Явление люминесценции

Любое нагретое до достаточно высокой температуры вещество начинает светиться. Такое излучение вещества называется температурным, так как его интенсивность и спектральный состав в основном определяются температурой светящегося тела.

Однако часто наблюдается свечение тел при такой низкой температуре, когда в их температурном излучении еще нет лучей видимого света. Такое свечение всегда возникает за счет какой-либо поглощенной телом энергии, которая не вызвала его нагревания. Если между моментом поглощения энергии телом и ее выделением в виде излучения, возникающего независимо от температурного излучения, проходит измеримый на опыте промежуток времени, то это излучение называется люминесцентным, а вызванное им свечение — люминесценцией.

При поглощении какой-либо энергии частицы люминесцентного вещества (молекулы, атомы или ионы) переходят в возбужденное состояние, в котором они могут находиться в течение определенного времени (в зависимости от рода вещества от 10^-9 с до нескольких часов). При возвращении в нормальное состояние они испускают люминесцентное излучение. В зависимости от способа возбуждения различают несколько видов люминесценции.

Свечение разреженного газа при прохождении через него электрического тока называется электролюминесценцией. Электролюминесценция наблюдается также в полупроводниках и используется в светодиодах. При пропускании прямого тока через p-n-переход светодиода происходит интенсивная рекомбинация электронов и дырок с испусканием квантов излучения. В этом случае происходит преобразование электрической энергии в световую, т. е. процесс, обратный внутреннему фотоэффекту. Кремниевые светодиоды являются источниками инфракрасного излучения, а светодиоды на карбиде кремния SiC, фосфиде галлия GaP излучают видимый свет.

Люминесценция, возникающая в результате поглощения телом светового излучения, называется фотолюминесценцией. Как правило, при фотолюминесценции твердых веществ и жидкостей наблюдается излучение более длинных волн, чем у поглощенного излучения. Обычно для возбуждения используется ультрафиолетовое излучение, а возникает фотолюминесцентное излучение в видимой части спектра. Таким образом, происходит как бы трансформация излучения. Эта особенность фотолюминесценции была установлена в 1852 г. английским ученым А. Стоксом и теперь называется правилом Стокса: спектр фотолюминесценции сдвинут в сторону длинных волн по сравнению со спектром поглощенного излучения.

Квантовая теория излучения дает следующее объяснение этому правилу: поглотив квант излучения hv₀ и перейдя в возбужденное состояние, молекула (атом, ион) может потерять часть полученной энергии, передав ее другим молекулам в процессе теплового движения, а оставшаяся энергия излучается в виде кванта hv. Если потерянную молекулой энергию обозначить А, то:

hv = hv₀ – A (35.12)элек

Следовательно, частота люминесцентного излучения меньше частоты поглощенного, а длина волны соответственно больше.

Спектр фотолюминесценции почти не зависит от поглощенного излучения и характерен для данного вещества. Это используется при люминесцентном анализе для определения состава и чистоты веществ. Чувствительность этого метода анализа очень велика: обычно люминесценцию вещества можно наблюдать при концентрациях вещества 10^-7 – 10^-9 г/м³.

Время, в течение которого наблюдается фотолюминесценция вещества после прекращения его облучения, называется временем послесвечения. По времени послесвечения фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию. Если время послесвечения так мало, что практически фотолюминесценция вещества исчезает одновременно с прекращением его облучения, то она называется флуоресценцией. Если же время послесвечения имеет заметную величину (иногда больше суток), она называется фосфоресценцией. Флуоресценция наблюдается у многих жидкостей и газов, а фосфоресценция — у твердых тел.

Кристаллические вещества, сильно и длительно фосфоресцирующие, называются кристаллофосфорами. К ним относятся различные соли, содержащие очень малое количество примесей атомов определенных-веществ, называемых активаторами. Так, сернистый цинк сильно фосфоресцирует зеленоватым светом, если он активирован атомами меди. Светящиеся составы, у которых фосфоресценция обусловлена присутствием активаторов, часто называют люминофорами. Фосфоресценция наблюдается у многих стекол, в состав которых входят какие-либо люминесцирующие вещества, например, соединения урана, редкоземельных элементов и др.

Кристаллофосфоры используются для обнаружения рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. При поглощении этих лучей экраны, покрытые слоем кристаллофосфора, испускают видимый свет. Фосфоресцирующие экраны можно использовать и для обнаружения инфракрасного излучения. Оказывается, инфракрасное излучение уменьшает время фосфоресценции люминофора, вызывая быстрое потемнение светящегося экрана.

Широкое использование люминесценция получила в электроннолучевых трубках, экраны которых покрываются с внутренней стороны люминофором, светящимся при бомбардировке его электронами. Этот вид люминесценции называется катодолюминесценцией. Для простых кинескопов используются кристаллофосфоры, содержащие смесь сернистого цинка и сернистого кадмия, активированных серебром, дающие голубоватое свечение. В кинескопах цветных телевизоров на экране упорядоченно расположены зерна трех кристаллофосфоров, светящихся красным, зеленым и синим цветом. Они возбуждаются тремя отдельными электронными лучами. Интенсивностью этих лучей управляют видеосигналы от трех передающих трубок с красным, зеленым и синим светофильтрами соответственно.

Люминесценция широко используется в источниках света. В газосветных трубках используется электролюминесценция разреженных газов или паров. В лампах дневного света при электролюминесценции паров ртути испускается ультрафиолетовое излучение (кстати, поэтому ртутные лампы со стенками из кварца применяются в качестве источников ультрафиолетового света). Люминофор, которым покрыты изнутри стенки лампы дневного света, поглощая ультрафиолетовое излучение, фосфоресцирует, испуская видимый свет. Химический состав люминофора подбирается таким образом, чтобы свет лампы был близок по составу к дневному свету. По экономичности такие лампы в 4—5 раз превосходят лампы накаливания.

Люминесцентные краски не только отражают лучи определенного цвета, но и преобразуют в такой свет поглощаемое излучение других цветов, поэтому они кажутся светящимися. Люминесцентные краски используются для создания световых эффектов, в театрах, применяются для реклам, для покраски бакенов, полосы яркой краски наносят на локомотивы и т. д.