Luminescence: típusok, módszerek és alkalmazások. Termikusan stimulált lumineszcencia - mi ez?

A lumineszcencia - a kibocsátott fény bizonyos anyagok egy viszonylag hideg állapotban. Ez eltér a sugárzás izzó szervek, mint például égő fa vagy szén, egy olvadt vas és a huzal felmelegítése az elektromos áram. lumineszcencia emissziós figyelhető:

• neon és fénycsövek, televíziók, radarernyőnket és fluoroscopes;
• szerves anyagok, mint például a luminol vagy luciferin, szentjánosbogarak;
• Bizonyos használt pigmentek kültéri reklám;
• villám és aurora.

Mindezen jelenségek fénykibocsátás nem okozott az anyag melegítése szobahőmérséklet feletti hőmérsékleten, így ez az úgynevezett hideg fény. A gyakorlati értéke a lumineszcens anyagok képesek átalakítani a láthatatlan energia formájában a látható fényt.

Forrásai és folyamata

lumineszcencia jelenség eredményeként az energiaelnyelés anyagból, például, egy olyan forrásból ultraibolya vagy röntgensugarakkal, elektronsugarak, kémiai reakciók, és így tovább. d. Ez azt eredményezi, az anyag atomjait gerjesztett állapotban. Mivel ez instabil, az anyag visszatér eredeti állapotába, és az elnyelt energia felszabadul a fény és / vagy hő. Az eljárás során csak a külső elektronok. lumineszcencia hatékonyság függ a konverziós foka gerjesztési energiát fénnyé. A felhasznált anyagok száma, amelyek rendelkeznek elegendő teljesítmény a gyakorlati használat, viszonylag kicsi.

A lumineszcencia és izzás

lumineszcencia gerjesztési nem kapcsolódik a gerjesztés atomok. Amikor a meleg anyagok kezdenek világítani eredményeként izzók, az atomok gerjesztett állapotban. Annak ellenére, hogy rezeg, szobahőmérsékleten, elég, hogy a sugárzás történt a távoli infravörös színképtartományban. Növekvő hőmérséklettel eltolja a frekvenciát az elektromágneses sugárzás a látható tartományban. Másrészt, nagyon magas hőmérsékleten, amely keletkezik, például a gyutacstömlők, atomi ütközések lehet olyan erős, hogy az elektronok elválasztják őket, és rekombinálódnak, fényt kibocsátó. Ebben az esetben a lumineszcencia és izzó egybeolvadjanak.

Fluoreszkáló pigmentek és színezőanyagok,

Hagyományos pigmentek és színezékek színű, mint azok tükrözik, hogy része a spektrum, amely komplementer felszívódik. Egy kis része az energia hővé alakul át, de jelentős kibocsátás lép fel. Ha azonban a fluoreszcens pigment elnyeli a fényt a tartományban egy adott területen, akkor bocsátanak ki fotonokat, eltérő gondolkodás. Ez akkor fordul elő eredményeként belüli folyamatok a festék vagy pigment molekula, amelyben az ultraibolya fényt lehet alakítani látható, például a kék fényt. Az ilyen lumineszcens módszereket használnak a kültéri reklám és mosóporok. Az utóbbi esetben az „ülepítő” marad a szövetben nem csak, hogy tükrözze a fehér, hanem átalakítani az ultraibolya sugárzás kék, sárga kompenzálására és javítja a fehérség.

korai vizsgálatok

Bár villám aurora és tompa fénye szentjánosbogarak és gombák mindig is ismert, hogy az emberiség, az első lumineszcens vizsgálatok kezdődött a szintetikus anyagból, amikor Vincenzo Kaskariolo alkimista és Shoemaker Bologna (Olaszország), 1603-ban g. Melegített elegyének bárium-szulfát (barit formájában, súlypát) szénnel. Után kapott por hűtés, éjszakai kék lumineszcens kibocsátott, és Kaskariolo észrevette, hogy vissza lehet állítani oly módon, hogy a por a napfényre. Az anyag neve „lapis solaris” vagy napkő, mert alkimisták remélte, hogy képes fordulni fémek arannyá, a szimbólum, amely a napot. Utánvilágítás okozott az érdeke, sok tudós az időszak, amely anyagokat és egyéb nevek, beleértve a „foszfor”, ami azt jelenti, „hordozója light”.

Ma a neve „foszfor” kifejezés csak a kémiai elem, míg a mikrokristályos lumineszcens anyag nevezett fénypor. „Foszfor” Kaskariolo, látszólag volt bárium-szulfid. Az első kereskedelmi forgalomban kapható fénypor (1870) lett a „festék Balmain” - oldatot kalcium-szulfid. 1866-ban, azt a fentiekben az első stabil cink-szulfid foszforvegyület - az egyik legfontosabb a modern technológia.

Az egyik első tudományos tanulmányok a lumineszcens, ami abban nyilvánul meg rothadó fa vagy hús és szentjánosbogarak, végeztünk 1672-ben az angol tudós Robert Boyle, aki bár nem tudni a biokémiai eredete ennek fényében még meg néhány alapvető tulajdonságait biolumineszcens rendszerek:

• Glow hideg;
• lehet elnyomható kémiai szereket, úgymint alkoholt, sósavat és az ammónia;
• sugárzás hozzáférést igényel a levegő.

Azokban az években 1885-1887, megfigyelhető volt, hogy a nyers kivonatok szentjánosbogarak a nyugat-indiai (pyrophorus) és kagyló Foladi keverve fény előállítására.

Az első hatásos kemilumineszcens anyagok voltak, nem biológiai szintetikus vegyületek, például a luminol, felfedezett 1928-ban évente.

Vegyi- és biolumineszcencia

A legtöbb felszabaduló energia a kémiai reakciók, különösen az oxidációs reakció, az a hő formájában. Bizonyos reakciókban, hanem egy részt gerjesztésére használt elektronok akár magasabb szinteken, és a fluoreszcens molekulák, mielőtt a kemilumineszcencia (CL). Tanulmányok azt mutatják, hogy a CL egy univerzális jelenség, de a lumineszcencia intenzitása olyan kicsi, hogy használatát igényli érzékeny detektorok. Van azonban néhány, a vegyületek, amelyek élénk CL. A legismertebb ezek közül a luminol, amelyek oxidáció után a hidrogén-peroxiddal is kapunk erős kék vagy kék-zöld fény. További erőssége CL-anyagok - és iucigenin lofin. Annak ellenére, hogy a fényerő CL, nem mindegyik hatékony átalakítására kémiai energiát fénnyé, azaz. K. Kevesebb, mint 1% a molekulák fényt bocsátanak ki. Az 1960-as években azt találták, hogy a észterei oxálsav, oxidált vízmentes oldószerekben jelenlétében erősen fluoreszkáló aromás vegyületek bocsátanak ki erős fény, a hatásfok pedig 23%.

Biolumineszcencia egy speciális típusú kemilumineszcencia által katalizált enzimeket. A lumineszcencia kimeneti Ezen reakciók elérheti a 100%, ami azt jelenti, hogy minden egyes molekula luciferin reagens belép kibocsátó állapotban. Minden ma ismert biolumineszcens katalizált reakció oxidációs reakciók előforduló levegő jelenlétében.

termikusan stimulált lumineszcencia

Termolumineszcencia azt jelenti, nem termikus sugárzás, hanem erősítése a fénykibocsátó anyagok, az elektronokra, amelyek által gerjesztett hő. Termikusan stimulált lumineszcencia figyelték meg néhány ásványi anyagok és különösen a kristály foszforeszkáló, miután azokat izgatott fény.

fotolumineszcens

Fotolumineszcencia amely akkor az intézkedés alapján elektromágneses sugárzást az anyag, lehet a tartományban látható fény keresztül az ultraibolya a röntgen- és gamma-sugárzás. A lumineszcencia, által indukált fotonok, hullámhossza kibocsátott fény általában egyenlő vagy nagyobb, mint a hullámhossz a izgalmas (m. E. egyenlő vagy kisebb teljesítmény). Ez a különbség a hullámhossz okozta átalakulás a bejövő energiát azután rezgések az atomok vagy ionok. Néha intenzív lézernyaláb által kibocsátott fény lehet rövidebb hullámhosszon.

Az a tény, hogy a PL lehet gerjeszteni ultraibolya sugárzással, fedezte fel a német fizikus Johann Ritter 1801, észrevette, hogy a foszforvegyületek ragyogás fényesen a láthatatlan tartományában a lila része a spektrum, és így megnyílt az UV sugárzás. Az átalakítás az UV, a látható fény nagy gyakorlati jelentősége van.

Gamma és röntgensugarak gerjeszti foszforok, és más kristályos anyagok a lumineszcencia állapotba ionizációs eljárással, majd rekombináció elektronok és ionok, miáltal lumineszcencia történik. Használata ez az átvilágítás használt radiológia, szcintillációs számlálók. Az utolsó rekord, és mérjük a gamma-sugárzás irányított a lemezre vonva fényporral, amely optikai felületével érintkező, a fotoelektron-sokszorozó.

tribolumineszcencia

Amikor a kristályok bizonyos anyagok, mint például cukrok, zúzott, látható szikra. Ugyanez figyelhető meg számos szerves és szervetlen anyagokat. Minden ilyen típusú lumineszcencia által generált pozitív és negatív elektromos töltések. Legutóbbi elő mechanikus szétválasztás felületek a kristályosodási folyamat. Fényemisszió ezután úgy történik, hogy kisütés - akár közvetlenül, az egységek közötti, a molekulák, akár gerjesztési lumineszcencia a légkör közelében az elválasztott felületen.

elektrolumineszcencia

Ahogy termolumineszcens elektroiu (EL), a kifejezés magában foglalja a különböző típusú lumineszcencia közös jellemzője, amely hogy a kisugárzott fény, amikor a villamos kisülés a gázok, folyadékok és szilárd anyagok. 1752-ben Bendzhamin Franklin létre a lumineszcencia a villám által kiváltott villamos kisülés a légkörön keresztül. 1860-ban, a kisülési lámpa először bizonyította a Royal Society of London. Ő készített egy fehér fényt és egy nagyfeszültségű kisülés révén a szén-dioxid alacsony nyomáson. Modern fénycsövek alapulnak kombinációja elektrolumineszcens és fotolumineszcencia higany atomok által gerjesztett villamos kisülő lámpa, a kibocsátott ultraibolya sugárzás általuk alakul át látható fény útján a fénypor.

EL megfigyelhető az elektródákon elektrolízis során létrejövő rekombináció következtében az ionok (és így egyfajta kemilumineszcencia). Hatása alatt a villamos térerősség a vékony réteg lumineszcens cink-szulfid fénykibocsátás történik, amely szintén nevezik elektrolumineszcencia.

Számos anyag bocsát ki lumineszcens hatása alatt a gyorsított elektronokkal - gyémánt, rubin, kristály foszfor és bizonyos komplex platina-só. Az első gyakorlati alkalmazása katódlumineszcens - Oszcilloszkóp (1897). Hasonló képernyők segítségével javított kristályos foszforokat használt televíziók, radarok, oszcilloszkópok és elektronmikroszkóppal.

a rádió

Radioaktív elemek is bocsátanak ki alfa-részecskék (hélium atommag), elektronok és gamma-sugárzás (nagy energiájú elektromágneses sugárzás). Sugárzás lumineszcencia - a fény által gerjesztett a radioaktív anyag. Amikor alfarészecske bombázzák kristályos foszfor, mikroszkóp alatt láthatók apró vibrálás. Ez az elv alkalmazásával angol fizikus Ernest Rutherford, annak bizonyítására, hogy az atom egy központi magot. Önvilágító festék jelölésre felhasznált órák és más eszközök alapján a RL. Ezek közé tartozik a foszfor és a radioaktív anyag, például trícium vagy rádiumot. Lenyűgöző természeti lumineszcencia - az aurora borealis: radioaktív folyamatok a Nap bocsát ki az űrbe hatalmas tömegek elektronok és ionok. Amikor közeledik a Föld, a geomágneses mező irányítja őket a pólusok. Gáz-mentesítési eljárások a felső réteg a légkör és hozzon létre egy híres Aurora.

A lumineszcencia: fizika a folyamat

Kibocsátott látható fény (pl. E. A hullámhosszak között 690 nm és 400 nm) gerjesztés energiát igényel, amely meghatározza legalább Einstein törvény. Energia (E) megegyezik Planck-állandó (h), szorozva a gyakorisága a fény (ν) vagy annak sebessége vákuumban (c), osztva a hullámhossz (λ): E = hv = hc / λ.

Így a szükséges energia a gerjesztő tól 40 kilokalória (piros) 60 kcal (sárga), és 80 kalória (lila) per mol hatóanyagra vonatkoztatva. Egy másik módja a kifejező energia - az elektronvolt (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 ERG) - 1,8-3,1 eV.

A gerjesztési energia elektronok felelős lumineszcencia ugrani a talajszint egy magasabb. Ezeket a feltételeket határozza meg a kvantummechanika törvényei. Különböző mechanizmusok gerjesztés attól függ, hogy előfordul egyedi atomok és molekulák, vagy molekulák kombinációjával a kristályban. Ezek által kezdeményezett kereset gyorsított részecskék, mint például elektronok, pozitív ionok vagy fotonok.

Gyakran előfordul, hogy a gerjesztő energia lényegesen magasabb, mint emeléséhez szükséges elektron sugárzás. Például, foszfor lumineszcencia kristály televíziós képernyők, katód elektronok előállított átlagos energiákkal 25000 voltot. Mindazonáltal, a színe a fluoreszcens fény szinte független a részecske energia. Ez befolyásolja a szintje a gerjesztett állapot a kristály energia központok.

fénycsövek

A részecskék, ami miatt lumineszcencia történik - ez a külső elektronok atomok vagy molekulák. A fénycsövek, mint a higany atom van meghajtva hatása alatt az energia 6,7 eV vagy több, felemeli az egyik a két külső elektronok egy magasabb szintre. Visszavitele után az alapállapotba a különbség az energiában kibocsátott ultraibolya hullámhosszúságú fény 185 nm. Az átmenet között az alap és egy másik szinten termel ultraibolya sugárzás 254 nm-nél, ami viszont, gerjeszti más fénypor generáló látható fény.

Ez a sugárzás különösen intenzív alacsony nyomású higanygőz (10 ^-5 atmoszféra) használt gázkisülésű lámpák az alacsony nyomású. Így körülbelül 60% -a elektron energia alakul át egy monokromatikus UV fény.

A nagy nyomás, a frekvencia növekedésével. Spectra többé nem állhat egy spektrális vonal 254 nm, és a sugárzási energia eloszlik a spektrális vonalak megfelelő különböző elektronikus szintek: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 és 578 nm-en. Nagynyomású higanygőz lámpák megvilágítására használható, mivel a látható 405-546 nm-es kék-zöld fény, miközben átalakítja része a sugárzás a vörös fény alkalmazásával foszfor eredményeként kifehéredik.

Amikor a gáz molekulák gerjesztett, lumineszcencia spektrumok azt mutatják, széles sávok; nem csak az elektronok emelt szinten nagyobb energiájú, de egyszerre izgatott vibrációs és rotációs mozgást az atomok az egész. Ez azért van, mert vibrációs és rotációs energia a molekulák 10 ^-2 és 10 ^-4 a átmeneti energiák, amelyeket ki, meghatározzák számos, kissé különböző hullámhosszú összetevők egyetlen sáv. A nagyobb molekulák több átfedő csíkok, egy-egy minden típusú átalakulás. Sugárzás molekulák oldatban előnyösen szalagszerű, hogy a kölcsönhatás idézi elő a viszonylag nagy számú gerjesztett molekulák és oldószer molekulák. A molekulák, mint az atomok részt vesz a lumineszcencia külső elektronokat molekulapályák.

Fluoreszcencia és a foszforeszcencia

Ezek a feltételek lehet megkülönböztetni nemcsak időtartama alapján lumineszcencia, hanem annak módjára vonatkozóan. Amikor egy elektron gerjesztve van egy szingulett állapotba véglegesített ott 10 ^-8 s, ahonnan könnyen visszatérhet a földre, az anyag bocsát ki az energia, a fluoreszcenciát. Az átmenet során, a spin nem változik. Alap- és gerjesztett állapotok hasonló sokfélesége.

Electron azonban emelhető magasabb energiaszintre (az úgynevezett „egy gerjesztett triplett állapot”) háttal kezelést. A kvantummechanikában a átmenetek a triplett állapot a singlet tiltott, ezért az idő életük sokkal több. Ezért a lumineszcencia ebben az esetben sokkal hosszabb távon: van foszforeszkáló.