Luminiscenta: tipuri, metode și aplicații. Luminescență stimulata termic - ceea ce este asta?

Luminiscenta - este emisia luminii de către anumite materiale într-o stare relativ rece. Aceasta diferă de radiația corpurilor incandescente, cum ar fi lemnul de ardere sau cărbune, un fier topit și un fir încălzit de un curent electric. emisie luminescenta se observă:

• în lămpi fluorescente și neon, televizoare, ecrane radar și fluoroscoape;
• în substanțe organice precum luminol sau luciferină în licurici;
• în anumiți pigmenți utilizate în publicitatea outdoor;
• cu fulgere și aurora.

În toate aceste fenomene de emisie de lumină nu este cauzată de încălzirea materialului peste temperatura camerei, deci se numește lumină rece. Valoarea practică a materialelor luminescente este capacitatea lor de a transforma forma invizibil de energie în lumină vizibilă.

Surse și proces

Fenomenul luminiscență apare ca rezultat al materialului de absorbție a energiei, de exemplu, dintr-o sursă de raze ultraviolete sau raze X, fascicule de electroni, reacții chimice, și așa mai departe. d. Aceasta are ca rezultat atomii substanță la o stare excitată. Deoarece este instabil, revine materialul la starea sa inițială, iar energia absorbită este eliberată ca lumină și / sau căldură. Procesul implică doar electronii exteriori. Eficiența luminescență depinde de gradul de conversie a energiei de excitație în lumină. Numărul de materiale care au performanțe suficiente pentru utilizarea practică, este relativ mic.

Luminiscenta și incandescenta

excitație luminiscență nu este legată de excitarea atomilor. Când materialele calde încep să strălucească ca urmare a becurilor, atomii lor sunt într-o stare excitată. Cu toate acestea vibra chiar la temperatura camerei, este suficient ca radiația a avut loc în regiunea spectrală departe infraroșu. Cu creșterea temperaturii se schimbă frecvența radiației electromagnetice în regiunea vizibilă. Pe de altă parte, la temperaturi foarte ridicate, care sunt generate, de exemplu, în tuburi de șoc, ciocniri atomice pot fi atât de puternic încât electronii sunt separați de ele și se recombină, care emite lumină. În acest caz, luminiscență și incandescente devin indescifrabile.

pigmenți și coloranți fluorescenți,

pigmenți și coloranți convenționali au culoare, deoarece ele reflectă acea parte a spectrului care este complementar absorbit. O mică parte din energie este transformată în căldură, dar se produce o emisie semnificativă. În cazul în care, cu toate acestea, pigmentul fluorescentă absoarbe lumina în domeniul de o anumită zonă, aceasta poate emite fotoni, diferite de reflecție. Acest lucru are loc ca urmare a proceselor din molecula de colorant sau pigment, prin care razele ultraviolete pot fi transformate în vizibil, de exemplu, lumina albastra. Astfel de metode de luminiscență sunt utilizate în publicitatea outdoor și în pulberi pentru spălat. În acest din urmă caz, „decantorul“ rămâne în țesutul nu numai pentru a reflecta alb, dar, de asemenea, pentru a converti radiații ultraviolete în albastru, galben de compensare și de creșterea gradului de alb.

studii timpurii

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, Barita) 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 numele „fosfor“ este utilizat numai pentru elementul chimic, în timp ce materialul luminescente microcristalina numit fosfor. "Phosphorus" Kaskariolo, aparent, era sulfura de bariu. Primul fosfor disponibil comercial (1870) a devenit o „vopsea Balmain“ - soluție de sulfură de calciu. In 1866, a fost descrisă în primul fosfor stabil sulfură de zinc - una 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:

• Strălucire rece;
• ea poate fi suprimat de agenți chimici, cum ar fi alcoolul, acid clorhidric și amoniac;
• radiații necesită acces la aer.

In anii 1885-1887, sa observat că extractele brute de la licurici West Indian (pirofor) și Foladi scoică când amestecat lumina produce.

Primele materiale chemoluniscentă eficiente au fost compusi sintetici nonbiological precum luminol, descoperite în 1928 an.

Chimico și bioluminiscență

Cea mai mare parte din energia eliberată în reacțiile chimice, în special reacțiile de oxidare, are formă de căldură. In unele reacții, dar o porțiune utilizată pentru a excita electroni până la niveluri mai înalte, și în molecule fluorescente înainte de chimioluminiscenta (CL). Studiile arată că CL este un fenomen universal, dar intensitatea luminescenta este atât de mică încât necesită utilizarea detectoarelor sensibile. Există, cu toate acestea, unii dintre compușii care prezintă vii CL. Cel mai cunoscut dintre acestea este luminol, care prin oxidarea cu peroxid de hidrogen poate produce o lumină albastră sau verde-albastru puternic. Alte puncte forte ale CL - substanțe și lofin lucigenină. In ciuda CL lor luminozitate, nu toate dintre ele sunt eficiente la transformarea energiei chimice în lumină, adică. K. Mai puțin de 1% din moleculele emit lumină. In 1960, sa constatat că esterii acidului oxalic, oxidate în solvenți anhidri, în prezența compușilor aromatici foarte fluorescente emit lumină strălucitoare, cu o eficiență de 23%.

Bioluminiscența este un tip special de chemiluminescență catalizată de enzime. Ieșirea luminiscenta acestor reacții pot ajunge la 100%, ceea ce înseamnă că fiecare moleculă de reactiv luciferină intră în starea emițătoare. Toate cunoscut astăzi reacția bioluminiscente catalizate reacțiile de oxidare care au loc în prezența aerului.

luminescență stimulata termic

Termoluminiscentă înseamnă că nu radiație termică, dar consolidarea materialelor de emisie de lumină, electronii care sunt excitate de căldură. stimulate termic luminiscență observate în unele minerale și în special în fosforescente cristal după ce au fost excitat de lumină.

fotoluminiscenta

Fotoluminescența care are loc sub acțiunea radiației electromagnetice incidente asupra materialului, se poate face în intervalul luminii vizibile prin ultraviolete cu raze X și radiații gamma. In luminiscență, induse de fotoni, lungimea de undă a luminii emise este în general egală sau mai mare decât lungimea de undă a excitant (m. E. egală sau mai mică putere). Această diferență de lungime de undă determinată de transformarea energiei de intrare in vibratii de atomi sau ioni. Uneori, cu fascicul laser intens, lumina emisă poate avea o lungime de undă mai scurtă.

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. Conversia UV la lumina vizibilă este de o mare importanță practică.

Gamma și raze x excita fosforescente, și alte materiale cristaline la starea luminescenta prin proces de ionizare , urmată de recombinare a electronilor și a ionilor, prin care se produce luminiscență. Utilizarea este în fluoroscopie utilizate în radiologie, și contoare de scintilație. Ultima înregistrare și se măsoară radiația gamma direcționată pe un disc acoperit cu un fosfor, care este în contact optic cu suprafața fotomultiplicatorul.

triboluminescence

Când cristalele unor substanțe, cum ar fi zaharuri, concasat, scânteie vizibile. Același lucru se observă în multe substanțe organice și anorganice. Toate aceste tipuri de luminescență generate de sarcinile electrice pozitive și negative. Recente produse de suprafețe de separare mecanică în procesul de cristalizare. Emisia de lumină are loc atunci prin descărcare - fie în mod direct între fragmentele moleculelor, fie prin excitarea luminiscenței a atmosferei din 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. In 1752 Bendzhamin Franklin a stabilit luminiscența descărcării electrice induse de fulger prin atmosfera. In 1860, lampa de descărcare a fost demonstrată pentru prima dată în Royal Society of London. Ea a produs o lumină albă strălucitoare cu o descărcare de înaltă tensiune prin dioxidul de carbon la presiune joasă. 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 observate la electrozi în timpul electrolizei datorită recombinării ionilor (și, astfel, un fel de chemiluminiscenta). Sub influența câmpului electric în straturile subțiri de luminescent zinc emisie sulfura de lumină se produce, care este, de asemenea, menționată ca electroluminiscență.

Un număr mare de materiale emite luminescență sub influența electroni accelerați - diamant, rubin, fosfor cristal și anumite săruri complexe de platină. Prima aplicație practică a cathodoluminescence - Osciloscop (1897). ecrane similare, folosind fosforescente îmbunătățite cristaline sunt utilizate în televizoare, radare, osciloscoape și microscoape electronice.

de radio,

Elementele radioactive pot emite particule alfa (nuclee de heliu), electroni și raze gamma (o radiație electromagnetică de înaltă energie). luminiscență Radiații - o strălucire excitat de substanță radioactivă. Când particula alfa bombardează fosfor cristalin, vizibil sub microscop minuscul flicker. Acest principiu folosind fizicianul englez Ernest Rutherford, pentru a dovedi că atomul are un miez central. vopsea auto-luminos pentru marcarea ceasuri și alte instrumente sunt bazate pe RL. Ele constau din fosfor și substanța radioactivă, de exemplu tritiu sau radiu. luminiscență naturale impresionante - este Aurora Borealis: procese radioactive de pe soare emit în spațiu mase uriașe de electroni și ioni. Când se apropie de Pământ, domeniul său geomagnetice le direcționează către poli. proceselor de descărcare gazului în straturile superioare ale atmosferei și de a crea un aurora faimos.

Luminescenta: fizica procesului

Emisia de lumină vizibilă (de ex. E. Cu lungimi de undă între 690 nm și 400 nm) excitație necesită energie, care este determinată de cel puțin legea Einstein. Energia (E) este egal cu constanta lui Planck (h), înmulțită cu frecvența luminii (ν) sau viteza în vid (c), împărțit la lungimea de undă (λ): E = hν = hc / λ.

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. Un alt mod de a exprima energie - în electron volți (1 eV = 1,6 x 10 ^-12 erg) - 1.8-3.1 eV.

Energia de excitație este transferată la electroni responsabili pentru luminiscența care sari de la nivelul solului la una mai mare. Aceste condiții sunt determinate de legile mecanicii cuantice. Diferite mecanisme de excitație depinde dacă are loc în atomi și molecule singulare, sau în combinații de molecule din cristal. Acestea sunt inițiate prin acțiunea particulelor accelerate, cum ar fi electroni, ioni pozitivi sau fotoni.

De multe ori, energia de excitare este semnificativ mai mare decât cel necesar pentru a ridica un electron la radiații. De exemplu, fosfor luminiscenta ecranele de televiziune cu cristale, electronii cu catod produse cu energii medii de 25.000 de volți. Cu toate acestea, culoarea luminii fluorescente este aproape independentă de energia particulelor. Acesta este influențat de nivelul de starea excitată a centrelor de energie de cristal.

lămpi fluorescente

Particulele, datorită cărora se produce luminescenta - acest electronii exteriori ai atomilor sau molecule. În lămpi fluorescente, cum ar fi atomul de mercur este condus sub influența energiei 6.7 eV sau mai mult, ridicând unul dintre cei doi electroni din învelișul exterior la un nivel superior. După revenirea la starea de sol diferența de energie este emisă ca lumina ultravioletă cu o lungime de undă de 185 nm. Tranziția între bază și un alt nivel produce radiație ultravioletă la 254 nm, care , la rândul său, poate excita lumina vizibila alt generator de fosfor.

Această radiație este deosebit de intens la vapori de mercur de joasă presiune (10 ^-5 atmosfere) utilizate în lămpi cu descărcare în gaz de joasă presiune. Astfel , aproximativ 60% din energia electronilor este transformată într - o lumină UV monocromatică.

La presiune ridicată, 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.

Atunci când moleculele de gaz sunt incantati, spectrele lor de luminiscenta arată benzi largi; nu numai electronii sunt ridicate la nivelele superioare de energie, ci mișcare de vibrație și de rotație simultan excitat a atomilor pe ansamblu. Acest lucru se datorează faptului că energia de vibrație și de rotație ale moleculelor sunt 10 ^-2 si 10 ^-4 energii de tranziție, care se adaugă până la a defini o multitudine de ușor diferite componente ale lungimii de undă o singură bandă. Moleculele mai mari au mai multe benzi suprapuse, una pentru fiecare tip de tranziție. molecule de radiație în soluție ribbonlike avantajos cea cauzată de interacțiunea unui număr relativ mare de molecule excitate și molecule de solvent. In moleculele, la fel ca în atomii implicați în electronii exteriori luminescență de orbitali moleculare.

Fluorescența și fosforescență

Acești termeni pot fi distinse, nu numai în funcție de durata de luminiscență, ci și prin metoda de producție. Atunci cand un electron este excitat la o stare de singlet cu vechime în ea 10 ^-8 s, de la care se pot întoarce cu ușurință la sol, substanța emite energia ca fluorescenta. Pe parcursul tranziției, spin nu se schimba. Statele de bază și excitate au o multitudine similară.

Electron, cu toate acestea, poate fi ridicată la un nivel de energie mai mare (numit „o stare de triplet excitat“), cu tratamentul înapoi. În mecanica cuantică, trecerile de la starea de triplet la singletul interzise, și, prin urmare, timpul vieții lor mult mai mult. Prin urmare, luminescență în acest caz, este mult mai pe termen lung: există fosforescență.