Люминесценция: түрлері, әдістері, және қосымшалар. Термикалық, люминесценция - бұл не?

Люминесценция - белгілі бір материалдардың салыстырмалы түрде суық күйде жарық шығаруы. Ол ыстық органдардың сәулеленуінен, мысалы, ағаштан немесе көмірден, балқытылған темірден және сымнан электр тоғымен жылытылған. Люминесценцияның эмиссиясы байқалады:

• Neon және флуоресцентті лампаларда, теледидарларда, радарда және флюороскоптарда экрандарда;
• Органикалық заттарда, мысалы люминол немесе люциферин, өртке қарсы;
• Сыртқы жарнамаларда қолданылатын кейбір пигменттерде;
• Найзағай және аурора бореалі.

Барлық осы құбылыстарда жарық сәулесі материалды температураның жоғары температурасы қыздыру нәтижесі емес, сондықтан ол суық жарық деп аталады. Люминесценттік материалдардың практикалық құндылығы олардың көзге көрінбейтін энергия түрлерін көрінетін сәулеге айналдыру қабілетінен тұрады .

Көздер және процесс

Люминесценттік құбылыс материал арқылы энергияның жұтылуы нәтижесінде пайда болады, мысалы, ультракүлгін немесе рентген сәулелерінің көздерінен, электронды сәулелерден, химиялық реакциялардан және т.б. Бұл материяның атомдарын қозғалған күйге әкеледі. Өйткені ол тұрақсыз болса, материал бастапқы күйіне қайтарылады, ал сіңірілетін энергия жарық және / немесе жылу түрінде шығарылады. Бұл процесте тек сыртқы электрондар ғана қатысады. Люминесценцияның тиімділігі қозу қуатын жарыққа айналдыру дәрежесіне байланысты. Практикалық пайдалану үшін жеткілікті тиімділігі бар материалдардың саны салыстырмалы түрде аз.

Люминесценция және жарқырау

Люминесценцияны қоздыру атомдардың қозуына байланысты емес. Ыстық заттар жарқырау нәтижесінде жарқыра бастағанда, олардың атомдары қозғалады. Олар бөлме температурасында дірілдеуге қарамастан, бұл сәуле спектрдің алыс инфрақызыл аймағында орын алады. Жоғары температура кезінде электромагниттік сәулелену жиілігі көрінетін аймаққа ауысады. Екінші жағынан, мысалы, соққы түтіктерінде құрылған өте жоғары температураларда атомдардың соқтығысуы соншалықты күшті болуы мүмкін, бұл электрондар олардан бөлек және рекомбинациялайды, жарық шығарады. Бұл жағдайда люминесценция және жарқырау анықталмайды.

Люминесцентті пигменттер және бояғыштар

Кәдімгі пигменттер мен бояғыштар түсі бар, өйткені олар спектрдің бір бөлігін сіңіргішке толтырады. Энергияның бір бөлігі жылу түріне айналады, бірақ айтарлықтай сәулелену байқалмайды. Алайда, егер люминесцентті пигменттер спектрдің белгілі бір бөлігінде күндізгі жарықты жұтып қойса, онда ол көрсетілген фотондардан ерекшеленеді. Бұл бояғыш молекуласының немесе пигменттің ішіндегі процестердің нәтижесі болып табылады, соның салдарынан ультрафиолет көрінетін, мысалы, көк жарыққа айналуы мүмкін. Люминесценцияның мұндай әдістері сыртқы жарнамада және кір жуу ұнтақтарында қолданылады. Соңғы жағдайда «тазартқыш» матада ақты ғана көрсету үшін ғана емес, ультра күлгін сәулелерді көкке айналдырып, ақшылдық пен жақсартатын ақтығы үшін өтейді.

Ерте зерттеу

Найзағай болғанымен, өрт сөндірушілер мен саңырауқұлақтардың түнгі жарықтары мен жылтырлығы адамдарға әрдайым белгілі болды, ал люминесценцияның алғашқы зерттеулері синтетикалық материалдан басталды, 1603 жылы Болоньядан (Италия) алхимик және аяқ киім өндірушісі Винченцо Каскариоло барий сульфатын (барит, Ауыр көмір) көмірмен. Салқындатылғаннан кейін алынған ұнтақ түнде көгерген жарқырауды шығарады, және Cascariolo оны ұнтақты күн сәулесіне түсіру арқылы қалпына келтіре алатынын байқады. Затты «лапис-солярис» немесе күн тасы деп атады, себебі алхимиктер металлды алтынға айналдырып, оның символы күн болатынына үміттенеді. Кейінгі жарықтандыру материал мен басқа атауларды, соның ішінде «жарық тасымалдаушысы» дегенді білдіретін «фосфор» деп атаған көптеген ғалымдардың қызығушылығын тудырды.

Бүгінгі күні «фосфор» атауы тек химиялық элемент үшін пайдаланылады, ал микрокристаллы люминесцентті материалдар фосфор деп аталады. «Фосфор» Cascario, бәлкім, барий сульфиді болды. Алғашқы коммерциялық фосфор (1870) - «Балмайин бояуы» - кальций сульфидінің ерітіндісі. 1866 жылы мырыш сульфидінен алғашқы тұрақты фосфор сипатталды - қазіргі заманғы технологиядағы ең маңызды бірі.

Ағаштан немесе салдарды және өрт сөндіруді көрсететін люминесценцияның алғашқы ғылыми зерттеулерінің бірі 1672 жылы ағылшынды ғалым Роберт Бойлмен жүргізілді, ол осы жарықтың биохимиялық шығу тегі туралы білмегенімен, биязы жүйенің негізгі қасиеттерінің кейбірін анықтады:

• Жарқыл суық;
• Ол спирт, тұз қышқылы және аммиак секілді химиялық заттармен басылуы мүмкін;
• Радиация ауаға қол жеткізуді талап етеді.

1885-1887 жылдары Батыс Үндістанның өрт сөндіргіштерінен (өрт сөндіруге арналған саңырауқұлақтар) және араласқан кезде фоладты моллюскалардан алынған шикі сығындылар жарық шығаратыны байқалды.

Бірінші тиімді химилюминесцентті материалдар 1928 жылы табылған люминол сияқты биологиялық емес синтетикалық қосылыстар болды.

Химиялық және биолюминесценция

Химиялық реакцияларда, әсіресе тотығу реакцияларында босатылған энергияның басым бөлігі жылу түріне ие. Алайда кейбір реакцияларда электрондарды жоғары деңгейге шығаруға және химилюминесценцияның басталуына дейін флюоресцентті молекулаларда қолдануға болады. Зерттеулер көрсеткендей, CL - әмбебап құбылыс, бірақ люминесценция қарқындылығы соншалықты аз, ол сезімтал детекторларды пайдалануды қажет етеді. Дегенмен, жарқын CL көрсететін кейбір қосылыстар бар. Олардың ең танымалдары сутегі асқын тотығымен қатты көк немесе көк-жасыл жарық шығара алатын люминол. Басқа күшті CL-заттар - люцинен және лофин. Олардың жарықтығына қарамастан, олардың барлығы да химиялық энергияны жарыққа айналдыруда тиімді емес, өйткені молекулалардың 1% -нан азы жарық шығарады. 1960 жылдарда күшті флуоресцентті хош иісті қосылыстардың қатысуымен сусыз еріткіштерде тотықтырылған оксол қышқылы эфирлері 23% дейін тиімді жарық сәулесін шығаратыны анықталды.

Биолюминесценция - энзимдермен катализделген CL класының ерекше түрі. Мұндай реакциялардың люминесценция өнімділігі 100% жетуі мүмкін, яғни люциференнің әр молекуласы сәулелену күйіне өтеді деген сөз. Бүгінгі күні белгілі барлық биолюминесценттік реакциялар ауаның қатысуымен орын алатын тотығу реакциялары арқылы катализдейді.

Термиялық түрде люминесценцияны ынталандырады

Термолюминесценция термалды сәулеленуді емес, электрондарды қызу арқылы қозғалатын материалдардың жарық шығарылуын күшейтуді білдіреді. Температуралық ынталандырылған люминесценция кейбір минералдарда байқалады, әсіресе кристалофосфорда олар жарықпен қозғалады.

Фотолюминесценция

Затқа электромагниттік сәулелену әсерінен туындайтын фотолюминесценция ультракүлгін арқылы рентгендік және гамма-сәулелену арқылы көрінетін жарықтан көрінеді. Фотондар туындаған люминесценцияда жарық сәулесінің толқын ұзындығы, әдетте, қызықты (яғни, тең немесе азырақ энергия) толқын ұзындығына тең болады. Бұл толқын ұзындығының айырмашылығы кіретін энергияны атомдар мен иондардың тербелісіне түрлендірумен байланысты. Кейде, лазер сәулесіне қарқынды әсер етуімен, шығарылған жарық қысқа толқын ұзындығына ие болуы мүмкін.

ЛМ ультракүлгін сәуле арқылы қоздырылуы мүмкін екендігін 1801 жылы неміс физик Иоганн Риттер анықтады. Ол фосфор спектрдің күлгін бөлігінің артқы жағында көрінбейтін аймақта жарқырап тұрғанын және осылайша ультракүлгін сәулеленуін анықтады. УК-нің көрінетін жарыққа айналуы практикалық маңызды.

Гамма және рентген кристалдық фосфордар мен басқа материалдар люминесценция жағдайына электрондар мен иондардың рекомбинациясы арқылы иондау процесі арқылы әсер етеді, нәтижесінде люминесценция орын алады. Рентгендік диагностикада және сцинтилляциялық есепшілерде қолданылатын флюороскоптарда қолданылады. Соңғы фотоматериалдардың бетімен оптикалық байланыста болатын фосформен қапталған дискке бағытталған гамма-сәулеленуді анықтайды және өлшейді.

Триболуминесценция

Кейбір заттардың кристалдары, мысалы, қант қираған кезде, ұшқындар көрінеді. Сонымен қатар көптеген органикалық және бейорганикалық заттар байқалады. Барлық люминесценцияның түрлері оң және теріс электр зарядтары арқылы жасалады. Соңғылары бетінің механикалық бөлінуі мен кристалдану процесінде пайда болады. Жарық сәулелену, содан кейін тікелей, молекулалардың фрагменттері арасында немесе бөлінген беттің жанында атмосфераның люминесценциясын қозғау арқылы пайда болады.

Электролюминесценция

Термолюминесценция сияқты, электролюминесценция термині (EL) әр түрлі люминесценция түрлерін қамтиды, оның жалпы сипаты газдарда, сұйықтықтарда және қатты заттарда электр разряды арқылы шығарылады. 1752 жылы Бенжамин Франклин атмосфера арқылы электр разрядынан туындаған найзағайдың люминесценциясын белгіледі. 1860 жылы Лондон Корольдігінің қоғамында тұңғыш рет разряд шамдары көрсетілді. Төмен кернеу кезінде жоғары кернеу көміртегі диоксиді арқылы шығарылғанда жарқын ақ жарық пайда болды. Қазіргі заманғы флуоресцентті лампалар электролюминесценции және фотолюминесценцияның тіркесіміне негізделген: лампаның сынаптағы атомдары электр разрядымен қозғалады, олар шығаратын ультракүлгін сәуле фосфор арқылы көрінетін жарыққа айналады.

Электролиз кезінде электродтарда байқалған EL иондардың рекомбинациясы (демек, химилюминесценцияның бір түрі) болып табылады. Люминесцентті мырыш сульфидінің жарық қабаттарында электр өрісінің әсері кезінде жарық электролюминесценция деп аталады.

Көптеген материалдар үдеткіш электрондардың әсерінен - гауһар, рубин, кристалды фосфор және күрделі платина тұздары әсерінен жарқырайды. Катодолюминесценцияның алғашқы тәжірибесі - осциллоскоп (1897). Жақсартылған кристалды фосфорларды қолданатын ұқсас экрандар теледидарларда, радарда, осциллографтарда және электрондық микроскоптарда пайдаланылады.

Радиолюминесценция

Радиоактивті элементтер альфа бөлшектерін (гелий ядролары), электрондарды және гамма сәулелерін (жоғары энергиялық электромагниттік сәулелену) шығара алады. Радиациялық люминесценция - радиоактивті заттармен қозғалатын люминесценция. Альфа бөлшектері кристалды фосформен бомбаланған кезде, микроскоп астында кішкене жыпылықтайды. Бұл қағида ағылшын физигі Эрнест Рутерфордтың атомның орталық ядро екендігін дәлелдеу үшін қолданылған. Радиолардың негізінде сағаттар мен басқа құралдарды таңбалау үшін пайдаланылатын өздігінен жарық беретін бояулар. Олар фосфордан және радиоактивті заттардан, мысалы тритийден немесе радийден тұрады. Тамаша табиғи люминесценция - солтүстік жарықтары: Күндегі радиоактивті процестер ғарышқа электрондар мен иондардың үлкен массасын тастайды. Жерге жақындағанда, оның геомагниттік өрісі оларды бағаналарға бағыттайды. Атмосфераның жоғарғы қабаттарындағы газды кетіру процесі белгілі полярлық шамдарды жасайды.

Люминесценция: процестің физикасы

Көрінетін жарық сәулесі (яғни, 690 нм-ден 400 нм-ге дейінгі толқын ұзындығы) Энштейннің заңымен анықталатын қозғау энергиясы талап етеді. Энергия (E) толқын ұзындығына (λ) бөлінген жарық жылдамдығына (ν) немесе оның жылдамдығына көбейтілген Планк тұрақты (h) тең: E = hν = hc / λ.

Осылайша, қозғау үшін қажетті энергия 40 мг (қызыл үшін) 60 килокалориядан (сары үшін) және заттың бірлігіне қарай 80 килокалориядан (күлгін үшін) ауытқиды. Энергияны электронды-вольтер арқылы жеткізудің тағы бір тәсілі (1 эВ = 1,6 × 10 ^-12 эрг) - 1,8 дан 3.1 эВ-қа дейін.

Қозу қоздыру энергиясы негізгі энергия деңгейінен жоғары деңгейге секіретін люминесценцияға жауапты электрондарға беріледі. Бұл мемлекеттер кванттық механика заңдарымен анықталады. Қозу механизмдерінің әр түрлі механизмдері ол бір атомдар мен молекулаларда, молекулалардың немесе кристалдан жасалған құрамдарда болуына байланысты. Олар электрондар, оң иондар немесе фотонды сияқты тездетілген бөлшектердің әрекетімен басталады.

Жиі қозғау энергиясы электронның сәулелену деңгейіне көтерілуіне қарағанда әлдеқайда жоғары. Мысалы, телевизиялық экрандардағы фосфорлық кристалдардың жарқылы 25000 электронды-вольтты орташа энергиясы бар катодты электрондар арқылы жасалады. Дегенмен, флуоресцентті жарық түсі бөлшектердің энергиясынан тәуелсіз. Бұл кристалдық орталықтардың энергиясы қозғалған күйінің деңгейіне әсер етеді.

Люминесцентті лампалар

Люминесценция туындаған бөлшектер атомдар немесе молекулалардың сыртқы электрондары болып табылады. Флуоресцентті лампаларда, мысалы, сынапты атом энергиясы 6.7 эВ немесе одан көп әсерімен қозғалады, сыртқы электрондардың біреуін жоғары деңгейге көтереді. Жерге қайта оралғаннан кейін энергияның айырмашылығы толқын ұзындығы 185 нм болатын ультракүлгін сәуле түрінде шығарылады. Басқа деңгей мен базаның арасындағы өту 254 нм кезінде ультракүлгін сәулеленуді тудырады, бұл өз кезегінде көрінетін жарық шығаратын басқа люминофорларды қоздыруы мүмкін.

Бұл радиация әсіресе төмен қысымды разряд шамдарында қолданылатын сынапты бу қысымы (10 ^-5 атмосферада) кезінде өте қарқынды. Осылайша, электрондардың шамамен 60% -ы монохроматикалық УК сәулесіне ауыстырылады .

Жоғары қысым кезінде жиілік көбеюде. Спектрлер бұдан былай 254 нм бір спектральды сызықтан тұрмайды және радиацияның энергиясы әртүрлі электронды деңгейлерге сәйкес келеді: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 және 578 нм. Жоғары қысымды сынапты шамдар жарықтандыру үшін пайдаланылады, өйткені 405-546 нм көрінетін көкшіл-жасыл жарыққа сәйкес келеді және радиацияның бір бөлігі фосфор көмегімен қызыл жарыққа айналса, ақ нәтиже ақ.

Газ молекулалары қозғалғанда, олардың люминесценттік спектрлері кең ауқымды көрсетеді; Электрондар электр энергиясының жоғары деңгейіне ғана емес, сонымен бірге атомдардың дірілдеу және айналмалы қозғалыстарына да әсер етеді. Өйткені, молекулалардың дірілдеу және айналмалы энергиясы бір жолақты толқынды ұзындықтардың бірқалыпты жиынтығын қалыптастыру үшін біріктірілген өтпелі энергиядан 10 ^-2 және 10 ^-4 болып табылады. Үлкен молекулаларда бірнеше көшіру жолағы бар, олардың біреуі өтпелі кезеңнің әр түрі үшін. Ерітіндідегі молекулалардың сәулеленуі көбінесе таспаға ұқсас, бұл молекулалардың салыстырмалы көп молекулалармен еріткіш молекулалармен өзара әрекеттесуінен туындаған. Молекулаларда, атомдардағы сияқты, молекулалық орбитальдардың сыртқы электрондары люминесценцияға қатысады.

Флуоресценция және фосфоресценция

Бұл терминдер люминесценция ұзақтығы негізделген, сондай-ақ өндіріс, оның әдісімен ғана емес ажыратуға болады. электрон ол оңай жерге оралу алатын иелену онда 10 ^-8 с, бар синглетное қозғалған кезде, зат флуоресцентті-ақ оның энергиясын шығарады. көшу барысында, айналдыру өзгермейді. Негізгі қозғалған жағдайларда ұқсас көптеген бар.

Electron, алайда, оның артқы емдеу ( «қозғалған триплетті мемлекеттік» деп аталады) жоғары энергетикалық деңгейге көтерілген болуы мүмкін. кванттық механика, тыйым синглетті үшін триплетті мемлекет Шарлау, сондықтан, олардың өмір сүру ұзақтығы әлдеқайда жылы. Сондықтан, бұл жағдайда люминесценция әлдеқайда ұзақ мерзімді болып табылады: фосфоресценция бар.