Luminescence: tipuri, metode, aplicare. Luminiscența stimulată termic este ceea ce?

Luminescența este emisia de lumină din anumite materiale într-o stare relativ rece. Acesta diferă de radiația corpurilor fierbinți, de exemplu, arderea lemnului sau a cărbunelui, a fierului topit și a sârmei, încălzită de curentul electric. Se observă emisia de luminiscență:

• în lămpi neonale și fluorescente, televizoare, radare și ecrane de fluoroscoape;
• în substanțe organice, cum ar fi luminol sau luciferină în licurici;
• în cazul anumitor pigmenți utilizați în publicitatea exterioară;
• cu fulgere și aurora borealis.

În toate aceste fenomene, radiația luminoasă nu este rezultatul încălzirii materialului peste temperatura camerei, așa că se numește lumină rece. Valoarea practică a materialelor luminescente constă în capacitatea lor de a transforma formele invizibile de energie în radiații vizibile.

Surse și procese

Fenomenul luminiscenței apare ca urmare a absorbției energiei de către material, de exemplu, dintr-o sursă de radiații ultraviolete sau de raze X, fascicule de electroni, reacții chimice etc. Aceasta conduce atomii materiei într-o stare excitat. Deoarece este instabilă, materialul revine la starea inițială, iar energia absorbită este eliberată sub formă de lumină și / sau căldură. Numai electronii externi sunt implicați în acest proces. Eficiența luminiscenței depinde de gradul de conversie a energiei de excitație la lumină. Numărul de materiale cu o eficiență suficientă pentru utilizarea practică este relativ mic.

Luminescența și incandescența

Excitarea luminiscenței nu se datorează excitației atomilor. Când materialele fierbinți încep să strălucească ca urmare a incandescenței, atomii lor se află într-o stare excitată. Deși vibrează deja la temperatura camerei, este suficient ca radiația să apară în regiunea infraroșie îndepărtată a spectrului. Pe măsură ce crește temperatura, frecvența radiațiilor electromagnetice se schimbă în regiunea vizibilă. Pe de altă parte, la temperaturi foarte ridicate, care sunt create, de exemplu, în tuburile de șoc, coliziunile atomilor pot fi atât de puternice încât electronii se separă de ele și se recombină, emite lumină. În acest caz, luminescența și incandescența devin nesemnificative.

Fluorescente pigmenți și coloranți

Pigmenții și coloranții convenționali au culoare, deoarece reflectă acea parte a spectrului care este complementară cu cea absorbită. O mică parte a energiei este transformată în căldură, dar nu apare radiații vizibile. Dacă, totuși, pigmentul luminos absoarbe lumina zilei într-o anumită porțiune a spectrului, poate emite fotoni diferiți de cei reflectați. Aceasta se întâmplă ca urmare a proceselor din interiorul moleculei de colorant sau a pigmentului, datorită căruia ultravioletul poate fi transformat în lumină vizibilă, de exemplu, albastră. Astfel de metode de luminiscență se utilizează în publicitatea exterioară și în pulberile de spălare. În cel de-al doilea caz, "clarificatorul" rămâne în țesut nu doar pentru a reflecta albul, ci și pentru a transforma radiația ultravioletă în albastru, pentru a compensa stării de galbenitate și pentru a crește albul.

Cercetarea timpurie

Deși aurora fulgere și strălucire plictisitoare de licurici si ciupercile au fost întotdeauna cunoscute omenirii, primele studii de luminescență a inceput cu materialul sintetic, când Vincenzo Kaskariolo alchemist și cizmar din Bologna (Italia), în 1603 g. Amestec încălzit de sulfat de bariu (barită în formă, vărsat greu) cu cărbune. Pulberea obținută după răcire, noapte luminiscență albastru emis, și Kaskariolo observat că aceasta poate fi restabilită prin supunerea pulberii la lumina soarelui. Substanța a fost numit „lapis solaris“ sau sunstone, pentru că alchimiștii sperat că este capabil de a transforma metalele de bază în aur, simbolul care este soarele. Afterglow a cauzat interesul multor oameni de știință din perioada, oferind materiale și alte nume, inclusiv „fosfor“, ceea ce înseamnă „purtător de lumină“.

Astăzi, denumirea "fosfor" este utilizată doar pentru un element chimic, în timp ce materialele luminescente microcristaline sunt denumite fosfor. "Fosfor" Cascario, aparent, a fost sulfura de bariu. Primul fosfor disponibil comercial (1870) a fost "vopseaua lui Balmain" - o soluție de sulfură de calciu. În 1866, primul fosfor stabil din sulfura de zinc a fost descris - unul dintre cele mai importante în tehnologia modernă.

Unul dintre primele studii științifice ale luminescenta, care se manifestă la putrezire lemn sau carne și licurici, a fost realizată în 1672 de către omul de știință englez Robert Boyle, care, deși nu știa despre originea biochimică a acestei lumini, stabilit încă unele dintre proprietățile de bază ale sistemelor bioluminiscente:

• strălucirea este rece;
• poate fi suprimată de agenți chimici, cum ar fi alcoolul, acidul clorhidric și amoniacul;
• radiația necesită accesul la aer.

În anii 1885-1887, s-a observat că extractele brute obținute de la licurici din vest-indieni (gândacii de foc de la fulgi) și de la moluștele de pădure, când se amestecă, produc lumină.

Primele materiale chimiluminiscente eficiente au fost compuși sintetici nebiologici, cum ar fi luminolul, descoperit în 1928.

Chemi și bioluminescență

Cea mai mare parte a energiei eliberate în reacțiile chimice, în special reacțiile de oxidare, are forma căldurii. Cu toate acestea, în unele reacții, o parte din acesta este folosită pentru a excita electronii la nivele mai ridicate și în molecule fluorescente înainte de debutul chemiluminescenței (CL). Studiile arată că CL este un fenomen universal, deși intensitatea luminescenței este atât de mică încât necesită utilizarea detectorilor sensibili. Există, totuși, niște compuși care demonstrează un CL luminos. Cel mai faimos dintre acestea este luminolul, care, atunci când este oxidat cu peroxid de hidrogen, poate produce lumină puternică albastră sau albastră-verde. Alte substanțe CL puternice sunt lucigenina și lofina. În ciuda luminozității CL, nu toate sunt eficiente în transformarea energiei chimice în lumină, deoarece mai puțin de 1% din molecule emit lumină. În anii 1960 sa constatat că esteri de acid oxalic oxidat în solvenți anhidri în prezența compușilor aromatici puternic fluorescenți emit lumină puternică cu o eficiență de până la 23%.

Bioluminescența este un tip special de CL catalizat de enzime. Randamentul luminiscenței al acestor reacții poate ajunge la 100%, ceea ce înseamnă că fiecare moleculă de luciferină care reacționează trece într-o stare radiantă. Toate reacțiile bioluminescente cunoscute sunt catalizate de reacțiile de oxidare care au loc în prezența aerului.

Luminiscența stimulată termic

Termoluminiscența înseamnă nu radiația termică, ci amplificarea emisiei de lumină a materialelor ale căror electroni sunt excitate de căldură. Luminiscența stimulată termic se observă în unele minerale și mai ales în cristalofosfori după ce au fost excitați de lumină.

fotoluminiscenta

Faptul că PL poate fi excitate de radiații ultraviolete, a fost descoperit de fizicianul german Johann Ritter în 1801, el a observat că fosforescente incandescentă în regiunea invizibilă a părții violet a spectrului, și a deschis astfel radiațiile UV. Transformarea UV în lumină vizibilă are o mare importanță practică.

Gamma și Razele X excită fosforurile cristaline și alte materiale la starea luminescenței printr-un proces de ionizare urmat de recombinarea electronilor și a ionilor, ca rezultat al luminescenței. Se găsește în fluoroscopii utilizați în diagnosticarea cu raze X și în contoarele de scintilație. Acesta din urmă detectează și măsoară radiația gamma îndreptată spre un disc acoperit cu un fosfor care se află în contact optic cu suprafața fotomultiplicatorului.

triboluminescence

Atunci când cristalele unor substanțe, de exemplu zahărul, sunt zdrobite, scânteile sunt vizibile. Același lucru se observă în multe substanțe organice și anorganice. Toate aceste tipuri de luminiscență sunt generate de sarcini electrice pozitive și negative. Acestea din urmă sunt produse prin separarea mecanică a suprafețelor și în procesul de cristalizare. Apoi, radiația luminoasă apare printr-o descărcare - fie direct între fragmente de molecule, fie prin excitarea luminiscenței atmosferei în apropierea suprafeței separate.

electroluminiscență

Ca termoluminiscentă electroluminiscență (EL), termenul include diferite tipuri de caracteristică comună luminiscenței care este că lumina este emisă când o descărcare electrică în gaze, lichide și materiale solide. În 1752, Benjamin Franklin a stabilit luminescența fulgerului, cauzată de o descărcare electrică prin atmosferă. În 1860, o lampă de descărcare de gestiune a fost demonstrată pentru prima dată în Royal Society of London. A produs lumină albă strălucitoare, cu o descărcare de înaltă tensiune prin dioxid de carbon la presiune scăzută. lămpi fluorescente moderne se bazează pe o combinație de atomi electroluminiscență și mercur fotoluminescentei excitate de lampă cu descărcare electrică, radiațiile ultraviolete emise de către acestea este transformată în lumină vizibilă prin fosfor.

EL observat la electrozi în timpul electrolizei se datorează recombinării ionilor (prin urmare, este un fel de chemiluminescență). Sub influența unui câmp electric în straturi subțiri de sulfuri de zinc luminescente, se emite lumină, numită și electroluminescență.

Un număr mare de materiale emit strălucire sub influența electronilor accelerați - diamant, rubin, fosfor cristalin și câteva săruri de platină complexe. Prima aplicare practică a catodoluminescenței este osciloscopul (1897). Ecrane asemănătoare care utilizează fosforuri cristaline îmbunătățite sunt utilizate în televizoare, radar, osciloscoape și microscoape electronice.

de radio,

Elementele radioactive pot emite particule alfa (nuclee de heliu), electroni și raze gama (radiații electromagnetice de înaltă energie). Luminescența radiațiilor este o luminiscență excitată de o substanță radioactivă. Atunci când particulele alfa sunt bombardate cu fosfor cristalin, microscopul este observat de mici pâlpâiri. Acest principiu a fost folosit de fizicianul englez Ernest Rutherford, Pentru a dovedi că un atom are un nucleu central. Vopselele auto-luminoase, folosite pentru marcarea ceasurilor și a altor instrumente, funcționează pe baza radarului. Acestea constau dintr-un fosfor și o substanță radioactivă, de exemplu tritiu sau radium. Luminescența naturală impresionantă este lumina nordică: procesele radioactive de pe Soare aruncă în spațiu mase uriașe de electroni și ioni. Când se apropie de Pământ, câmpul său geomagnetic le direcționează către poli. Procesele de descărcare de gaze în straturile superioare ale atmosferei creează faimoasele lumini polar.

Luminescența: fizica procesului

Radiația luminii vizibile (adică cu lungimi de undă cuprinse între 690 nm și 400 nm) necesită energie de excitație, minimul care este determinat de legea lui Einstein. Energia (E) este egal cu constanta lui Planck (h), înmulțită cu frecvența luminii (nu-) sau viteza în vid (c), împărțit la lungimea de undă (lambda-): E = hnu- = hc / lambda-.

Astfel, energia necesară pentru excitație variază de la 40 de kilocalorii (pentru roșu), la 60 kcal (pentru galben) și 80 de calorii (purpuriu) per mol de substanță. Alt mod de exprimare a energiei este prin electron-volți (1 eV = 1,6 × 10^-12 erg) - de la 1,8 la 3,1 eV.

Energia de excitație este transferată la electronii responsabili de luminescență, care sare de la nivelul energiei lor de bază la cel mai înalt. Aceste stări sunt determinate de legile mecanicii cuantice. Diferitele mecanisme de excitație depind de faptul dacă apare în atomi și molecule unice, în combinații de molecule sau într-un cristal. Acestea sunt inițiate de acțiunea particulelor accelerate, cum ar fi electronii, ionii pozitivi sau fotoni.

Adesea energia de excitație este mult mai mare decât este necesar pentru ridicarea electronului la nivelul radiației. De exemplu, strălucirea cristalelor de fosfor în ecrane de televiziune este produsă de electroni cu catod cu energii medii de 25.000 de volți de electroni. Cu toate acestea, culoarea luminii fluorescente este aproape independentă de energia particulelor. Este afectată de nivelul stării excitate a energiei centrelor cristaline.

Lămpi fluorescente

Particulele, din cauza cărora apare luminiscența, sunt electronii exteriori ai atomilor sau moleculelor. În lămpile fluorescente, de exemplu, un atom de mercur este excitat sub influența energiei de 6.7 eV sau mai mult, ridicând unul din cei doi electroni externi la un nivel superior. După revenirea la starea solului, diferența de energie este radiată sub forma luminii ultraviolete cu lungimea de undă de 185 nm. Trecerea dintre alt nivel și baza produce radiații ultraviolete la 254 nm, care, la rândul său, poate excita alte luminofore care generează lumină vizibilă.

Această radiație este deosebit de intensă la presiunea scăzută a vaporilor de mercur (10^-5 atmosferă) utilizat în lămpi de descărcare presiune scăzută. Astfel, aproximativ 60% din energia electronilor este transformată în lumină UV monocromatică.

La presiuni mari, frecvența crește. Spectra nu mai constau dintr-o singură linie spectrală de 254 nm, iar energia radiației este distribuită din liniile spectrale corespunzătoare diferitelor niveluri electronice: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 și 578 nm. Lămpi cu mercur de înaltă presiune sunt utilizate pentru iluminare, deoarece 405-546 nm lumina verde-albastru vizibil, transformând o parte a radiației în lumină roșie, folosind un fosfor ca rezultat devine alb.

Când moleculele de gaz sunt excitat, spectrele lor luminiscenta arata polosy- larg nu numai electronii sunt ridicate la un nivel de energie mai mari, dar în același timp mișcarea de vibrație și de rotație excitat a atomilor pe ansamblu. Acest lucru se datorează faptului că energiile vibraționale și de rotație ale moleculelor sunt 10^-2 și 10^-4 din energiile de tranziție, care, formând un set de lungimi de undă puțin diferite, formează o bandă. În cazul moleculelor mai mari, există mai multe benzi suprapuse, câte unul pentru fiecare tip de tranziție. Radiația moleculelor din soluție este predominant de tip panglică, care este cauzată de interacțiunea unui număr relativ mare de molecule excitate cu molecule de solvent. În molecule, ca și în atomi, electronii externi ai orbitalilor moleculari participă la luminescență.

Fluorescență și fosforescență

Acești termeni se pot distinge nu numai pe baza duratei strălucirii, ci și pe modul în care este produsă. Atunci când un electron este excitat înainte de o stare singlet cu o perioadă de rezidență de 10^-8 s, din care se poate readuce ușor la sol, substanța își emite energia sub formă de fluorescență. În timpul tranziției, rotația nu se schimbă. Stările de bază și excitate au o multiplicitate similară.

Totuși, electronul poate fi ridicat la un nivel de energie mai ridicat (numit "starea excitat triplet") cu inversarea spinului său. În mecanica cuantică, tranzițiile de la stările triplete la cele singlet sunt interzise și, prin urmare, durata lor de viață este mult mai lungă. Prin urmare, luminiscența în acest caz are un timp mult mai lung: se observă fosforescența.