Luminescence: სახის, მეთოდები და პროგრამები. თერმულად სტიმულირება luminescence - რა არის ეს?

Luminescence არის ნათელი ემისიის ზოგიერთი მასალები შედარებით ცივი სახელმწიფო. იგი განსხვავდება ცხელი სხეულების რადიაციისაგან, მაგალითად, ხის ან ნახშირის წვის, რკინისა და მავთულის დამწვრობისგან, გაცხელებული ელექტრო მიმდინარეობით. ლუმინესცენციის ემისია აღინიშნება:

• ნეონა და ფლუორესცენტულ ნათურებში, ფლუოროსკოპების ტელევიზორები, რადარები და ეკრანები;
• ორგანულ ნივთიერებებში, როგორიცაა ლუმინოლი ან ლუციფერი ცეცხლოვანებში;
• გარე რეკლამებში გამოყენებულ ზოგიერთ პიგმენტში;
• ელვისებური და არორა ბორალისით.

ყველა ამ ფენომენში, სინათლის რადიაცია არ არის შედეგით ოთახის ტემპერატურის მასალის გათბობის შედეგი, ამიტომ მას ცივი სინათლე ეწოდება. ლუმინესცენური მასალის პრაქტიკული ღირებულება იმაში მდგომარეობს, რომ მათი უნარი გამოიხატება უხილავი ფორმების ენერგეტიკის თვალსაჩინო გამოსხივებაში.

წყაროები და პროცესი

სინათლის ფენომენი ხდება ენერგიის შთანთქმის შედეგად, მაგალითად, ულტრაიისფერი ან რენტგენის რადიაციის წყაროდან, ელექტრონომიური სხივების, ქიმიური რეაქციებისგან და სხვა. ეს ხელს უწყობს მატერიის ატომებს აღფრთოვანებულ მდგომარეობაში. მას შემდეგ, რაც არასტაბილურია, მატერიალური ბრუნდება მის თავდაპირველ სახელმწიფოში და შთანთქმული ენერგია გამოდის სინათლისა და / ან სითბოს სახით. პროცესში ჩართულია მხოლოდ გარე ელექტრონები. ლუმინესცენციის ეფექტურობა დამოკიდებულია ამაღლების ენერგიის გარდაქმნის ხარისხზე. პრაქტიკული გამოყენებისათვის საკმარისი ეფექტურობის მქონე მასალების რაოდენობა შედარებით მცირეა.

Luminescence და incandescence

ლუმინესცენციის აღგზნება არ არის ატომების აღგზნებით. როდესაც ცხელი მასალები იწყებენ ბრწყინვალებას incandescence, მათი ატომები არის აღფრთოვანებული სახელმწიფო. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი ოთახის ტემპერატურაზე უკვე ვიბრაციას, ეს საკმარისია, რომ რადიაცია სპექტრის შორეულ ინფრაწითელ რეგიონში ხდება. გაზრდის ტემპერატურა, ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სიხშირე ხილულ რეგიონში გადადის. მეორე მხრივ, ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, რომელიც ქმნის, მაგალითად, შოკის მილებში, ატომების შეჯახება შეიძლება იყოს ისეთი ძლიერი, რომ ელექტრონები გამოყონ მათგან და ხელახლა შეჰყავთ სინათლეზე. ამ შემთხვევაში, luminescence და incandescence გახდეს indistinguishable.

ფლუორესცენციური პიგმენტები და საღებავები

ჩვეულებრივი პიგმენტები და საღებავები ფერისაა, რადგან ისინი ასახავს იმ სპექტრის ნაწილს, რომელიც შეწოვას შეავსებს. ენერგიის მცირე ნაწილი სითბოს გარდაიქმნება, მაგრამ შესამჩნევი რადიაცია არ ხდება. იმ შემთხვევაში, თუ luminescent პიგმენტი შთანთქავს სპექტრი გარკვეულ ნაწილში დღისით, მას შეუძლია გამოიმუშაოს ფოტონები, რომლებიც განსხვავდება აისახება. ეს ხდება პროცესების შედეგად საღებავის მოლეკულაში ან პიგმენტში, რის გამოც ულტრაიისფერი შეიძლება მოქცეული იყოს, მაგალითად, ლურჯი სინათლე. ამგვარი მეთოდები luminescence გამოიყენება გარე რეკლამებსა და სარეცხი ფხვნილებში. უკანასკნელ შემთხვევაში, "გამჭვირვალე" რჩება ქსოვილში არა მარტო თეთრი, არამედ გარდაქმნას ულტრაიისფერი გამოსხივება ლურჯი, კომპენსაცია yellowness და გაძლიერება whiteness.

ადრეული კვლევა

მიუხედავად იმისა, რომ განათება, ჩრდილოეთ განათება და მუწუკების მუწუკი და მუშები ყოველთვის კაცობრიობისთვის იყო ცნობილი, სინთეზური მასალის პირველი შესწავლა იწყებოდა სინთეზური მასალის დროს, როდესაც 1602 წელს ბოლონიის (იტალია) ალქიმიკოსი და შოუეიერი, ბრინუმის სულფატის (ბარიტი, მძიმე spar) ერთად ქვანახშირის. ფხვნილი მიღებული შემდეგ გაგრილების, ღამით emitted bluish Glow და Cascariolo შენიშნა, რომ ეს შეიძლება აღდგეს გამოაშკარავებას ფხვნილი მზის. ნივთიერებას ეწოდა "ლაპიის სოლარი", ან მზის ქვა, რადგან ალქიმიკოსები იმედოვნებდნენ, რომ შეიძლება ლითონებად იქცეს ოქრო, რომლის სიმბოლოა მზე. მას შემდეგ, რაც მრავალი მეცნიერის ინტერესი გამოიწვია მატერიალური და სხვა სახელები, მათ შორის "ფოსფორი", რაც "სინათლის გადამზიდავ" ნიშნავს.

დღეს "ფოსფორის" სახელი გამოიყენება მხოლოდ ქიმიური ელემენტისთვის, ხოლო მიკროკრისტალური ლუმინესცენური მასალები ფოსფორს უწოდებენ. სავარაუდოდ, "ფოსფორის" კასკარი, როგორც ჩანს, ბარიუმის სულფიდი იყო. პირველი კომერციულად ხელმისაწვდომი ფოსფორი (1870) იყო "ბალმენის საღებავი" - კალციუმის სულფიდის ხსნარი. 1866 წელს, თუთიის სულფიდის პირველი სტაბილური ფოსფორი იყო აღწერილი - თანამედროვე ტექნოლოგიაში ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი.

1672 წელს ინგლისური მეცნიერის რობერტ ბაილელის მიერ გამოვლენილი ლომინსცენციის ერთ-ერთი პირველი სამეცნიერო კვლევა, რომელიც გამოითქვა ინგლისური მეცნიერის რობერტ ბოილის მიერ, თუმცა, მიუხედავად იმისა, რომ მან არ იცოდა ამ სინათლის ბიოქიმიური წარმომავლობის შესახებ, ბიოლოგიური სისტემების ზოგიერთი ძირითადი მახასიათებელია:

• დიზელის ცივი;
• შეიძლება ჩახერდეს ქიმიური ნივთიერებები, როგორიცაა ალკოჰოლი, ჰიდროქლორინის მჟავა და ამიაკი;
• რადიაცია მოითხოვს ჰაერის ხელმისაწვდომობას.

1885-1887 წლებში აღინიშნა, რომ დასავლეთის ინდური ცეცხლიდან მოპოვებული ნედლი ექსტრაქტები (ცეცხლოვანი თხრილის დაჭერით) და ფოლტადის მოლიქსებიდან, როდესაც შერეული, სინათლის წარმოქმნას.

პირველი ეფექტური ქიმილიუმინეტური მასალები იყო არა ბიოლოგიური სინთეზური ნაერთები, როგორიცაა ლუმინოლი, რომელიც აღმოაჩინეს 1928 წელს.

Chemi- და bioluminescence

ქიმიური რეაქციების, განსაკუთრებით ჟანგვის რეაქციების გამოთავისუფლებული ენერგიის უმრავლესობა სითბოს ფორმაა. ზოგიერთ რეაქციაში, მისი ნაწილი გამოიყენება მაღალ დონესთან ელექტრონიკის გასახსნელად და ფლუორესცენტურ მოლეკულებში ქიმიური რეზისტენტობის დაწყებამდე (CL). კვლევები აჩვენებს, რომ CL არის უნივერსალური ფენომენი, თუმცა ინტენსივობა luminescence იმდენად მცირეა, რომ ის მოითხოვს მგრძნობიარე დეტექტორების გამოყენებას. არსებობს, თუმცა, ზოგიერთი ნაერთების, რომ დემონსტრირება ნათელი CL. ყველაზე ცნობილი ის არის ლუმინოლი, რომელიც, როდესაც წყალბადის ზეჟანგით იჟანგება, შეუძლია ძლიერი ლურჯი ან ლურჯი მწვანე შუქი. სხვა ძლიერი CL- ნივთიერებებია ლუციგენინი და ლოფინი. მიუხედავად CL- ის სიკაშკაშისა, ყველა მათგანი ეფექტურია ქიმიური ენერგიის გარდაქმნის პროცესში, რადგან მოლეკულების 1% -ზე ნაკლებია სინათლე. 1960-იან წლებში აღმოჩნდა, რომ ოქსიალიზური მჟავა ამსხვრევს უწყლოვან გამხსნელებში მდგრადი ფლუორესციტური არომატული ნაერთების თანდასწრებით, ნათელი შუქის წარმოქმნას 23% -მდე ეფექტურობით.

Bioluminescence არის განსაკუთრებული ტიპი CL catalyzed მიერ ფერმენტების. ამგვარი რეაქციების luminescence სარგებელი 100% -ს მიაღწევს, რაც ნიშნავს, რომ ლუციფერის რეაქციის ყოველი მოლეკულა გადის რადიაციული მდგომარეობაში. ყველა ცნობილი bioluminescent რეაქციები დღეს გადიან ჰაერის არსებობის დროს ჟანგვის რეაქციებით.

თერმულად სტიმულირებული luminescence

თერმომუმინესცენცია არ ნიშნავს იმას, რომ არ არის თერმული გამოსხივება, მაგრამ მასალების სინათლის გამონაბოლქვის გაძლიერება, რომელთა ელექტრონებები სითბოს მიერ აღელვებს. თერმულად სტიმულირებული luminescence აღინიშნება ზოგიერთ წიაღში, განსაკუთრებით კი კრისტალურფაქტორებში, რადგან მათ აღფრთოვანებული აქვთ მსუბუქი.

Photoluminescence

Photoluminescence, რომელიც ხდება ნივთიერების შესახებ ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ინციდენტის შედეგად, ხილული სინათლისგან შესაძლებელია ულტრაიისფერი მეშვეობით რენტგენის და გამა გამოსხივებით. ფოტონებით გამოწვეული luminescence, ემიტირებული სინათლის ტალღის სიგრძე, როგორც წესი, ამაღელვებელი (ანუ ტოლი ან ნაკლები) ტალღის სიგრძის ტოლი ან მეტი. ეს განსხვავება ტალღის სიგრძეში არის შემომავალი ენერგიის ტრანსფორმაცია ატომებისა და იონების ვიბრაციად. ზოგჯერ, ლაზერის სხივის ინტენსიური ზემოქმედებით, ემიტირებული სინათლე შეიძლება ჰქონდეს მოკლე ტალღის სიგრძე.

ის ფაქტი, რომ PL შეიძლება იყოს აღფრთოვანებული ულტრაიისფერი გამოსხივება გერმანიის ფიზიკოსი იოჰან რიტერის მიერ 1801 წელს აღმოაჩინა. მან შენიშნა, რომ ფოსფორი უხილავი რეგიონის უხილავი რეგიონის სიკაშკაშე ნაწილში და ამით UV გამოსხივება აღმოაჩნდა. UV- ს ხილული სინათლის ტრანსფორმაცია დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობისაა.

გამა და X- სხივები გადიან კრისტალური ფოსფორით და სხვა მასალებს ionization პროცესით, რომელიც იწვევს ელექტრონებისა და იონების რეკომბინაციას, რის შედეგადაც luminescence ხდება. იგი იყენებს ფლუოროსკოპებში გამოყენებას რენტგენოლოგიური დიაგნოსტიკისა და მწვავე მრიცხველების გამოყენებით. ამ უკანასკნელმა გამოაქვეყნოს და გაზომოს გამა-გამოსხივება, რომელიც მიმართულია ფოსფორისგან დაფარული დისკით, რომელიც ოპტიკურ კავშირშია photomultiplier- ის ზედაპირზე.

ტრიბოლუმინესცენცია

როდესაც ზოგიერთი ნივთიერებების კრისტალები, მაგალითად შაქარი, გაანადგურეს, ნაპერწკალი ჩანს. იგივე შეინიშნება ბევრ ორგანულ და არაორგანულ ნივთიერებებში. ყველა ამ ტიპის luminescence გენერირდება დადებითი და უარყოფითი ელექტრო ბრალდებით. ეს უკანასკნელი წარმოებულია ზედაპირების მექანიკური გამოყოფით და კრისტალიზაციის პროცესში. სინათლის რადიაცია შემდეგ ხდება გამონადენი - პირდაპირ, მოლეკულების ფრაგმენტებს შორის, ან გამოყოფილი ზედაპირის მახლობლად ატმოსფეროს ლუმინესცენციის აღგზნებით.

ელექტროლუმინიცინება

თერმოლუმინესცენციის მსგავსად, ტერმინი ელექტროლუმინესცენცია (EL) შეიცავს სხვადასხვა სახის luminescence- ს, რომელთა საერთო მახასიათებელია ის, რომ სინათლე გამოიყოფა გაზის, სითხისა და მყარი ნივთიერებების გამოყოფის შედეგად. 1752 წელს, ბენჟამინ ფრანკლინმა დაამტკიცა განათების განათება, რომელიც გამოწვეული იყო ელექტროგანმა ატმოსფეროში. 1860 წელს, ლონდონის სამეფო საზოგადოების პირველი შემთხვევა გამოვლინდა. წარმოებული იყო ნათელი თეთრი სინათლე, როდესაც მაღალი ძაბვა გაჟღენთილი იყო ნახშირორჟანგის მეშვეობით დაბალი წნევით. თანამედროვე ფლუორესცენტული ნათურები ეფუძნება ელექტროლუმინესცენციისა და photoluminescence- ის კომბინაციას: მჟავას ატომები ნათურაში გააქტიურებულია ელექტრული გამონადენით, მათ მიერ წარმოქმნილი ულტრაიისფერი გამოსხივება ხორციელდება ფოსფორის საშუალებით.

ელექტროლიზის დროს ელექტროლიზებში შეინიშნება EL- ი იონის რეკორბინაციის გამო (აქედან გამომდინარე, ეს არის ქიმიუმუმინესცენციის ტიპი). ელექტრული ველის ზემოქმედებით, luminescent თუთიის სულფიდის სინათლის ფენებში, სინათლე ემიტირებულია, რომელსაც ელექტროლიუმინესცენცია ეწოდება.

მასალების დიდი რაოდენობა აჩქარებს ელექტროლიტების გავლენის ქვეშ - ბრილიანტი, რუბი, კრისტალური ფოსფორისა და კომპლექსური პლატინის მარილები. კათოდოლუმინესცენციის პირველი პრაქტიკული გამოყენება არის ოსსილოკოპი (1897). მსგავსი ეკრანები გაუმჯობესებული კრისტალური ფოსფორით იყენებენ ტელევიზორებს, რადარს, ოსილოზკოპებსა და ელექტრონულ მიკროსკოპებს.

Radioluminescence

რადიოაქტიური ელემენტები შეიძლება ალფა ნაწილაკების (ჰელიუმის ბირთვების), ელექტრონებისა და გამა სხივების (მაღალი ენერგეტიკული ელექტრომაგნიტური გამოსხივების) გამოშვება. რადიაციული luminescence არის luminescence აღფრთოვანებული რადიოაქტიური ნივთიერება. როდესაც ალფა ნაწილაკები კრისტალური ფოსფორისგან დაბომბულია, მიკროსკოპით ჩანს პატარა ციმციმი. ეს პრინციპი გამოყენებული იყო ინგლისელი ფიზიკოსი ერნესტ რუტერფორდის დასამტკიცებლად, რომ ატომს აქვს ცენტრალური ბირთვი. თვითმმართველობის luminous საღებავები, რომელიც გამოიყენება მარკირების საათები და სხვა ინსტრუმენტები, მოქმედებს საფუძველზე რადარი. ისინი შედგება ფოსფორი და რადიოაქტიური ნივთიერება, მაგალითად ტრიციუმი ან რადიუმი. შთამბეჭდავი ბუნებრივი luminescence არის ჩრდილოეთ lights: რადიოაქტიური პროცესების მზე სახიფათოა უზარმაზარი მასა ელექტრონები და იონების სივრცეში. დედამიწის მიახლოებისას, მისი გეომეტრიული ველი პოლუსებს ხელმძღვანელობს. ატმოსფეროს ზედა ფენებში გამტარუნარიანობის პროცესი ქმნის ცნობილ პოლარულ განათებას.

Luminescence: პროცესის ფიზიკა

ხილული სინათლის ემისიას (ანუ 690 ნმსა და 400 ნმ-ს შორის ტალღის სიგრძე) მოითხოვს აღმგზნებელ ენერგიას, მინიმუმს, რომელიც განსაზღვრავს აინშტაინის კანონს. ენერგია (E) ტოლია პლანკის მუდმივი (თ) გამრავლებული სინათლის სიხშირით (ν) ან მისი სიჩქარე ტალღის სიგრძით (λ) გაყოფილი ვაკუუმის (λ): E = hn = hc / λ.

აქედან გამომდინარე, ენერგეტიკისთვის აუცილებელი ენერგია 40 კილოგრამზე (წითელი) 60 კკალამდე (ყვითელი) და 80 კილოგრამი (იისფერი) ნივთიერების თითო მოლით. ენერგიის გამოხატვის კიდევ ერთი გზა ელექტრონულ-ვოლტებზე (1 eV = 1.6 × 10 ^-12 ergs) - 1.8 to 3.1 eV.

გამაღიზიანებელი ენერგია გადაეცემა luminescence- ის პასუხისმგებელ ელექტრონებს, რომლებიც თავიანთ ძირითად ენერგეტიკულ დონეებს მაღალს გადადიან. ეს სახელმწიფოები განისაზღვრება კვანტური მექანიკის კანონებით. აღგზრის სხვა მექანიზმები დამოკიდებულია იმაზე, არის თუ არა ეს ატომებითა და მოლეკულებით, მოლეკულების ან ბროლის კომბინაციაში. ისინი ინიცირებული არიან დაჩქარებული ნაწილაკების, როგორიცაა ელექტრონები, დადებითი იონების ან ფოტონები.

ექსტრემალური ენერგიების გაცილებით უფრო მაღალია, ვიდრე საჭიროა ელექტრონის გაზრდა რადიაციის დონეზე. მაგალითად, სატელევიზიო ეკრანებზე ფოსფორის კრისტალების ბრწყინვალება წარმოებულია კათოდური ელექტრონების მიერ საშუალოდ 25,000 ელექტრონულ ვოლტებთან ერთად. მიუხედავად ამისა, ფლუორესცენტური სინათლის ფერი თითქმის დამოუკიდებელია ნაწილაკების ენერგიაზე. ის ზეგავლენას ახდენს კრისტალური ცენტრების ენერგეტიკის აღმატებულ მდგომარეობაში.

ფლუორესცენტური ნათურები

ნაწილაკები, რის გამოც luminescence ჩნდება, არის ატომებისა და მოლეკულების გარე ელექტრონები. ფლუორესცენტულ ნათურებში, მაგალითად, მერკური ატომი აღინიშნება ენერგიის გავლენის ქვეშ 6.7 eV ან მეტი, ამაღლება ერთი ორი გარე ელექტრონები მაღალ დონეზე. მიწის მდგომარეობის დაბრუნების შემდეგ, ენერგეტიკის განსხვავება ულტრაიისფერი შუქის სახით გამოსხივდება 185 ნმ სიღრმეზე. სხვა დონისა და ბაზის გადასვლისას ულტრაიისფერი გამოსხივება 254 ნმ-ზეა, რაც, თავის მხრივ, ხელს უწყობს სხვა ლუმინოფორებს, რომლებიც ქმნიან ხილულ სინათლეს.

ეს რადიაცია განსაკუთრებით ინტენსიურია დაბალი მერკური ორთქლის ზეგავლენით (10 ^-5 ატმოსფერო), რომელიც გამოიყენება დაბალი წნევის გამონაბოლქვის ნათურებით . ამრიგად, ელექტრონული ენერგიის 60% მონოქრომატული UV სინათლისაა.

მაღალი ზეწოლისას სიხშირე იზრდება. სპექტრა აღარ შედგება 254 ნმ ერთჯერადი სპექტრალური ხაზით, ხოლო რადიაციული ენერგია ვრცელდება სხვადასხვა ელექტრონულ დონეზე: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 და 578 ნმ. მაღალი წნევით მერკური ნათურები გამოიყენება განათებისთვის, ვინაიდან 405-546 ნმ შეესაბამება ხილული ცისფერ-მწვანე შუქას, ხოლო რადიაციის ნაწილი წითელ განათებად გარდაიქმნება ფოსფორის დახმარებით, შედეგი თეთრია.

როდესაც გაზის მოლეკულები აღფრთოვანებულია, მათი luminescence spectra აჩვენებს ფართო ჯგუფებს; არა მხოლოდ ელექტრონები უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე, არამედ ზოგადად ატომების ვიბრაციული და ბრუნვის მოძრაობებს აღელვებს. ეს იმიტომ, რომ მოლეკულების ვიბრაციული და ბრუნვადი ენერგია გარდამავალი ენერგიებიდან 10 ^-2 და 10 ^-4ა , რომლებიც გაერთიანდებიან ოდნავ განსხვავებულ ტალღებს, რომლებიც ერთ ჯგუფს ქმნიან. უფრო დიდი მოლეკულებით, არსებობს რამდენიმე გადახურვის შემსრულებლები, თითოეული გადასვლისთვის. მოლეკულების გამოსხივების გამოსხივება უპირატესად ლენტია, რომელიც გამოწვეულია მოლეკულების მოლეკულების შედარებით დიდი რაოდენობით მოლეკულების ურთიერთქმედებით. მოლეკულაში, როგორც ატომებში, მოლეკულური ორბიულების გარე ელექტრონები მონაწილეობენ luminescence.

ფლუორესცენტსა და ფოსფორესცენციას

ამ თვალსაზრისით შეიძლება გამოირჩევა არა მხოლოდ საფუძველზე ხანგრძლივობა ლუმინესცენციური, არამედ მისი მეთოდი წარმოების. როდესაც ელექტრონული აღელვებს სინგლეტს სახელმწიფო ვადა მასში 10 ^-8 s, რომელიც მას შეუძლია ადვილად დაბრუნდეს ადგილზე, ნივთიერება ასხივებს მისი ენერგია, როგორც fluorescence. გარდამავალ პერიოდში, spin არ იცვლება. ძირითადი და აღფრთოვანებული ქვეყანას აქვს მსგავსი სიმრავლით.

Electron, თუმცა, შეიძლება გაიზარდოს უმაღლესი ენერგეტიკული დონე (ე.წ. "აღფრთოვანებული ტრიპლეტი სახელმწიფო") თავის თავში მკურნალობა. კვანტურ მექანიკაში, გადასვლები საწყისი ტრიპლეტი სახელმწიფოს singlet აკრძალულია, და, შესაბამისად, იმ დროს მათი ცხოვრება ბევრად უფრო. აქედან გამომდინარე, luminescence ამ შემთხვევაში ბევრად უფრო გრძელვადიანი: არ phosphorescence.