Люминесценция, сущность и виды.
Люминесценция – это свечение нетеплового характера, которое наблюдается после поглощения телом (материей) энергии возбуждения.
Люминесценция, явление и сущность
Механизм проявления люминесценции
Классификация разновидностей люминесценции, виды люминесценции
Люминесценция, явление и сущность:
Понятие люминесценция заимствовано из латыни и объединяет два отдельных термина: luminis – свет, escent – слабое свечение. В общем понимании понятие люминесценция отождествляется с холодным свечением материального тела.
На сегодняшний день в научной среде под феноменом люминесценции понимается свечение нетеплового характера, которое наблюдается после поглощения телом (материей) энергии возбуждения.
Природу люминесценции впервые стали обсуждать в XVIII веке. Чтобы разобраться с сущностью люминесценции важно иметь представление о природе следующих явлений: нагревание тела, испускание света, использование энергии внешнего облучения и др.
В исследовании природы люминесценции особую значимость приобретает свет, т.е. сам процесс испускания световых лучей. Учеными выделено два типа источников света. Первый тип имеет место в том случае, если происходит нагрев материального тела до определенной температуры. Иными словами, тепловой нагрев предмета становится причиной появления его свечения. Ко второму типу источников света относится холодное свечение материального тела, которое может быть выражено в разных формах люминесценции.
Чтобы понять отличие «теплового» свечения тела от холодного света необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие при нагреве материи. При повышении температуры, атомы внутри вещества движутся более интенсивно. Электроны ускоряются и переходят на высший уровень, характеризующийся избыточной энергией. В таком состоянии электроны пребывают доли секунды, теряя при этом избыток энергии. Процесс потери энергии сопровождается испусканием фотона. Энергия кванта света приравнивается к разнице между соседними энергетическими уровнями.
Примером теплового нагрева материи является зажженный факел, зажженная свеча, солнечная активность, свечение звезд, покрасневшая от жара поверхность электроплитки, раскаленная спираль электрической лампочки.
Свечение материального тела, не вызванное его нагревом, носит название люминесценции.
В качестве примера люминесценции можно выделить неоновую рекламу магазинов в центре города, светящиеся экраны компьютерных мониторов и телевизоров, стрелки часов и цифры лабораторных приборов, северное сияние, ночные волны, лесных светлячков и др.
Изначально феномен люминесценции применялся при изготовлении фосфорных составов, обладающих способностью самостоятельно светиться. Данные краски наносились на приборные шкалы и облегчали работу с ними в темноте.
Официальное признание люминесценции произошло в 1948 году, когда ученый С.И. Вавилов неожиданно обосновал применение данного явления не только в научных целях, но и в быту. Холодное свечение стали использовать в химическом анализе разных веществ, а благодаря специальным покрытиям внутренних поверхностей стеклянных трубок – в массовом производстве экономных ламп дневного света.
Позже С.И. Вавилов сформулировал свое видение люминесценции в следующей редакции: «это избыточное излучение тела, длительностью 10−10 секунд, преобладающее над тепловым излучением».
Сущность представленного канонического определения состоит в том, что яркость материального тела, излучающего холодное свечение существенно выше, нежели яркость абсолютно черного тела в этом же диапазоне спектра при той же температуре.
Специфической особенностью люминесценции выступает возможность проявления данного явления при более низких температурах, что совершенно исключает использование тепловой энергии.
От иных видов нетеплового излучения явление люминесценции отличается длительностью рассеивания и отражения света, считал С.И. Вавилов. По его мнению, данная величина должна быть меньше периода колебаний световой волны, т.е.<10−10 сек.
К специфическим особенностям проявления люминесценции необходимо также отнести несколько утверждений:
а) данный феномен имеет конечную длительность проявления;
б) может проявляться не только в твердых телах, но и в жидкости и газообразном состоянии вещества;
в) не подчиняется законам теплового излучения;
г) данное явление приравнивают к электромагнитному излучению, исходящему от возбужденных мельчайших частиц вещества.
Люминесценцию характеризует ряд показателей, которые используются во время исследований.
К ключевым индикаторам люминесценции относят:
– спектр возбуждения (демонстрирует совокупность волн возбуждения, вызывающих люминесценцию вещества),
– спектр излучения (демонстрирует совокупность всех волн, формирующих поток холодного излучения),
– энергетический выход (показывает отношение энергии потока люминесценции к полученной энергии возбуждения),
– квантовый выход (демонстрирует отношение квантового потока люминесценции к количеству квантов поглощенных веществом в рамках возбуждающего излучения).
На степень проявления люминесценции оказывает влияние несколько ключевых факторов:
1) водно-щелочная среда – более оптимальный вариант для проявления люминесценции, а кислотная среда – снижает степень проявления данного явления;
2) при повышении температуры окружающей среды выше 0°С, проявление люминесценции снижается;
3) на люминесценцию оказывает влияние концентрация люминесцентного покрытия;
4) присутствие сторонних веществ снижает активность явления люминесценции;
5) усиление возбуждающего излучения стимулирует люминесцирующий световой поток.
Процессы, происходящие в веществе на микроскопическом уровне во время люминесценции, подчинены действию научных законов (правил).
К ключевым законам люминесценции относят:
– Стокс и Люммель вводят в действие закономерность смещения спектров поглощения,
– постоянство спектров люминесценции при заданной температуре (обосновал Каши),
– В.Л. Лёвшин обосновывает феномен зеркальной симметрии, который гласит, что по спектру люминесценции можно определить спектр поглощения и наоборот.
На основе проведенных исследований С.И. Вавилову также удалось выявить закономерность постоянства квантового выхода, которая гласит, что энергетический выход люминесценции на начальном этапе усиливается прямо пропорционально длине волны возбуждающих лучей, однако в последующем падает до самого минимума (фактически до нуля).
Механизм проявления люминесценции:
Физическая сущность данного явления заключается в периодических переходах мельчайших частиц вещества из состояния крайнего возбуждения в нормальный режим с выделением холодного излучения. К главным причинам, обуславливающим первоначальное возбуждение мельчайших частиц вещества необходимо отнести: химические реакции, внешнее облучение, температурный фактор.
Если рассматривать технический аспект применения люминесценции, то формами проявления данного феномена является: фосфоресценция и флуоресценция, выступающие, как подвиды фотолюминесценции.
В общепринятом понимании под фотолюминесценцией необходимо понимать свечение материального тела, возникающего под влиянием видимого света и лучей ультрафиолетового спектра.
Под фосфоресценцией в научной среде принято считать длительное послесвечение вещества (время жизни 10−9−10−6 сек.).
Под флуоресценцией понимают свечение, возникающее в результате возбуждения вещества (10−3−10 сек.).
Резкой границы между фосфоресценцией и флуоресценцией на практике нет. Экран телеприемника ярко светиться не только во время его работы, что обусловлено направленным воздействием электронного луча (флуоресценция), но и после выключения телевизора, когда человеческий глаз улавливает слабое послесвечение экрана (фосфоресценция).
Вещества, обладающие уникальным свойством генерировать «холодный свет» без нагрева получили название люминофоров. Чтобы люминофор возбуждался и начинал излучать свет к нему необходимо подводить внешнюю энергию. Наиболее распространенным способом возбуждения люминофоров является воздействие на материальное тело дневным светом или УФ-лучами.
Классификация разновидностей люминесценции, виды люминесценции:
В научной среде данный феномен классифицируют по следующим критериям.
По спектру идентифицируют в рамках:
– видимого потока излучения,
– ультрафиолетового излучения,
– рентгеновского потока излучения,
– инфракрасного потока лучей.
По времени свечения:
– если свечение угасает после пропадания потока возбуждающего излучения, то имеет место флуоресценция. Например, при дневном свете флуоресцируют синим светом кристаллы нафталина.
– если свечение продолжается определенное время после прекращения воздействия энергии возбуждающего действия, то здесь себя проявляет фосфоресценция.
По способу возбуждения:
– феномен люминесценции чаще всего отождествляется с названием фотолюминесценция, поскольку вещество возбуждается видимым светом,
– под влиянием альфа излучения, бета-лучей и гамма-излучения – возникает радиолюминесценция,
– при возбуждении мониторов рентгеновских устройств ионизирующими рентгеновскими лучами возникает явление рентгенолюминесценции,
– под воздействием движущихся электронов проявляет себя явление катодолюминесценции, вызывающее свечение телевизионного экрана,
– под воздействием трения возникает феномен триболюминесценции,
– влияние электрического поля вызывает появления электролюминесценции. Иными словами электрический ток пропускается через определенные типы люминофоров. Поскольку светимость люминофоров такого вида незначительна, то их используют для световой сигнализации (светодиоды, надпись «выход» в концертных залах и залах кинотеатров),
– явление биолюминесценции проявляется в живых организмах и растительности (осиновые гнилушки, светлячки, морские животные). Причиной проявления свечения являются окислительные процессы, идущие в организме. Зачастую процесс окисления происходит с выделением световой энергии. Как правило, интенсивность биолюминесценции в живых организмах регулируется ферментами,
– химические реакции обуславливают активизацию процесса хемилюминесценции,
– процессы кристаллизации вещества инициируют проявление кристаллолюминесценции,
– у твердых материальных тел различают мономолекулярную, метастабильную или рекомбинационную люминесценцию. В первом случае возбуждение и испускание холодного свечения происходит в пределах одной мельчайшей частицы вещества. Во втором случае аналогичный процесс осуществляется на фоне метастабильного состояния. В случае рекомбинационной люминесценции возбуждение и испускание холодного свечения происходит в разных местах материального тела.
По природе вещества, излучающего свечение:
Люминесценция может быть первичной, когда холодное свечение излучает само вещество (витамины А и В) или вторичной, если вещество обработано специальными красителями. Так, клетки крови начинают люминесцировать после обработки плазмы органическими красителями – флюорохромами.
Применение люминесценции:
На сегодняшний день одним из перспективных направлений использования феномена люминесценции выступает люминесцентный анализ. Поскольку спектральный анализ люминесценции демонстрирует внутреннюю структуру материального тела, то это можно использовать в исследованиях количественного и качественного состава химических веществ.
Люминесцентный анализ широко применяется, прежде всего, в медицине для диагностики разных болезней.
Благодаря анализу точно фиксируют границы роста раковой опухоли (онкология), выявляют грибковые заболевания (дерматология), определяют витамины (биохимия), выявляют бактерии туберкулеза (микробиология), диагностируют язвы роговицы (исследование глазных болезней), определяют скорость кровотока (лечение внутренних болезней), делают анализ крови и находят следы токсинов (судебная медицина).
В фармакологии подобный анализ используют для идентификации лекарств и препаратов, обладающих ярко выраженными люминесцентными свойствами.
К другим направлениям использования люминесценции следует отнести:
– изготовление люминесцентных источников света;
– индикация разнообразных излучений;
– применение люминесцентных добавок для выявления неоднородностей и дефектов в металлургии;
– получение декоративных красящих составов;
– изготовление элементов фотолюминесцентных эвакуационных систем.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com,
спектры практическое применение исследование излучение измерение уф цвет квантовый центры выход возбуждение эффект процесс отличие явление интенсивность метод веществ понятие тушение законы люминесценции
кожная ультрафиолетовая химическая люминесценция в природе физика в медицине в криминалистике презентация света лампа определение примеры банкноты алмаза минералов 11 класс доклад воды квантовых точек химия