Luminescentie: types, methoden en toepassingen. Thermisch gestimuleerde luminescentie - wat is dit?

Luminescentie - is de emissie van licht door bepaalde stoffen in betrekkelijk koude toestand. Het verschilt van de straling van gloeilichamen, zoals het verbranden van hout of kolen, een gesmolten ijzer en een draad door een elektrische stroom verwarmd. luminescentie emissie waargenomen:

• in neon en tl-lampen, televisies, radarschermen en doorlichting;
• in organische stoffen zoals luminol of luciferine in vuurvliegjes;
• in bepaalde pigmenten gebruikt in outdoor reclame;
• met bliksem en aurora.

In al deze verschijnselen wordt lichtemissie niet veroorzaakt door het materiaal boven kamertemperatuur, dus het is koud licht genoemd. De praktische waarde van de luminescerende stoffen is hun vermogen om de onzichtbare energievorm zetten in zichtbaar licht.

Bronnen en werkwijze

luminescentie verschijnsel optreedt als gevolg van energie-absorberend materiaal, bijvoorbeeld uit een ultraviolette of röntgenstralen, elektronenstralen, chemische reacties, enz. d. Hierdoor wordt de stof atomen tot een aangeslagen toestand. Aangezien het niet stabiel is, wordt het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke staat, en de geabsorbeerde energie die vrijkomt als licht en / of warmte. Het proces omvat alleen de buitenste elektronen. luminescentie efficiëntie afhankelijk van de omzettingsgraad van excitatie-energie in licht. Het aantal materialen dat er voldoende prestaties voor praktisch gebruik, is relatief klein.

Luminescentie en gloed

luminescentie-excitatie is niet gerelateerd aan de excitatie van atomen. Wanneer hete materialen beginnen te gloeien als gevolg van bollen, hun atomen in een aangeslagen toestand. Hoewel ze trillen zelfs bij kamertemperatuur, is het voldoende dat de straling zich in het verre infrarode spectrale gebied. Met toenemende temperatuur verschuift de frequentie van elektromagnetische straling in het zichtbare gebied. Anderzijds, bij zeer hoge temperaturen die worden opgewekt, bijvoorbeeld in schokbuizen, atomaire botsingen kan zo sterk zijn dat de elektronen van hen gescheiden en recombineren, licht uitzenden. In dit geval, fluorescentie en gloeilampen worden onderscheiden.

Fluorescerende pigmenten en kleurstoffen,

Conventionele pigmenten en kleurstoffen kleur als ze weerspiegelen dat deel van het spectrum dat complementair is geabsorbeerd. Een klein deel van de energie wordt omgezet in warmte, maar een significante emissie optreedt. Indien echter het fluorescerende pigment licht absorbeert in het gebied van een bepaald gebied, kan fotonen, anders reflectie emitteren. Dit gebeurt als gevolg van processen binnen de kleurstof of pigment molecuul, waarbij ultraviolet licht kan worden omgezet in zichtbaar, bijvoorbeeld blauw licht. Dergelijke luminescentie methoden worden gebruikt in outdoor reclame en in waspoeders. In het laatste geval, de "zuiveraar" blijft het weefsel niet alleen de witte reflecteren, maar ook aan ultraviolette straling om te zetten in blauw, geel compenseren en verbeteren witheid.

vroege studies

Hoewel bliksem aurora en dof gloeien van vuurvliegjes en schimmels altijd bekend aan de mens, de eerste luminescentie onderzoek begon met de kunststof, bij Vincenzo Kaskariolo alchemist schoenmaker Bologna (Italië), in 1603 g. Verwarmde mengsel van bariumsulfaat (bariet in de vorm, zwaarspaat) met steenkool. Het na afkoelen poeder, nachtblauw geëmitteerde luminescentie en Kaskariolo gemerkt dat het kan worden hersteld door het onderwerpen van het poeder aan zonlicht. De stof kreeg de naam "lapis solaris" of sunstone, omdat alchemisten hoopte dat het in staat is om onedele metalen in goud te veranderen, het symbool van wat de zon. Afterglow heeft de belangstelling van veel wetenschappers van de periode, het geven van materialen en andere namen, waaronder "fosfor", die "carrier van het licht" betekent veroorzaakt.

Vandaag de naam "fosfor" wordt gebruikt voor het chemische element, terwijl de microkristallijne luminescerende materiaal een fosfor genoemd. "Fosfor" Kaskariolo, blijkbaar, was barium sulfide. De eerste commercieel beschikbare fosfor (1870) werd een "schilderen Balmain" - oplossing van calcium sulfide. In 1866, werd beschreven in de eerste stabiele zinksulfidefosfor of - een van de belangrijkste in de moderne technologie.

Een van de eerste wetenschappelijke studies van de luminescentie, die tot uiting op rottend hout of vlees en vuurvliegjes, werd uitgevoerd in 1672 door het Engels wetenschapper Robert Boyle, die, hoewel hij niet wist over de biochemische oorsprong van dit licht, maar toch zet een aantal van de fundamentele eigenschappen van bioluminescente systemen:

• Glow koud;
• kan worden onderdrukt door chemische middelen zoals alcohol, chloorwaterstofzuur en ammoniak;
• straling vereist toegang tot de lucht.

In de jaren 1885-1887, werd waargenomen dat ruwe extracten van vuurvliegjes West-Indische (Pyrophorus) en clam Foladi bij menging produceren licht.

De eerste effectieve chemiluminescente materialen waren niet-biologische synthetische verbindingen zoals luminol, in 1928 jaar ontdekt.

Chemi- en bioluminescentie

De meeste van de energie die vrijkomt bij de chemische reacties, in het bijzonder oxidatiereacties, de vorm van warmte. In sommige reacties, maar een deel wordt gebruikt om elektronen naar hogere niveaus, en fluorescerende moleculen te exciteren bij de chemiluminescentie (CL). Studies tonen aan dat CL is een universeel fenomeen, maar de luminescentie-intensiteit is zo klein dat het gebruik vereist van detectoren. Er zijn echter een aantal van de verbindingen die levendig CL vertonen. De bekendste van deze is luminol, die na oxidatie met waterstofperoxide een sterke blauwe of blauw-groen licht kan leveren. Andere sterke punten van CL-stoffen - en lucigenine lofin. Ondanks hun helderheid CL, niet allemaal effectief zijn bij het omzetten van chemische energie in licht, dwz. K. Minder dan 1% van de moleculen licht uitzenden. In 1960 werd gevonden dat de esters van oxaalzuur, geoxideerd in watervrije oplosmiddelen bij aanwezigheid van sterk fluorescerende aromatische verbindingen emitteren helder licht met een rendement van 23%.

Bioluminescentie is een speciaal type chemiluminescentie gekatalyseerd door enzymen. De luminescentie output van deze reacties kan oplopen tot 100%, wat betekent dat elk molecuul luciferine reactant binnentreedt emitterende toestand. Alle bekende vandaag bioluminescentiereactie oxidatiereacties optreedt in aanwezigheid van lucht.

thermisch gestimuleerde luminescentie

Thermoluminescence betekent geen warmtestraling maar versterken de lichtuitzendende stoffen, de elektronen die worden opgewekt door warmte. Thermisch gestimuleerde luminescentie waargenomen bij sommige mineralen en vooral in kristal fosforen nadat ze waren opgewonden door licht.

fotoluminescentie

Fotoluminescentie die optreedt onder invloed van elektromagnetische straling invalt op het materiaal kan worden gemaakt in het traject van zichtbaar licht tot ultraviolet tot röntgenstraling en gammastraling. In luminescentie geïnduceerd door fotonen golflengte van uitgezonden licht in hoofdzaak gelijk aan of groter dan de golflengte van de exciterende (m. E. gelijk aan of minder vermogen). Dit verschil in golflengte als gevolg van de transformatie van de inkomende energie in trillingen van atomen of ionen. Soms onder intensief laserbundel uitgezonden licht een kortere golflengte.

Het feit dat de PL kan worden aangeslagen door ultraviolette straling werd ontdekt door de Duitse natuurkundige Johann Ritter in 1801. Hij merkte op dat de lichtgevende gloed fel in het onzichtbare gebied van de paarse deel van het spectrum, en dus opende de UV-straling. De omzetting van UV voor zichtbaar licht is van groot praktisch belang.

Gamma- en röntgenstraling exciteren fosforen en andere kristallijne materialen om de luminescentie toestand door ionisatie werkwijze gevolgd door recombinatie van elektronen en ionen, waarbij luminescentie treedt. Het gebruik ervan is in fluoroscopie gebruikt in radiologie en scintillatietellers. Het laatste record en meet de gammastraling gericht op een schijf bekleed met een fosfor, die in optisch contact staat met het oppervlak van de fotomultiplicator.

triboluminescentie

Wanneer de kristallen van bepaalde stoffen, zoals suikers, gemalen, zichtbare vonk. Hetzelfde wordt waargenomen in vele organische en anorganische stoffen. Al deze vormen van luminescentie gegenereerd door de positieve en negatieve elektrische ladingen. Recente geproduceerd door mechanisch scheidingsvlakken in het kristallisatieproces. Lichtemissie vindt dan plaats door ontladen - hetzij rechtstreeks tussen de delen van de moleculen, hetzij door bekrachtiging van luminescentie van de atmosfeer nabij het afgescheiden oppervlak.

elektroluminescentie

Zoals thermoluminescentie, elektroluminescentie (EL), de term omvat verschillende soorten luminescentie gemeenschappelijk kenmerk is dat licht wordt afgegeven wanneer een gasontlading, vloeistoffen en vaste stoffen. In 1752 vastgesteld Bendzhamin Franklin de luminescentie van bliksem opgewekte elektrische ontlading in de atmosfeer. In 1860 werd de ontladingslamp eerst gedemonstreerd in de Royal Society of London. Ze produceerde een helder wit licht met een hoge spanning ontlading door het kooldioxide bij lage druk. Moderne fluorescentielampen zijn gebaseerd op een combinatie van elektroluminescentie en fotoluminescentie kwikatomen aangeslagen door elektrische ontladingslamp, wordt de ultraviolette straling door deze omgezet in zichtbaar licht door de fosfor.

EL waargenomen bij de elektroden tijdens de elektrolyse als gevolg van recombinatie van ionen (en dus een soort chemiluminescentie). Onder invloed van het elektrische veld in de dunne lagen van zinksulfide luminescente emissie van licht optreedt, die ook wordt aangeduid als elektroluminescentie.

Een groot aantal materialen luminescentie uitstraalt onder invloed van versnelde elektronen - diamant, robijn, kristal fosfor en bepaalde complexe platinazout. De eerste praktische toepassing van cathodoluminescentie - oscilloscoop (1897). Soortgelijke schermen via verbeterde kristallijne fosforen gebruikt in televisies, radar, oscilloscopen en elektronenmicroscopen.

van de radio

Radioactieve elementen kunnen alfadeeltjes (heliumkernen), elektronen en gammastraling (a hoogenergetische elektromagnetische straling) uit te zenden. Straling luminescentie - een gloed enthousiast over de radioactieve stof. Wanneer alfadeeltje bombarderen kristallijne fosfor zichtbaar onder de microscoop kleine trilling. Dit principe gebruikt Engels natuurkundige Ernest Rutherford, bewijzen dat het atoom een centrale kern. Self-lichtgevende verf die wordt gebruikt voor het markeren van horloges en andere instrumenten zijn gebaseerd op de RL. Ze bestaan uit de fosfor en de radioactieve stof, bijvoorbeeld tritium of radium. Indrukwekkende natuurlijke luminescentie - is de aurora borealis: radioactieve processen op de zon uit te stoten in de ruimte grote massa van elektronen en ionen. Toen ze de aanpak van de aarde, de aardmagneetveld leidt hen naar de polen. Gas-discharge processen in de bovenste lagen van de atmosfeer en een bekende aurora.

Luminescentie: fysica van de werkwijze

Emissie van zichtbaar licht (bijv. E. Bij een golflengte van 690 nm en 400 nm) excitatie vereist energie, die wordt bepaald ten minste Einstein wet. Energie (E) gelijk aan de constante van Planck (h), vermenigvuldigd met de lichtfrequentie (ν) of de snelheid in een vacuüm (c), gedeeld door de golflengte (λ): E = hv = hc / λ.

Dus de energie voor de excitatie varieert van 40 kilocalorieën (van rood) tot 60 kcal (voor geel) en 80 calorieën (paarse) per mol stof. Een andere manier van uitdrukken energie - in elektronvolt (1 eV = 1,6 x 10 ^-12 ERG) - 1,8-3,1 eV.

De excitatie-energie overgedragen om elektronen verantwoordelijk voor de luminescentie die sprong van de grond tot een hogere. Deze voorwaarden worden bepaald door de wetten van de kwantummechanica. Verschillende mechanismen excitatie hangt ervan af of het voorkomt in enkele atomen en moleculen, of in combinaties van moleculen in het kristal. Zij worden geïnitieerd door de werking van versnelde deeltjes, zoals elektronen, positieve ionen of fotonen.

Vaak is de excitatie-energie aanzienlijk hoger dan noodzakelijk om een elektron aan straling verhogen. Bijvoorbeeld fosfor luminescentie kristal beeldschermen, kathode elektronen met energieën gemiddelde van 25.000 volt. Toch is de kleur van fluorescentielicht is vrijwel onafhankelijk van de deeltjesenergie. Het wordt beïnvloed door het niveau van de aangeslagen toestand van het kristal energiecentra.

fluorescentielampen

De deeltjes, waardoor luminescentie plaatsvindt - het buitenste elektronen van atomen of moleculen. In fluorescentielampen, zoals kwikatoom wordt aangedreven onder invloed van energie 6,7 eV of meer, het heffen van een van de twee buitenste elektronen tot een hoger niveau. Na zijn terugkeer naar de grondtoestand het verschil in energie wordt uitgezonden ultraviolet licht met een golflengte van 185 nm. De overgang tussen de basis en een ander niveau produceert ultraviolette straling bij 254 nm, die op hun beurt, kunnen andere fosfor genereert zichtbaar licht exciteren.

Deze straling is bijzonder intens lage kwikdampdruk (10 ^-5 atmosfeer) gebruikt in gasontladingslampen met lage druk. Aldus ongeveer 60% van elektronen energie omgezet in een monochromatische UV licht.

Bij hoge druk, de frequentie toeneemt. Spectra niet meer uit een spectrale lijn van 254 nm, en de stralingsenergie wordt verspreid vanuit de spectraallijnen overeenkomen met verschillende elektronische niveaus: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 en 578 nm. Hogedruk kwiklampen worden gebruikt voor verlichting, aangezien de zichtbare 405-546 nm blauwgroen licht, terwijl het omzetten van de straling in het rode licht met behulp van een fosfor als resultaat wordt wit.

Wanneer gasmoleculen worden aangeslagen, de luminescentie-spectra vertonen brede banden; niet alleen elektronen verhoogd tot het niveau hogere energie maar tegelijkertijd aangeslagen vibratie en rotatie beweging van de atomen in het algemeen. Dit komt omdat vibratie en rotatie-energie van de moleculen 10 ^{-2 -4} en 10 van de excitatie energieën die optellen tot meerdere iets andere golflengtecomponenten van een enkele band te definiëren. De grotere moleculen hebben verschillende overlappende stroken, één voor elk type overgang. Straling moleculen in oplossing met voordeel lintvormige dat wordt veroorzaakt door de interactie van een relatief groot aantal aangeslagen moleculen en oplosmiddelmoleculen. In de moleculen, zoals in de bij de luminescentie buitenste elektronen van moleculaire orbitalen bevatten.

Fluorescentie en fosforescentie

Deze termen kunnen onderscheiden worden niet alleen op basis van de duur van de gloed, maar ook op de manier waarop het wordt geproduceerd. Wanneer een elektron opgewekt wordt naar een singlet staat met een verblijftijd van 10 tot ⁸ s, waaruit het gemakkelijk terugkeert naar de grondtoestand, geeft de stof zijn energie uit in de vorm van fluorescentie. Tijdens de overgang verandert de spin niet. De basis en opgewonden staten hebben een soortgelijke veelheid.

Het elektron kan echter worden verhoogd naar een hoger energieniveau (de "opgewonden triplet staat" genoemd) met de inversie van zijn spin. In kwantummechanica zijn overgangen van drievoudsstaten naar singletale verboden, en daarmee is hun leven veel langer. Daarom heeft luminescentie in dit geval veel langere tijd: fosforescentie wordt waargenomen.