Luminescencija: vrste, metode, primjena. Što je to termalno stimulirana luminescencija?

Luminescencija je emisija svjetlosti iz određenih materijala u relativno hladnom stanju. Razlikuje se od zračenja vrućih tijela, na primjer, spaljivanjem drva ili ugljena, rastaljenog željeza i žice, grijana strujom. Promatra se emisija luminescencije:

• u neonskim i fluorescentnim svjetiljkama, televizijama, radarima i ekranima fluoroskopa;
• u organskim tvarima, kao što su luminol ili luciferin u krijesnica;
• u nekim pigmentima koji se koriste u vanjskom oglašavanju;
• s munjom i aurora borealis.

U svim tim fenomenima, svjetlosno zračenje nije rezultat zagrijavanja materijala iznad sobne temperature, pa se naziva hladno svjetlo. Praktična vrijednost luminescentnih materijala leži u njihovoj sposobnosti transformacije nevidljivih oblika energije u vidljivo zračenje.

Izvori i proces

Fenomen luminescencije nastaje kao posljedica apsorpcije energije materijalom, na primjer, iz izvora ultraljubičastog ili rendgenskog zračenja, elektronskih zraka, kemijskih reakcija, itd. To dovodi atome tvari u uzbuđeno stanje. Budući da je nestabilna, materijal se vraća u prvobitno stanje, a apsorbirana energija se oslobađa u obliku svjetla i / ili topline. U proces su uključeni samo vanjski elektroni. Učinkovitost luminescencije ovisi o stupnju pretvorbe energije ekscitacije na svjetlost. Broj materijala s dovoljnom učinkovitosti za praktičnu uporabu je relativno mali.

Luminescencija i upaljenost

Uzbuđenje luminescencije nije zbog ekscitacije atoma. Kada se vrući materijali počnu sjajiti kao rezultat incandansa, njihovi atomi su u uzbudljivom stanju. Premda vibrirati već na sobnoj temperaturi, to je dovoljno da se zračenje odvija u dalekom infracrvenom području spektra. Kako se temperatura povećava, frekvencija elektromagnetskog zračenja pomiče se na vidljivo područje. S druge strane, na vrlo visokim temperaturama, koji su stvoreni, na primjer, u šokovima, sudari atoma mogu biti toliko jaki da se elektroni odvoje od njih i rekombiniraju, emitirajući svjetlost. U ovom slučaju, luminescencija i zapaljivanje postaju neizbrisivi.

Fluorescentni pigmenti i boje

Konvencionalni pigmenti i boje imaju boju jer odražavaju taj dio spektra koji je komplementaran apsorbiranom. Mali dio energije pretvara se u toplinu, ali ne dolazi do primjetnog zračenja. Ako, međutim, luminescentni pigment apsorbira dnevno svjetlo u određenom dijelu spektra, može emitirati fotone koji se razlikuju od reflektiranih. To se događa kao rezultat procesa unutar molekule boje ili pigmenta, zbog čega se ultraljubičasto može pretvoriti u vidljivo, na primjer, plavo svjetlo. Takve metode luminescencije se koriste u vanjskom oglašavanju i prašcima za pranje. U potonjem slučaju, "razrjeđivač" ostaje u tkivu ne samo da odražava bijelo, već i da pretvori ultraljubičasto zračenje u plavo, nadoknađujući žutost i povećavajuću bjelinu.

Rano istraživanje

Iako munje aurora i dosadno sjaj krijesnica i gljivica uvijek su poznati ljudima, prvi luminiscencije studije je započela s sintetički materijal, kada Vincenzo Kaskariolo alkemičar i Shoemaker Bolonjskog (Italija), 1603. g. Grije smjesa barijevog sulfata (Barite u obliku, teškog držača) s ugljenom. Prah dobiven nakon hlađenja, noći plave luminiscencija emitira i Kaskariolo primijetio da se može obnoviti izlaganjem praha na suncu. Tvar je nazvan „Lapis Solaris” ili ćilibar, jer alkemičari se nada da je u stanju pretvoriti baznih metala u zlato, simbol koji je sunce. Perzistencija je izazvao interes mnogih znanstvenika iz tog razdoblja, dajući materijala i drugim imenima, uključujući i „fosfora”, što znači „nosilac svjetlosti”.

Danas se naziv "fosfor" koristi samo za kemijski element, a mikrokristalinični luminescentni materijali nazivaju se fosforom. "Fosfor" Cascario, očito, bio je barij sulfid. Prvi komercijalno dostupni fosfor (1870) bio je "Balmainova boja" - otopina kalcijevog sulfida. Godine 1866. opisana je prva stabilna fosfora iz cinkovog sulfida - jedna od najvažnijih u suvremenoj tehnologiji.

Jedan od prvih znanstvenih istraživanja luminiscencije, koja se očituje na truljenje drva ili meso i krijesnice, provedena je 1672. godine od strane engleske znanstvenik Robert Boyle, koji je, iako nije znao o biokemijskoj podrijetlu tom svjetlu, ipak postaviti neke od osnovnih svojstava bioluminiscentne sustava:

• sjaj je hladno;
• može se potisnuti kemijskim sredstvima kao što su alkohol, klorovodična kiselina i amonijak;
• zračenje zahtijeva pristup zraku.

Godine 1885. - 1887., opaženo je da sirovi ekstrakti dobiveni od zapadno-indijskih krijesnica (kljova od pušaka) i od mekušaca folada, kada se miješaju proizvode svjetlo.

Prvi efektivni kemiluminiscentni materijali bili su nebiološki sintetički spojevi, kao što je luminol, otkriveni 1928. godine.

Kemijska i bioluminiscencija

Većina energije oslobođene kemijskih reakcija, osobito reakcija oksidacije, ima oblik topline. U nekim reakcijama, međutim, dio se upotrebljava za uzbuđivanje elektrona na višu razinu, te u fluorescentnim molekulama prije pojave kemiluminescencije (CL). Studije pokazuju da je CL univerzalna pojava, iako je intenzitet luminescencije toliko mali da zahtijeva upotrebu osjetljivih detektora. Postoje, međutim, neki spojevi koji pokazuju svijetlo CL. Najpoznatiji od njih je luminol, koji, kada se oksidira vodikovim peroksidom, može proizvesti jaka plava ili plavo-zelena svjetlost. Ostale jake CL-supstance su lucigenin i lofin. Unatoč svjetlu njihovih CL, nisu svi oni učinkoviti u pretvaranju kemijske energije u svjetlost, jer manje od 1% molekula emitira svjetlost. U 1960-ima je otkriveno da oksidi oksalne kiseline oksidiraju u bezvodnim otapalima u prisustvu jako fluorescentnih aromatskih spojeva emitiraju jarko svjetlo s učinkovitošću do 23%.

Bioluminescencija je poseban tip CL kataliziran enzimima. Snaga luminescencije takvih reakcija može doseći 100%, što znači da svaka molekula reagiranja luciferina prolazi u zračenje. Sve poznate bioluminiscentne reakcije katalizirane su oksidacijskim reakcijama koje se odvijaju u prisutnosti zraka.

Termički stimulirana luminescencija

Termoluminescencija ne znači toplinsko zračenje već povećanje svjetlosne emisije materijala čiji su elektroni uzbudjeni toplinom. Termički stimulirana luminescencija se opaža kod nekih minerala, a osobito u kristalifosfora nakon što su ih uzbuđeni svjetlom.

photoluminescence

Činjenica da je PL može biti uzbuđen ultraljubičastog zračenja, otkrio je njemački fizičar Johann Ritter 1801., on je primijetio da su fosfora jako svijetliti u nevidljivom području ljubičastom dijelu spektra, i na taj način otvorio UV zračenja. Konverzija UV do vidljivog svjetla je od velike praktične važnosti.

Gamma i Rendgenski zraci Kristalni pobudu fosfor ili drugih materijala u stanje luminiscencije postupkom ionizacije nakon rekombinacijom elektrona i iona, pri čemu dolazi do luminiscencije. Nalazi se u upotrebi u fluoroskopima koji se koriste u rendgenskoj dijagnostici i na scintilacijskim brojačima. Potonji detektiraju i mjere gama zračenje usmjereno na disk obložen fosforom koji je u optičkom kontaktu s površinom fotomultiplista.

triboluminescence

Kada su kristali nekih tvari, na primjer šećer, drobljeni, vidljive su iskre. Isto se vidi u mnogim organskim i anorganskim tvarima. Sve ove vrste luminescencije su generirane pozitivnim i negativnim električnim nabojem. Potonji se proizvode mehaničkim odvajanjem površina i procesom kristalizacije. Svjetlosno zračenje se zatim javlja iscjetkom - bilo izravno, između fragmenata molekula, ili ekscitacijom luminescencije atmosfere u blizini razdvojene površine.

elektroluminiscencija

Kao termoluminiscencije, elektroluminiscentni (EL), termin obuhvaća različite vrste luminiscencije zajedničko obilježje koje se da se svjetlo emitira kad je električno pražnjenje u plinovima, tekućina i čvrstih tvari. U 1752, Benjamin Franklin je osnovala luminiscencije munje izazvane električnog pražnjenja kroz atmosferu. Godine 1860., svjetiljka iscjedak je prvi put pokazao u Royal Society of London. Proizveden je svijetle bijelo svjetlo s naponom pražnjenje kroz ugljični dioksid pri niskom tlaku visoka. Moderne fluorescentne svjetiljke temelje se kombinaciji elektroluminiscentnog i živinih photoluminescence atoma pobudena električnog pražnjenja svjetiljka, ultraljubičasto zračenje ih prevodi u vidljivo svjetlo preko fosfora.

EL pra en na elektrodama tijekom elektrolize je zbog rekombinacije iona (stoga, to je neka vrsta kemiluminescencije). Pod utjecajem električnog polja u tankim slojevima luminescentnog cinkovog sulfida, emitira se svjetlost, koja se također naziva elektroluminescencija.

Veliki broj materijala emitira sjaj pod utjecajem ubrzanih elektrona - dijamant, rubin, kristalni fosfor i neke kompleksne platinske soli. Prva praktična primjena katodolumcencije je osciloskop (1897). Slični zasloni pomoću poboljšanih kristalnih fosfora koriste se u televizorima, radaru, osciloskopima i elektronskim mikroskopima.

radio

Radioaktivni elementi mogu emitirati alfa čestice (jezgre helija), elektrone i gama zrake (visokoenergetsko elektromagnetsko zračenje). Svjetlost zračenja je luminescencija uzbudena radioaktivnom tvari. Kada se alfa čestice bombardiraju kristalnim fosforom, pod mikroskopom se vidi sitni treperenje. Taj je princip upotrijebio engleski fizičar Ernest Rutherford, Dokazati da atom ima središnju jezgru. Samobojne boje, koje se koriste za označavanje satova i drugih instrumenata, djeluju na temelju radara. Oni se sastoje od fosfora i radioaktivne tvari, na primjer tricija ili radiuma. Impresivna prirodna luminescencija je sjeverna svjetla: radioaktivni procesi na Suncu bacaju velike mase elektrona i iona u prostor. Kad se približe Zemlji, njegov geomagnetski polje usmjerava ih na stupove. Procesi ispuštanja plina u gornjim slojevima atmosfere stvaraju poznata polarna svjetla.

Luminescencija: fizika procesa

Zračenje vidljive svjetlosti (tj. S valnim duljinama između 690 nm i 400 nm) zahtijeva energiju uzbude, čiji je minimum određen Einsteinovim zakonom. Energije (E) jednak Planckova konstanta (h), pomnožena sa frekvencijom svjetlosti (nu-) ili brzine u vakuumu (c), podijeljena s valnom duljinom (lambda-): E = hnu--hc / lambda-.

Dakle, potrebna energija za pobuđivanje kreće se od 40 kilokalorija (za crveno) do 60 kilokalorija (za žuto) i 80 kilokalorija (za purpurne) po molu supstance. Drugi način izražavanja energije je elektronički volti (1 eV = 1,6 x 10^-12 erg) - od 1,8 do 3,1 eV.

Energija uzbude prenosi se na elektrone koji su odgovorni za luminescenciju, koji skaču iz njihove osnovne energetske razine na višu. Ta su stanja određena zakonima kvantne mehanike. Različiti mehanizmi uzbude ovise o tome pojavljuje li se u pojedinačnim atomima i molekulama, u kombinacijama molekula ili u kristalu. Iniciraju se djelovanjem ubrzanih čestica, poput elektrona, pozitivnih iona ili fotona.

Često energija uzbude je mnogo veća nego što je potrebno za podizanje elektrona na razinu zračenja. Na primjer, sjaj kristala fosfora u televizijskim ekranima proizvodi katodički elektroni s prosječnim energijama od 25.000 elektroničkih volti. Ipak, boja fluorescentne svjetlosti gotovo je neovisna o energiji čestica. Na to utječe razina pobuđenog stanja energije kristalnih centara.

Fluorescentne svjetiljke

Čestice, zbog kojih dolazi do luminescencije, su vanjski elektroni atoma ili molekula. U fluorescentne svjetiljke, kao što su živa atoma vozi pod utjecajem energije 6,7 eV ili više, podižući jedan od dva vanjska elektrona na višu razinu. Nakon povratka u zemlju, razlika energije se zrači u obliku ultraljubičastog svjetla valne duljine 185 nm. Prijelaz između druge razine i baze proizvodi ultraljubičasto zračenje na 254 nm, što zauzvrat može potaknuti druge luminofore koji stvaraju vidljivu svjetlost.

Ovo je zračenje posebno intenzivno pri niskim tlakima žive pare (10^-5 atmosfera) korištena u izbojne svjetiljke nizak tlak. Tako se oko 60% elektronske energije pretvara u monokromatski UV svjetlo.

Pri visokim pritiscima frekvencija se povećava. Spektri više se sastojati od jedne spektralne linije 254 nm, a zračenje je raspoređen između spektralnih linija koje odgovaraju različitim elektroničkim razine: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 i 578 nm. Visokotlačne živine žarulje koriste se za osvjetljenje, budući da je vidljivo 405-546 nm zeleno-plavog svjetla, dok pretvarajući dio zračenja u crveno svjetlo pomoću fosfor kao rezultat postaje bijela.

Kada molekule plina su uzbuđeni, njihova luminiscencije spektri pokazuju širok polosy- ne samo elektroni su podigli na višu razinu energije, ali istodobno uzbuđen vibracijska i rotacijskog gibanja atoma u cjelini. To je zato što su vibracijske i rotacijske energije molekula 10^-2 i 10^-4 od prijelaznih energija, koje, formirajući skup nešto različitih valnih duljina, čine jedan bend. U većim molekulama postoji nekoliko preklapajućih vrpci, po jedan za svaku vrstu prijelaza. Radijacija molekula u otopini uglavnom je vrpce, što je uzrokovano međudjelovanjem relativno velikog broja uzbudjenih molekula s molekulama otapala. U molekulama, kao u atomima, vanjski elektroni molekularnih orbitala sudjeluju u luminescenciji.

Fluorescencija i fosforescencija

Ovi uvjeti mogu se razlikovati ne samo na temelju trajanja sjaja, već i na način na koji se proizvodi. Kada se elektron uzbuđuje prije singletnog stanja s vremenom boravka od 10^-8 s koje se lako može vratiti u zemlju, tvar emitira svoju energiju u obliku fluorescencije. Tijekom prijelaza, okretanje se ne mijenja. Osnovna i uzbuđena stanja imaju sličnu mnoštvo.

Međutim, elektron se može podići na višu razinu energije (nazvanu "uzbudljivom tripletnom stanju") s inverzijom njegovog spina. U kvantnoj mehanici, prijelazi od tripletnih stanja do singletnih stanja zabranjeni su i stoga njihov životni vijek mnogo je duži. Zbog toga, luminescencija u ovom slučaju ima mnogo dulje vrijeme: primjećuje se fosforescencija.