Luminescence: typy, metody, aplikace. Tepelně stimulovaná luminiscence je to co?

Luminescence je emise světla z některých materiálů v relativně chladném stavu. Liší se od ozařování horkých těles, například spalováním dřeva nebo uhlí, roztaveného železa a drátu, vyhřívaného elektrickým proudem. Emise luminiscence je pozorována:

• v neonových a zářivkových lampách, televizorech, radarech a obrazovkách fluoroskopů;
• v organických látkách, jako je luminol nebo luciferin v světlovodech;
• v některých barvivech používaných při venkovní reklamě;
• s bleskem a aurora borealis.

U všech těchto jevů není světelné záření výsledkem ohřevu materiálu nad pokojovou teplotu, tzv. Studené světlo. Praktická hodnota luminiscenčních materiálů spočívá v jejich schopnosti přeměnit neviditelné formy energie viditelné záření.

Zdroje a proces

Fenomén luminiscence se vyskytuje v důsledku absorpce energie z materiálu, například ze zdroje ultrafialového nebo rentgenového záření, elektronových paprsků, chemických reakcí atd. To vede atomy hmoty do vzrušeného stavu. Jelikož je nestabilní, materiál se vrací do původního stavu a absorbovaná energie se uvolňuje ve formě světla a / nebo tepla. Do procesu jsou zapojeni pouze externí elektrony. Účinnost luminiscence závisí na stupni přeměny excitační energie na světlo. Počet materiálů s dostatečnou účinností pro praktické použití je poměrně malý.

Luminescence a žhavení

Excilace luminiscence není způsobena excitací atomů. Když horké materiály začnou svítit v důsledku žhavení, jejich atomy jsou ve vzrušeném stavu. Přestože již vibrují při pokojové teplotě, stačí, že záření nastane v daleko infračervené oblasti spektra. Jak teplota stoupá, frekvence elektromagnetického záření se posune na viditelnou oblast. Na druhé straně, při velmi vysokých teplotách, které jsou vytvořeny například v rázových trubkách, mohou být srážky atomů tak silné, že elektrony se od sebe oddělují a rekombinují a vydávají světlo. V tomto případě se luminiscence a žhavení stávají nerozlišitelnými.

Fluorescenční pigmenty a barviva

Konvenční pigmenty a barviva mají barvu, protože odrážejí tu část spektra, která je komplementární k absorbovanému. Malá část energie se přemění na teplo, ale nevyskytuje se výrazné záření. Pokud však luminiscenční pigment absorbuje denní světlo v určité části spektra, může vyzařovat fotony, které se liší od odražených. K tomu dochází v důsledku procesů uvnitř molekuly barviva nebo pigmentu, díky kterému může být ultrafialový paprsek přeměněn na viditelné, například modré světlo. Takové metody luminiscence se používají při outdoorové reklamě a pracích prášcích. V posledním případě zůstává "čistič" v tkáni nejenom aby odrážel bílou barvu, ale také převedl ultrafialové záření na modrou, kompenzoval žlutost a zvýšil bělost.

Časný výzkum

I když blesk aurora a matné záře světlušek a houby byly vždy, které lidstvo zná, první luminiscenční studie začala syntetického materiálu, když Vincenzo Kaskariolo alchymista a obuvnické Bologna (Itálie), v roce 1603 g. Zahřáté směsi síranu barnatého (barytu ve formě, těžká spar) s uhlím. Prášek získaný po ochlazení, noční modrá luminiscence emitované a Kaskariolo si všiml, že může být obnovena podrobením prášku slunečního záření. Látka byla pojmenována „lapis Solaris“ nebo sluneční, protože alchymisté doufali, že je schopen proměnit kovy ve zlato, jejímž symbolem je slunce. Dosvit způsobil zájem mnoha vědců tohoto období, dávat materiálů a dalších jmen, včetně „fosfor“, který znamená „nosič světla“.

Dnes se název "fosfor" používá pouze pro chemický prvek, zatímco mikrokrystalické luminiscenční materiály se nazývají fosfor. "Phosphorus" Cascario, zdánlivě, byl sulfid barnatý. Prvním komerčně dostupným fosforem (1870) byla "Balmainova barva" - roztok síranu vápenatého. V roce 1866 byl popsán první stabilní fosfor ze sulfidu zinečnatého - jeden z nejdůležitějších v moderní technologii.

Jeden z prvních vědeckých studií luminiscence, která se projevuje v hnijící dřevo, nebo maso a světlušky, byla provedena v roce 1672 anglický vědec Robert Boyle, který, i když nevěděl o biochemické původu tohoto hlediska ještě nastavit některé ze základních vlastností bioluminescent systémů:

• záře je chladná;
• může být potlačena chemickými činidly, jako je alkohol, kyselina chlorovodíková a amoniak;
• záření vyžaduje přístup ke vzduchu.

V letech 1885-1887 bylo zjištěno, že surové extrakty získané ze západoindijských světlíků (brouků) a z měkkýšů, které jsou ve směsi, produkují světlo.

Prvním účinným chemiluminiscenčním materiálem byly nebiologické syntetické sloučeniny, jako je luminol, objevený v roce 1928.

Chemická a bioluminiscence

Většina energie uvolňované při chemických reakcích, zejména oxidačních reakcích, má formu tepla. V některých reakcích se však část z nich používá k vzrušení elektronů na vyšší hladiny a fluorescenčních molekul před vyvoláním chemiluminiscence (CL). Studie ukazují, že CL je univerzální jev, i když intenzita luminiscence je tak malá, že vyžaduje použití citlivých detektorů. Existují však některé sloučeniny, které vykazují jasný CL. Nejznámější z nich je luminol, který při oxidaci peroxidem vodíku může vytvářet silné modré nebo modrozelené světlo. Dalšími silnými CL látkami jsou lucigenin a lofin. Přes jasnost jejich CL, ne všechny jsou účinné při přeměně chemické energie na světlo, protože méně než 1% molekul vyzařuje světlo. V šedesátých letech bylo zjištěno, že estery kyseliny šťavelové oxidované v bezvodých rozpouštědlech v přítomnosti silně fluorescenčních aromatických sloučenin vyzařují jasné světlo s účinností až 23%.

Bioluminiscence je speciální typ CL katalyzovaný enzymy. Luminiscenční výtěžek takových reakcí může dosáhnout 100%, což znamená, že každá molekula reakčního luciferinu přechází do vyzařovaného stavu. Všechny známé bioluminiscenční reakce jsou katalyzovány oxidačními reakcemi probíhajícími v přítomnosti vzduchu.

Tepelně stimulovaná luminiscence

Termoluminiscence nezahrnuje tepelné záření, ale zesílení emisí světla materiálů, jejichž elektrony jsou vyvolávány teplem. Tepelně stimulovaná luminiscence je pozorována u některých minerálů a zvláště u krystalofosforečnanů po jejich vzrušení světlem.

Fotoluminiscence

Skutečnost, že PL mohou být rozčilený ultrafialovým zářením, byl objeven německým fyzikem Johann Ritter v roce 1801, si všiml, že luminofory zářit jasně v neviditelné oblasti fialové části spektra, a tím otevřel UV záření. Transformace UV do viditelného světla má velký praktický význam.

Gamma a Rentgenové záření vyvoláním krystalických fosforů a dalších materiálů do stavu luminiscence ionizačním procesem, po němž následuje rekombinace elektronů a iontů, v důsledku čehož nastane luminiscence. Objevuje se u fluoroskopů používaných v rentgenové diagnostice a scintilačních pultech. Ten detekuje a měří gama záření směřující na disk potažený fosforem, který je v optickém kontaktu s fotonásobovacím povrchem.

Triboluminiscence

Když jsou krystaly některých látek, například cukru, rozdrceny, jsou viditelné jiskry. Totéž platí i u mnoha organických a anorganických látek. Všechny tyto typy luminiscence jsou generovány pozitivními a zápornými elektrickými náboji. Ty se vyrábějí mechanickým oddělením povrchů a při procesu krystalizace. Světelné záření se pak vyskytuje výbojem - buď přímo mezi fragmenty molekul nebo excitací luminiscence atmosféry v blízkosti odděleného povrchu.

Elektroluminiscence

Jako termoluminiscence, elektroluminiscenční (EL), tento termín zahrnuje různé typy společný rys luminiscence, která je, že světlo je vyzařováno, když elektrický výboj v plynu, kapaliny a pevných materiálů. V roce 1752, Benjamin Franklin založil luminiscence bleskem indukovaného elektrického výboje v atmosféře. V roce 1860, výbojka byla poprvé prokázána v Royal Society of London. Vytvářela jasné bílé světlo s vysokým napětím vypouštěným oxidem uhličitým při nízkém tlaku. Moderní zářivky jsou založeny na kombinaci elektroluminiscenčních a fotoluminiscenční rtuti atomů vybuzených elektrickou výbojkou, ultrafialové záření emitované nich se převede na viditelné světlo prostřednictvím fosforu.

EL pozorované u elektrod během elektrolýzy je způsobeno iontovou rekombinací (tedy je to druh chemiluminiscence). Pod vlivem elektrického pole v tenkých vrstvách luminiscenčního sulfidu zinečnatého se vydává světlo, které se také nazývá elektroluminiscence.

Velké množství materiálů vydává záření pod vlivem akcelerovaných elektronů - diamant, rubín, krystalický fosfor a některé komplexní soli platiny. První praktickou aplikací katodoluminiscence je osciloskop (1897). Podobné obrazovky využívající vylepšené krystalické fosfory se používají v televizorech, radarech, osciloskopech a elektronových mikroskopech.

Radioluminiscence

Radioaktivní prvky mohou vyzařovat částice alfa (jádra hélia), elektrony a záření gama (vysokoenergetické elektromagnetické záření). Radiační luminiscence je luminiscence vybuzená radioaktivní látkou. Když jsou částice alfa bombardovány krystalickým fosforem, pod mikroskopem je vidět drobné blikání. Tento princip byl používán anglickým fyzikem Ernest Rutherford, Prokázat, že atom má centrální jádro. Samolepící barvy používané pro značení hodinek a jiných nástrojů pracují na základě radaru. Jsou složeny z fosforu a radioaktivní látky, například tritia nebo rádia. Působivou přirozenou luminiscencí je severní světlo: radioaktivní procesy na Slunci hromadí velké množství elektronů a iontů do prostoru. Když se blíží k Zemi, geomagnetické pole je nasměruje k pólům. Procesy vypouštění plynů v horních vrstvách atmosféry vytvářejí slavné polární světla.

Luminescence: fyzika procesu

Emise viditelného světla (tj. E. s vlnovými délkami mezi 690 nm a 400 nm), excitace vyžaduje energii, která se určí alespoň Einstein práva. Energie (E) je rovna Planckova konstanta (h), vynásobený frekvence světla (nu-) nebo jeho rychlost ve vakuové (c), děleno vlnové délce (lambda): E = hnu- = hc / lambda-.

Energie potřebná pro buzení se tedy pohybuje od 40 kilokalorií (pro červenou) až po 60 kilokalorií (pro žlutou) a 80 kilokalorií (pro fialovou) na mol látky. Jiný způsob vyjádření energie je prostřednictvím elektron-voltů (1 eV = 1,6 × 10^-12. erg) - od 1,8 do 3,1 eV.

Excitační energie se přenáší na elektrony zodpovědné za luminiscenci, které přeskočí ze základní úrovně energie na vyšší. Tyto stavy jsou určeny zákony kvantové mechaniky. Různé mechanismy buzení závisí na tom, zda se vyskytuje u jednotlivých atomů a molekul, v kombinaci molekul nebo v krystalu. Jsou iniciovány působením akcelerovaných částic, jako jsou elektrony, pozitivní ionty nebo fotony.

Často je excitační energie mnohem vyšší, než je nezbytné pro zvýšení elektronu na úroveň záření. Například záře fosforových krystalů v televizních obrazovkách je produkováno katodovými elektrony s průměrnou energií 25 000 elektronových voltů. Nicméně barva fluorescenčního světla je téměř nezávislá na energii částic. Ovlivňuje to úroveň vzrušeného stavu energie krystalických center.

Zářivky

Částice, z nichž vzniká luminiscence, jsou vnější elektrony atomů nebo molekul. Například v fluorescenčních žárovkách dochází k excitaci atomu rtuti pod vlivem energie o hodnotě 6,7 eV nebo více, čímž se jeden ze dvou vnějších elektronů zvedne na vyšší úroveň. Po návratu do základního stavu je energetický rozdíl vyzařován ve formě ultrafialového světla o vlnové délce 185 nm. Přechod mezi jinou úrovní a základnou vytváří ultrafialové záření při 254 nm, což může zase vyvolat další světlomety vytvářející viditelné světlo.

Toto ozařování je obzvláště intenzivní při nízkých tlacích rtuti (10^-5 atmosféra) použitá v výbojky nízkého tlaku. Tímto způsobem se přeměňuje asi 60% energie elektronu monochromatické UV světlo.

Při vysokých tlacích se frekvence zvyšuje. Spektra už se skládají z jedné spektrální čáry 254 nm, a energie záření je distribuována z spektrálních čar odpovídajících různým elektronickým úrovních: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 a 578 nm. Vysokotlaké rtuťové se používají pro osvětlení, protože viditelné 405-546 nm modro-zelené světlo, zatímco transformaci část záření v červené světlo s použitím fosforu v důsledku toho se změní na bílou.

Když jsou molekuly plynu vzrušeny, jejich luminiscenční spektra ukazují široké pásma, nejen elektrony vznikají na vyšší úrovni energie, ale vibrační a rotační pohyby atomů jsou obecně vzrušeny současně. Je to proto, že vibrační a rotační energie molekul jsou 10^-2 a 10^-4 z přechodových energií, které tvoří skupinu mírně odlišných vlnových délek tvoří jeden pás. U větších molekul existuje několik překrývajících se pásem, jeden pro každý typ přechodu. Radiace molekul v roztoku jsou převážně páskové, což je způsobeno interakcí poměrně velkého počtu vzrušených molekul s molekulami rozpouštědel. V molekulách, stejně jako v atomech, se podílejí na luminescenci externí elektrony molekulárních orbitálů.

Fluorescence a fosforescence

Tyto pojmy lze rozlišit nejen na základě trvání záře, ale také na způsobu, jakým se vytváří. Když je elektron excitován před stavem singlet s dobou pobytu 10^-8. s, ze kterého se může snadno vrátit k zemi, látka vydává svou energii ve formě fluorescence. Během přechodu se točení nezmění. Základ a vzrušené stavy mají podobnou násobnost.

Elektron však může být zvýšen na vyšší energetickou úroveň (nazývanou "excitovaný triplet stav") s inverzí jeho spin. V kvantové mechanice jsou přechody z tripletových států do singletových států zakázány, a proto je jejich životnost mnohem delší. Proto má luminiscence v tomto případě mnohem delší dobu: pozoruje se fosforescence.