Фотолюмінесценція прикладів. Люмінесцентні пігменти та барвники

Під люмінесценцією розуміють здатність низки речовин випромінювати енергію, накопичену межах атома під час переходу електронів з вищих енергетичних рівнів більш низькі. Залежно від того, за рахунок якої енергії відбувається збудження атома, розрізняють фотолюмінесценцію, хемілюмінесценцію, катодолюмінесценцію тощо.

Падаючий на речовину світло частково відбивається, а частково поглинається. Енергія світла, що поглинається, в більшості випадків викликає лише нагрівання тіл. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією випромінювання, що падає на нього. Це і є фотолюмінесценція. Світло збуджує атоми речовини. Випромінюваний при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину хвилі, ніж світло, що збуджує свічення. Найчастіше фотолюмінесценція використовується у лампах денного світла.

Явище фотолюмінесценції знайшло широке застосуванняпід час створення джерел випромінювання. Сутність фотолюмінесценції полягає у фото збудженні люмінофора - речовини з дефектами кристалічних ґрат. Воно здатне світити як у процесі збудження, так і після фотонами поглиненого УФ-випромінювання оптичної частини спектру.

Люмінесценція і, зокрема, фотолюмінесценція використовуються в джерелах світла, в яких УФ-промені за допомогою люмінофора перетворюються на випромінювання видимої зони спектра. Найчастіше фотолюмінесценція використовується у лампах денного світла.

Причому основну частину променистого потоку такого джерела становлять випромінювання саме люмінофора.

За деяких хімічних реакціях, що йдуть із виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним. Це називається хемілюмінесценцією. Влітку в лісі можна вночі побачити комаху світлячку. На тілі у нього "горить" маленький зелений "ліхтарик". Пляшечка, що світиться, на його спинці має майже ту ж температуру, що і навколишнє повітря. Властивістю світитися мають і інші живі організми: бактерії, комахи, багато риб, що мешкають на великій глибині. Часто світяться в темряві шматочки дерева, що гниє.

Створені на основі цього явища люмінесцентні джерела (лампи) є скляною трубкою з відкачаним повітрям, усередині якої знаходяться невелика кількість ртуті і мала доза інертного газу.

Люмінесцентні лампи – друге у світі за поширеністю джерело світла, а в Японії вони займають навіть перше місце, обігнавши лампи розжарювання. Щорічно у світі виробляється більше одного мільярда люмінесцентних ламп Люмінесцентна лампа - це типове розрядне джерело світла низького тиску, в якому розряд відбувається в суміші парів ртуті та інертного газу, найчастіше – аргону.

Термін служби звичайних люмінесцентних ламп визначається двома факторами: спадом світлового потокуза рахунок "отруєння" люмінофора атомами ртуті та продуктами розпилення електродів та втратою емісійної здатності електродів через повну витрату активуючого покриття. Існують лампи із захисною плівкою на люмінофорі, що значно зменшила спад світлового потоку, і термін служби ламп нового покоління (Т5) визначається, в основному, лише емісійною здатністю електродів. Тому створення ламп без електродів – це реальний шлях підвищення терміну служби люмінесцентних ламп.

Порошкоподібні люмінофори наносять на внутрішню поверхнютрубки у вигляді тонкого рівномірного шару Той, хто утворюється при включенні електричний заряду парах ртуті дає лінійний спектр, більша частинаякого випромінюється в УФ-зоні на довжині хвилі 254 нм. Це короткохвильове випромінювання ртуті збуджує видиме світіння люмінесцентного покриття усередині трубки. Залежно від співвідношення люмінофорів у суміші люмінесцентна лампа дає свічення блакитнуватого, жовтуватого або білого кольору. Крім випромінювання люмінесцентного покриття у світлі люмінесцентної лампи присутні лінії ртутного спектру, проникають крізь шар люмінофора.

Фотолюмінесценція- Світіння, що збуджується в середовищі світлом різною довжиноюхвилі. Залежно від способу збудження поряд з фотолюмінесценцією в оптиці широкі дослідження проводяться з електролюмінесценцією, біолюмінесценцією, триболюмінесценцією тощо. Що ж до поняття фосфоресценція , воно пов'язано насамперед із твердотільными середовищами, які мали раніше назву кристаллофосфоров.

Енциклопедичний YouTube

1 / 3

Люмінесценція - Фізика у дослідах та експериментах

15x4 - 15 хвилин про люмінесценцію

РАДІЙ 226 - Радіоактивний люмінофор! Радянський СПД на сульфіді радію! ХІМІЯ

Субтитри

Види фотолюмінесценції

• Резонансне випромінювання - найпростіший випадокфотолюмінесценції. У цьому випадку випромінювання на виході середовища відбувається на тій же частоті, що і частота світла, що падає. Цей випадок добре ілюструють досліди американського оптика Вуда (R.Wood), який спостерігав резонансну взаємодію. світлового випромінюванняіз поміщеними в кювету атомарними парами натрію.

• При фотолюмінесценції молекулярних та інших - атомарних, нанорозмірних середовищ випромінювання зазвичай підпорядковується правилу Стоксу, тобто частота світла, що випускається, фотолюмінесценції зазвичай менше, ніж частота падаючого. Однак це правило часто порушується і поряд зі стоксовою спостерігається антистоксова частина спектру , тобто відбувається випромінювання частоти, більшої, ніж частота збуджуючого світла. Зазначимо, що, як правило, у загальному випадку, На відміну від резонансного випромінювання, згаданого на початку статті, ширина спектра фотолюмінесценції виявляється більшою, ніж ширина спектра випромінювання, що збуджує фотолюмінесценцію.

Експерименти з фотолюмінесценції, виконані як у випадку простих систем- атомарних, і ще складніших, ніж молекули середовищах, наприклад, у разі наночастинок , поміщених в аморфне середовище (рідина чи скло) підтверджують правило Стокса повною мірою. Це випливає з численних експериментів, Виконаних з використанням лазерів, що дозволяють здійснювати збудження середовища в широкому діапазоні частот. В цьому випадку, як правило, зі зменшенням частоти збуджуючого випромінювання відбувається зміна та зсув у стоксову область частоти максимального піку спектра фотолюмінесценції, що не заважає при дотриманні певних умоврезонансу появи антистоксової частини спектра. При фотолюмінесценції енергія збуджуючого випромінювання переходить не тільки в енергію випромінювання, що випускається, але також і в енергію коливального, обертального та поступального руху молекул або атомів, тобто в теплову енергію(Див. безвипромінювальна релаксація).

Фотолюмінесценція та закон збереження енергії

Можна показати, що квантовий вихід (ставлення числа світлових квантів, що випускаються до числа збуджуючих світлових квантів) виявляється менше одиниці.

Для явища фотолюмінесценції закон збереження енергії має наступний вигляд h ν i = 2 h ν − h ν i j (\displaystyle h\nu _(i)=2h\nu -h\nu _(ij)), де - Енергія квантів, світлового випромінювання, що використовується для збудження фотолюмінесценції. Величина ν (\displaystyle \nu )- Частота цього випромінювання. Величина відповідає енергії квантів випромінювання фотолюмінесценції, а величина характеризує електронні переходи в атомі, молекулі або іншому досліджуваному середовищі, на яких відбувається безвипромінювальна релаксація, що викликає нагрівання фотолюмінесцентного середовища. У разі безперервного спектру частоти h ν i j (\displaystyle h\nu _(ij))характеризують гармоніки, на які даний спектрможе бути розкладений. Цій величині відповідає досить широкий спектр частот, що включає всілякі види розширення спектральної лінії, що відповідає частоті . Якщо h ν (\displaystyle h\nu )менше h ν i j (\displaystyle h\nu _(ij)), то має місце стоксова фотолюмінесценція, і, навпаки, для випадку, коли величина h ν (\displaystyle h\nu )більше h ν i j (\displaystyle h\nu _(ij))- Антистоксова. Частота ν (\displaystyle \nu ), по суті, є середнє арифметичне між частотою ν i j (\displaystyle \nu _(ij)), на якій відбувається поглинання надлишку енергії, не перетвореної на випромінювання фотолюмінесценції, та частотою ν i (\displaystyle \nu _(i))(однієї з частотних компонент), що присутня в спектрі випромінювання фотолюмінесценції. Із закону, збереження енергії слід відоме у фотолюмінесценції правило дзеркальної симетрії. Дійсно, із закону збереження енергії для частот, що беруть участь у процесі фотолюмінесценції, ми маємо співвідношення симетрії: h ν i j − h ν = h ν − h ν i (\displaystyle h\nu _(ij)-h\nu =h\nu -h\nu _(i)). Випромінювання, що народилося на частоті фотолюмінесценції h ν i (\displaystyle h\nu _(i))у диспергуючому середовищі поширюється із уповільненням, обумовленим локальними, пов'язаними з електронними переходами(В атомі, молекулі) змінами показника заломлення середовища. Очевидно, з цією обставиною пов'язане спостереження при фотолюмінесценції запізнювання світлових процесів.

Фотолюмінесценція та аксіони

Пошук кандидата на роль елементарної частки- аксіону складає різних ділянках спектра (від одиниць электрон-вольт до 1 МеВ). Заслуговує на увагу обставина, згідно з якою випромінювання фотолюмінесценції, що спостерігається, задовольняє необхідному і достатньою умовоюприсутності аксіонів у разі майже резонансної взаємодії оптичного випромінюваннята баріонної речовини. В електричному (магнітному) полі ядра атомів (молекул) за рахунок злиття пар фотонів випромінювання, що діє на атоми середовища, можлива поява аксіонів. Згідно з існуючими теоретичним уявленнямїх розпад на нову пару фотонів на частотах, відсутніх у випромінюванні, що діє на баріонну речовину, може свідчити про присутність аксіонів. Закон збереження енергії для явища фотолюмінесценції, розглянутий вище, такий перерозподіл енергії між вихідною парою фотонів −2 h ν (\displaystyle h\nu )і фотонами, що знову з'явилися h ν i j (\displaystyle h\nu _(ij))і h ν i (\displaystyle h\nu _(i))підтверджує. Спостерігачеві доступним виявляється випромінювання на частоті h ν i (\displaystyle h\nu _(i)), у той час як фотони, енергія яких дорівнює

Люмінесценція - це випромінювання світла певними матеріалами щодо холодному стані. Вона відрізняється від випромінювання розпечених тіл, наприклад або вугілля, розплавленого заліза та дроту, що нагрівається. електричним струмом. Випромінювання люмінесценції спостерігається:

• у неонових та люмінесцентні лампи, телевізорах, радарах та екранах флюороскопів;
• в органічних речовин, таких як люмінол або люциферин у світлячках;
• у деяких пігментах, що використовуються у зовнішній рекламі;
• при блискавці та північному сяйві.

У всіх цих явищах світлове випромінювання не є результатом нагрівання матеріалу вище за кімнатну температуру, тому його називають холодним світлом. Практична цінністьлюмінесцентних матеріалів полягає в їх здатності трансформувати невидимі форми енергії в

Джерела та процес

Явище люмінесценції відбувається в результаті поглинання матеріалом енергії, наприклад, від джерела ультрафіолетового або рентгенівського випромінювання, Пучків електронів, хімічних реакцій і т. д. Це наводить атоми речовини в збуджений стан. Так як воно нестійке, матеріал повертається у свій вихідний стан, а поглинена енергія виділяється у вигляді світла та/або тепла. У процесі задіяні лише зовнішні електрони. Ефективність люмінесценції залежить від ступеня перетворення енергії збудження на світло. Число матеріалів, що володіють достатньою для практичного застосуванняефективністю, щодо невелике.

Люмінесценція та розжарювання

Порушення люмінесценції не пов'язане із збудженням атомів. Коли гарячі матеріали починають світитися внаслідок розжарювання, їх атоми перебувають у збудженому стані. Хоча вони вібрують вже за кімнатній температурі, цього достатньо, щоб випромінювання відбувалося в дальній інфрачервоної областіспектра. З підвищенням температури частота електромагнітного випромінювання зміщується в видиму область. З іншого боку, при дуже високих температурах, Які створюються, наприклад, в ударних трубах, зіткнення атомів можуть бути настільки сильними, що електрони відокремлюються від них і рекомбінують, випромінюючи світло. У цьому випадку люмінесценція та розжарювання стають невиразними.

Люмінесцентні пігменти та барвники

Звичайні пігменти і барвники мають колір, тому що вони відображають ту частину спектра, яка комплементарна поглиненою. Невелика частина енергії перетворюється на тепло, але помітного випромінювання не відбувається. Якщо, однак, люмінесцентний пігмент поглинає денне світло на певній ділянціспектра, він може випромінювати фотони, що відрізняються від відбитих. Це відбувається в результаті процесів усередині молекули барвника або пігменту, завдяки яким ультрафіолет може бути перетворений на видимий, наприклад, синє світло. Такі методи люмінесценції використовуються у зовнішній рекламі та в пральних порошках. У останньому випадку«Освітлювач» залишається в тканині не тільки для відображення білого, але і для перетворення ультрафіолетового випромінюванняв синій колір, що компенсує жовтизну та посилює білизну.

Ранні дослідження

Хоча блискавки, Північне сяйвоі тьмяне свічення світлячків і грибів завжди були відомі людству, перші дослідження люмінесценції почалися з синтетичного матеріалу, коли Вінченцо Каскаріоло, алхімік і шевець з Болоньї (Італія), в 1603 р. нагрів суміш сульфату барію (у вигляді бариту, важкого . Порошок, отриманий після охолодження, вночі випускав блакитне свічення, і Каскаріоло помітив, що воно може бути відновлено шляхом на порошок. сонячного світла. Речовина була названа «ляпіс соляріс», або сонячний камінь, тому що алхіміки сподівалися, що воно здатне перетворювати метали на золото, символом якого є сонце. Післясвічення викликало інтерес багатьох вчених того періоду, які давали матеріалу та інші назви, у тому числі «фосфор», що означає носій світла.

Сьогодні назва «фосфор» використовується тільки для хімічного елемента, У той час як мікрокристалічні люмінесцентні матеріали називаються люмінофором. «Фосфор» Каскаріоло, мабуть, був сульфідом барію. Першим комерційно доступним люмінофором (1870) стала «фарба Бальмена» - розчин сульфіду кальцію. В 1866 був описаний перший стабільний люмінофор з сульфіду цинку - один з найважливіших в сучасній техніці.

Одне з перших наукових дослідженьлюмінесценції, що виявляється при гнитті деревини або плоті та у світлячках, було виконано у 1672 році англійською вченим РобертомБойлем, який, хоч і не знав про біохімічне походження цього світла, проте встановив деякі з них. основних властивостейбіолюмінесцентних систем:

• свічення холодне;
• воно може бути придушене такими хімічними агентами, як спирт, соляна кислотата аміак;
• випромінювання потребує доступу до повітря.

У 1885-1887 роках було помічено, що неочищені екстракти, отримані з вест-індійських світлячків (вогненосних лугів) та з молюсків фолад, при змішуванні виробляють світло.

Першими ефективними хемілюмінесцентними матеріалами були небіологічні синтетичні сполуки, такі як люмінол, відкритий в 1928 році.

Хемі- та біолюмінесценція

Більшість енергії, що виділяється в хімічних реакціях, особливо реакціях окислення, має форму тепла. У деяких реакціях, однак, її частина використовується для збудження електронів до більш високих рівніва у флуоресцентних молекулах до виникнення хемілюмінесценції (ХЛ). Дослідження показують, що ХЛ є універсальним явищем, хоча інтенсивність люмінесценції буває настільки мала, що потрібне використання чутливих детекторів. Є, однак, деякі сполуки, які демонструють яскраву ХЛ. Найбільш відомим з них є люмінол, який при окисленні пероксидом водню може давати сильне синє або синьо-зелене світло. Інші сильні ХЛ-речовини - люцигенін та лофін. Незважаючи на яскравість їх ХЛ, не всі вони ефективні при перетворенні хімічної енергії на світлову, тому що менше 1% молекул випромінюють світло. У 1960-ті роки було виявлено, що складні ефірищавлевої кислоти, окислені в безводних розчинниках у присутності сильно флуоресціюючих ароматичних сполук, випромінюють яскраве світло з ефективністю до 23%

Біолюмінесценція є особливий типХЛ, що каталізується ферментами. Вихід люмінесценції таких реакцій може досягати 100%, що означає, що кожна молекула люциферину, що реагує, переходить у випромінюючий стан. Всі відомі сьогодні біолюмінесцентні реакції каталізуються реакціями окислення, що протікають у присутності повітря.

Термостимульована люмінесценція

Термолюмінесценція означає температурне випромінювання, але посилення світлового випромінювання матеріалів, електрони яких збуджені під впливом тепла. Термостимульована люмінесценція спостерігається у деяких мінералів і насамперед у кристалофосфорів після того, як вони були збуджені світлом.

Фотолюмінесценція

Фотолюмінесценція, яка виникає під дією електромагнітного випромінювання, що падає на речовину, може проводитися в діапазоні від видимого світла через ультрафіолетовий до рентгенівського та гамма-випромінювання. У люмінесценції, викликаної фотонами, довжина хвилі випромінюваного світла, як правило, дорівнює або більше довжинихвилі збудливого (тобто рівної чи меншої енергії). Ця різниця в довжині хвилі обумовлена ​​перетворенням енергії, що надходить, в коливання атомів або іонів. Іноді, при інтенсивному впливі променем лазера, світло, що випускається, може мати більш коротку довжину хвилі.

Той факт, що ФО може збуджуватися під дією ультрафіолетового випромінювання, був виявлений німецьким фізиком Йоганном Ріттером в 1801 р. Він зауважив, що люмінофори яскраво світяться в невидимій області за фіолетовою частиною спектра, і таким чином відкрив УФ-випромінювання. Перетворення УФ на видиме світломає велике практичне значення.

При високому тиску частота зростає. Спектри більше не складаються з однієї спектральної лінії 254 нм, а енергія випромінювання розподілена спектральними лініями, що відповідають різним електронним рівням: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 та 578 нм. Ртутні лампи високого тискувикористовують для освітлення, так як 405-546 нм відповідають видимому блакитно-зеленому світлу, а при трансформації частини випромінювання в червоне світло за допомогою люмінофора в результаті виходить білий.

Коли молекули газу збуджуються, спектри люмінесценції показують широкі смуги; не тільки електрони піднімаються на рівні більше високої енергії, але одночасно збуджуються коливальні та обертальні рухиатомів загалом. Це відбувається тому, що коливальні і обертальні енергії молекул становлять 10 -2 і 10 -4 від енергій переходів, які, складаючись, утворюють безліч довжин хвиль, що трохи відрізняються, що становлять одну смугу. У більших молекулах є кілька смуг, що перекривають один одного, по одній для кожного виду переходу. Випромінювання молекул у розчині переважно стрічкоподібне, що викликано взаємодією щодо великої кількостізбуджених молекул з молекулами розчинника. У молекулах, як і атомах, в люмінесценції беруть участь зовнішні електрони молекулярних орбіталей.

Флуоресценція та фосфоресценція

Ці терміни можна розрізняти як виходячи з тривалості світіння, а й у способу його виробництва. Коли електрон збуджується до синглетного стану з терміном перебування в ньому 10 -8 с, з якого він може легко повернутися до основного, речовина випромінює свою енергію у вигляді флуоресценції. Під час переходу спин не змінюється. Базове та збуджений станмають подібну кратність.

Електрон, однак, можна підняти на вищий енергетичний рівень(званий "збуджений триплетний стан") зі зверненням його спина. У квантової механікипереходи з триплетних станів до синглетних заборонені, і, отже, час їхнього життя значно більший. Тому люмінесценція в цьому випадку має набагато більший термін: спостерігається фосфоресценція.

Виникнення люмінесценції під впливом оптичного випромінювання

Анімація

Опис

Фотолюмінесценцією називається випромінювання електромагнітної енергії, що збуджується в речовині під дією оптичного випромінювання ультрафіолетового або видимого діапазонів, надмірне порівняно з тепловим випромінюванням, за умови, що таке надмірне випромінювання має тривалість, що перевищує період електромагнітних коливань(люмінесценція) та час релаксаційних процесів. Якщо опромінити речовину (люмінофор) у будь-якому агрегатному станіультрафіолетовим або видимим електромагнітним випромінюванням, можлива поява затриманого не менше, ніж на 10-12 - 10-10 с, люмінесцентного випромінювання. Максимум спектра цього випромінювання зрушено щодо максимуму спектра збуджуючого випромінювання у бік менших частот (закон Стокса - Ломмеля). Спектри збуджуючого та фотолюмінесцентного випромінювання можуть частково перекриватися (рис. 1).

Спектри збудливого та стоксового фотолюмінесцентного випромінювань

Рис. 1

Форми спектрів цих випромінювань, нормованих на своє максимальне значеннякожен, симетричні щодо лінії:

де v ex - Частота збуджуючого випромінювання;

v l - Частота люмінесцентного випромінювання (правило Льовшина).

При збудженні фотолюмінесценції монохроматичним випромінюванням найімовірніше поява більш низькочастотного люмінесцентного випромінювання, хоча можливе виникнення більш високочастотного (антистоксового) випромінювання (рис. 2).

Спектри стоксового та антистоксового фотолюмінесцентного випромінювань

Рис. 2

Спектральні закономірності фотолюмінесценції пояснюються тим, що при поглинанні збудливого фотона з енергією

W в = hv в ,

де h - Постійна Планка;

v - частота збудливого випромінювання,

виникає фотон з енергією

W л = hv л,

де v л – частота люмінесцентного випромінювання.

Різниця енергій W в - W л витрачається на різні процесиу речовині, крім фотолюмінесценції. У випадках, коли до енергії фотона збудливого випромінювання додається деяка частина енергії теплового рухучастинок люмінофора

hv л = hv + a kT ,

де a - коефіцієнт, що залежить від природи люмінофора;

k – постійна Больцмана;

T - абсолютна температуралюмінофора,

виникає антистоксова фотолюмінесценція.

Відношення числа фотонів люмінесцентного випромінювання до фотонів збудливого випромінювання називається квантовим виходом h фотолюмінесценції. Відповідно до закону Вавілова, квантовий вихід фотолюмінесценції постійний у широкій області довжин хвиль збуджуючого випромінювання і різко зменшується при довжинах хвиль, що перевищують максимум спектра фотолюмінесценції. Для кристалічних люмінофорів (кристалофосфорів) закон Вавілова не виконується.

Потік випромінювання збудливого електромагнітного поля

Ф в = N hv в ,

де N - число фотонів збуджуючого електромагнітного поля, що впали на люмінофор в одиницю часу,

та потік фотолюмінесцентного випромінювання

Ф л = N л hv л

де N л - число фотонів фотолюмінесцентного електромагнітного поля, що вийшли з люмінофора в одиницю часу

пов'язані як:

де g< 1 - енергетичний вихідфотолюмінесценції.

Фотолюмінесценція має феноменологічний характер.

Тимчасові характеристики

Час ініціації (log to від -12 до -10);

час існування (log tc від -7 до 3);

Час деградації (log td від -9 до -8);

Час оптимального прояву (log tk від -6 до 1).

Діаграма:

Технічні реалізації ефекту

Приладові шкали, що використовуються на транспортних засобах

У фарбу, яка використовується для нанесення шкал приладів, додають люмінофор, що світиться жовто-зеленим світлом (наприклад, віллеміт). У темний час шкалу висвітлюють малопотужною лампочкою, закритою ультрафіолетовим фільтром. Спостереження шкали здійснюється в зеленому діапазоні, де чутливість ока найбільша, і при цьому відсутні заважають управлінню транспортним засобомрозсіяні світлові потоки.

Застосування ефекту

Приклад використання в техніці – джерело світла – люмінесцентна лампа.

У запаяному скляному балоні є пари (наприклад, ртуті) або газ (наприклад, ксенон). У балоні розташовані електроди, при подачі напруги на які в газоподібній речовиніздійснюється електричний дуговий розряд, що породжує ультрафіолетове та видиме електромагнітне випромінювання. Внутрішня стінка балона покрита шаром люмінофора (наприклад, сульфіду цинку), в якому збуджується фотолюмінесцентне випромінювання видимого діапазону.

Література

1. Фізика. Великий енциклопедичний словник/ Гол. ред. А.М.Прохоров.- 4-те вид.- М.: Велика Російська енциклопедія, 1998. - 824 с.

Ключові слова

• люмінесценція
• оптичне випромінювання
• закон Стокса - Ломмеля
• квантовий вихід
• закон Вавілова
• люмінофор
• кристалофосфор
• люмінесцентна лампа
• люмінесцентний аналіз
• люмінесцентна мікроскопія
• люмінесцентна дефектоскопія

Розділи природничих наук:

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії

Фотолюмінесценція- Світіння, що збуджується в середовищі світлом різною довжиною хвилі. Залежно від способу збудження поряд з фотолюмінесценцією в оптиці широкі дослідження проводяться з електролюмінесценцією, біолюмінесценцією, триболюмінесценцією тощо. Що ж до поняття фосфоресценція , воно пов'язано насамперед із твердотільными середовищами, які мали раніше назву кристаллофосфоров.

Види фотолюмінесценції

• Резонансне випромінювання- Найпростіший випадок фотолюмінесценції. У цьому випадку випромінювання на виході середовища відбувається на тій же частоті, що і частота світла, що падає. Цей випадок добре ілюструють досліди американського оптика Вуда (R.Wood), що спостерігав резонансну взаємодію світлового випромінювання з атомарними парами натрію, що поміщені в кювету.

• При фотолюмінесценції молекулярних та інших - атомарних , нанорозмірних середовищ випромінювання зазвичай підпорядковується правилу Стокса , тобто частота світла фотолюмінесценції, що випускається зазвичай менше, ніж частота падаючого. Однак це правило часто порушується і поряд зі стоксовою спостерігається антистоксова частина спектру , тобто відбувається випромінювання частоти, більшої, ніж частота збуджуючого світла. Зазначимо, що, як правило, у загальному випадку, на відміну від резонансного випромінювання, згаданого на початку статті, ширина спектра фотолюмінесценції виявляється більшою, ніж ширина спектра випромінювання, що збуджує фотолюмінесценцію.

Експерименти з фотолюмінесценції, виконані як у разі простих систем - атомарних, так і ще складніших, ніж молекули середовищах, наприклад, у разі наночастинок , поміщених в аморфне середовище (рідина або скло) підтверджують правило Стокса в повній мірі. Це випливає із численних експериментів, виконаних з використанням лазерів, що дозволяють здійснювати збудження середовища в широкому діапазоні частот. У цьому випадку, як правило, зі зменшенням частоти збуджуючого випромінювання відбувається зміна і зсув у область частоти частоти максимального піку спектра фотолюмінесценції, що не заважає при дотриманні певних умов резонансу появі антистоксової частини спектру. При фотолюмінесценції енергія збуджуючого випромінювання переходить не тільки в енергію випромінювання, що випускається, але також і в енергію коливального, обертального та поступального руху молекул або атомів, тобто в теплову енергію (див. безвипромінювальна релаксація).

Фотолюмінесценція та закон збереження енергії

Можна показати, що квантовий вихід (ставлення числа світлових квантів, що випускаються до числа збуджуючих світлових квантів) виявляється менше одиниці.

Для явища фотолюмінесценції закон збереження енергії має такий вигляд $h\backslash nu\_i\; =\; 2h\backslash nu\; -\; h\backslash nu\_(ij)$, де $h\backslash nu$- Енергія квантів світлового випромінювання, що використовується для збудження фотолюмінесценції. Величина $\backslash nu$- Частота цього випромінювання. Величина $h\backslash nu\_i$відповідає енергії квантів випромінювання фотолюмінесценції, а величина $h\backslash nu\_(ij)$характеризує електронні переходи в атомі, молекулі або іншому досліджуваному середовищі, на яких відбувається безвипромінювальна релаксація, що викликає нагрівання фотолюмінесцентного середовища. У разі безперервного спектру частоти $h\backslash nu\_(ij)$характеризують гармоніки, на які цей спектр може бути розкладений. Цій величині відповідає досить широкий спектр частот, що включає всілякі види розширення спектральної лінії відповідної частоті $\backslash nu\_(ij)$. Якщо $h\backslash nu$менше $h\backslash nu\_(ij)$, то має місце стоксова фотолюмінесценція, і, навпаки, для випадку, коли величина $h\backslash nu$більше $h\backslash nu\_(ij)$- Антистоксова. Частота $\backslash nu$, по суті, є середнє арифметичне між частотою $\backslash nu\_(ij)$, на якій відбувається поглинання надлишку енергії, не перетвореної на випромінювання фотолюмінесценції, та частотою $\backslash nu\_i$(однієї з частотних компонент), що присутня в спектрі випромінювання фотолюмінесценції. З закону збереження енергії випливає відоме у фотолюмінесценції правило дзеркальної симетрії. Дійсно, із закону збереження енергії для частот, що беруть участь у процесі фотолюмінесценції, ми маємо співвідношення симетрії: $h\backslash nu\_(ij)\; -\; h\backslash nu\; =\; h\backslash nu\; -\; h\backslash nu\_i$. Випромінювання, що народилося на частоті фотолюмінесценції $h\backslash nu\_i$у диспергуючому середовищі поширюється із уповільненням, зумовленим локальними, пов'язаними з електронними переходами (в атомі, молекулі) змінами показника заломлення середовища. Очевидно, з цією обставиною пов'язане спостереження при фотолюмінесценції запізнювання світлових процесів.

Фотолюмінесценція та аксіони

Пошук кандидата роль елементарної частки - аксіону складає різних ділянках спектра (від одиниць электрон-вольт до 1 МеВ). Заслуговує на увагу обставина, згідно з якою випромінювання фотолюмінесценції, що спостерігається, задовольняє необхідній і достатній умові присутності аксіонів у разі майже резонансної взаємодії оптичного випромінювання і баріонної речовини. В електричному (магнітному) полі ядра атомів (молекул) за рахунок злиття пар фотонів випромінювання, що діє на атоми середовища, можлива поява аксіонів. Згідно з існуючими теоретичними уявленнями їх розпад на нову пару фотонів на частотах, відсутніх у випромінюванні, що діє на баріонну речовину, може свідчити про присутність аксіонів. Закон збереження енергії для явища фотолюмінесценції, розглянутий вище, такий перерозподіл енергії між вихідною парою фотонів −2 $h\backslash nu$і фотонами, що знову з'явилися $h\backslash nu\_(ij)$і $h\backslash nu\_i$підтверджує. Спостерігачеві доступним виявляється випромінювання на частоті $h\backslash nu\_i$, у той час як фотони, енергія яких дорівнює $h\backslash nu\_(ij)$, після розпаду аксіону поглинаються середовищем і виявляються не спостерігаються.

Напишіть відгук про статтю "Фотолюмінесценція"

Примітки

Література

1. Левшин Л. В. Фотолюмінесценція рідких та твердих речовин.-Москва: Наука,1951. с.
2. Оглуздін В. Є. Інтерпретація видимої фотолюмінесценції зважених в етанолі різновеликих наночастинок кремнію //Фізика та техніка напівпровідників.-2005 Рік.-Т.39.-№ 8.-С.920-926.-
3. Оглуздін В. Є. Роль борівських частот у процесах розсіювання, люмінесценції, генерації випромінювання в різних середовищах// Успіхи фізичних наук.-2006 Рік.-Т. 176.-№ 4.- С.415-420.-
4. Оглуздін В. Є. Явище люмінесценції та уповільнення світла / / Известия РАН. Серія фізична.-2006 Рік.-Т.70.-С.418-421.
5. Оглуздін В. Є. Роль аксіонів в оптичних експериментах. - Інженерна фізика. - 2015 № 9

Уривок, що характеризує фотолюмінесценцію