altre nivell produeix radiació ultraviolada a 254 nm, que al seu torn, pot excitar una altra generació de fòsfor llum visible.

Aquesta radiació és particularment intensa a vapor de mercuri de baixa pressió (10 ^-5 atmosfera) utilitzat en làmpades de descàrrega de gas de baixa pressió. Per tant aproximadament el 60% d'energia dels electrons es converteix en una llum UV monocromàtica.

A alta pressió, la freqüència augmenta. Spectra ja no consisteixen en una línia espectral de 254 nm, i l'energia de radiació es distribueix des de les línies espectrals que corresponen a diferents nivells electrònics: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 i 578 nm. làmpades de mercuri d'alta pressió s'utilitzen per a la il·luminació, ja que la llum blava-verda 405-546 nm visible, mentre que la transformació de part de la radiació en la llum vermella utilitzant un llumí com a resultat es torna blanc.

Quan les molècules de gas s'exciten, els seus espectres de luminescència mostren bandes amples; no només els electrons es plantegen als nivells superiors d'energia, però de moviment vibracional i rotacional excitat simultàniament dels àtoms en el conjunt. Això és perquè l'energia vibracional i rotacional de les molècules són 10 ^-2 i 10 ^-4 de les energies de transició, que se sumen a definir una pluralitat de lleugerament diferents components de longitud d'ona d'una sola banda. Les molècules més grans tenen diverses tires superposades, una per a cada tipus de transició. molècules de radiació en solució ribbonlike avantatjosament la causada per la interacció d'un nombre relativament gran de molècules excitades i les molècules de dissolvent. En les molècules, com en els àtoms implicats en la luminescència electrons exteriors d'orbitals moleculars.

Fluorescència i fosforescència

Aquests termes es poden distingir no només sobre la base de la durada de la luminiscència, sinó també pel seu mètode de producció. Quan un electró s'excita a un estat singlet amb la tinença del seu interior 10 ^-8 s, de la qual pot tornar fàcilment a terra, la substància emet la seva energia en forma de fluorescència. Durant la transició, el gir no canvia. estats excitats bàsics i tenen una multiplicitat similar.

Electrons, però, es pot elevar a un nivell d'energia més alt (anomenat "un estat triplet excitat") amb el seu tractament posterior. En la mecànica quàntica, les transicions des de l'estat triplet al singlet prohibit, i per tant, el temps de la seva vida molt més. Per tant, la luminiscència en aquest cas és molt més llarg termini: no hi ha fosforescència.