Luminescence: tipologie, metodi e applicazioni. Termicamente luminescenza stimolata – che cosa è questo?

Luminescenza – è l'emissione di luce da alcuni materiali in uno stato relativamente freddo. Essa differisce dalla radiazione di corpi incandescenti, come legna o carbone, un ferro fuso e un filo riscaldato da una corrente elettrica. emissione di luminescenza si osserva:

• in lampade al neon e fluorescenti, televisori, schermi radar e fluoroscopes;
• di sostanze organiche come luminol o luciferina in lucciole;
• in alcuni pigmenti utilizzati nella pubblicità esterna;
• con fulmini e aurora.

In tutti questi fenomeni emissione di luce non è causato dal riscaldamento del materiale sopra della temperatura ambiente, così è chiamato luce fredda. Il valore pratico dei materiali luminescenti è la loro capacità di trasformare la forma invisibile di energia in luce visibile.

Fonti e processo

fenomeno luminescenza si verifica a causa di materiale di assorbimento di energia, ad esempio, da una sorgente di raggi ultravioletti o raggi X, fasci di elettroni, reazioni chimiche, e così via. d. Ciò comporta atomi sostanza in uno stato eccitato. Poiché è instabile, il materiale ritorna al suo stato originale, e l'energia assorbita viene rilasciato come luce e / o calore. Il processo coinvolge solo gli elettroni esterni. efficienza di luminescenza dipende dal grado di conversione dell'energia di eccitazione in luce. Il numero di materiali che hanno prestazioni sufficienti per l'uso pratico, è relativamente piccolo.

Luminescenza e ad incandescenza

luminescenza eccitazione non è legato alla eccitazione degli atomi. Quando materiali caldi cominciano a brillare come risultato delle lampadine, loro atomi sono in uno stato eccitato. Sebbene vibrano anche a temperatura ambiente, è sufficiente che la radiazione è verificato nella regione spettrale lontano infrarosso. Con l'aumentare della temperatura sposta la frequenza della radiazione elettromagnetica nella regione del visibile. D'altra parte, ad altissime temperature che si generano, ad esempio, in tubi d'urto, collisioni atomiche possono essere così forte che gli elettroni vengono separati da loro e ricombinano ad emissione. In questo caso, luminescenza e incandescenza diventano indistinguibili.

pigmenti fluorescenti e coloranti

pigmenti e coloranti convenzionali hanno colore riflettono quella parte dello spettro che è complementare assorbita. Una piccola parte dell'energia viene convertita in calore, ma avviene un'emissione significativa. Se, tuttavia, il pigmento fluorescente assorbe la luce nella gamma di un particolare, esso può emettere fotoni, differenti dalla riflessione. Questo si verifica a causa di processi all'interno della molecola di colorante o pigmento, per cui la luce ultravioletta può essere convertito in visibile, per esempio, luce blu. Tali metodi di luminescenza sono utilizzati in pubblicità esterna e detersivi. In quest'ultimo caso, il "chiarificatore" rimane nel tessuto non solo per riflettere il bianco, ma anche per convertire la radiazione ultravioletta in blu, giallo di compensare e migliorare bianchezza.

primi studi

Sebbene aurora fulmini e bagliore opaco di lucciole e funghi sono sempre stati noti per l'umanità, i primi studi luminescenza iniziato con il materiale sintetico, quando Vincenzo Kaskariolo alchimista e calzolaio di Bologna (Italia), nel 1603 g. Miscela riscaldata di solfato di bario (barite nella forma, spato pesante) con carbone. La polvere ottenuta dopo raffreddamento, blu notte luminescenza emessa, e Kaskariolo notato che può essere ripristinato sottoponendo la polvere ai raggi solari. La sostanza è stata denominata "lapis Solaris" o Sunstone, perché alchimisti speravano che è in grado di trasformare i metalli vili in oro, il cui simbolo è il sole. Afterglow ha provocato l'interesse di molti scienziati del periodo, dando materiali e altri nomi, tra cui "fosforo", che significa "portatore di luce".

Oggi il nome "fosforo" viene utilizzato solo per l'elemento chimico, mentre il materiale microcristallino luminescente chiamato un fosforo. "Fosforo" Kaskariolo, a quanto pare, era solfuro di bario. Il primo fosforo disponibile in commercio (1870) è diventato un "dipingere Balmain" – la soluzione di solfuro di calcio. Nel 1866, è stato descritto nella prima fosforo stabile solfuro di zinco di – uno dei più importanti della tecnologia moderna.

Uno dei primi studi scientifici della luminescenza, che si manifesta in legno marcio o carne e lucciole, è stato eseguito nel 1672 dallo scienziato inglese Robert Boyle, che, anche se non sapeva circa l'origine biochimica di questa luce, ancora impostata alcune delle proprietà fondamentali dei sistemi bioluminescenti:

• Glow freddo;
• può essere soppressa da agenti chimici quali alcol, acido cloridrico e ammoniaca;
• radiazioni richiede l'accesso all'aria.

Negli anni 1885-1887, è stato osservato che estratti grezzi da lucciole West Indian (Pyrophorus) e vongole Foladi se mescolato luce prodotti.

Materie prime chemiluminescenti efficaci sono composti sintetici non biologici come luminol, scoperto nel 1928 anno.

Chemi e bioluminescenza

La maggior parte dell'energia rilasciata nelle reazioni chimiche, in particolare reazioni di ossidazione, ha la forma di calore. In alcune reazioni, ma una porzione utilizzato per eccitare gli elettroni a livelli più elevati, e nelle molecole fluorescenti prima della chemiluminescenza (CL). Gli studi dimostrano che il CL è un fenomeno universale, ma l'intensità di luminescenza è così piccolo che richiede l'uso di rilevatori sensibili. Vi sono, tuttavia, alcuni dei composti che presentano vivido CL. Il più noto di questi è luminol, che per ossidazione con perossido di idrogeno può produrre una forte luce blu o blu-verde. Altri punti di forza di CL-sostanze – e Lofin lucigenina. Nonostante la loro luminosità CL, non tutti sono efficaci a convertire l'energia chimica in luce, cioè. K. Meno dell'1% delle molecole emettono luce. Nel 1960 è stato trovato che gli esteri dell'acido ossalico, ossidati in solventi anidri in presenza di composti aromatici altamente fluorescenti emettono luce brillante con un'efficienza del 23%.

La bioluminescenza è un particolare tipo di chemiluminescenza catalizzata da enzimi. L'uscita luminescenza di queste reazioni può raggiungere il 100%, il che significa che ogni molecola di luciferina reagente entra stato emettitori. Tutti noti reazione bioluminescente oggi catalizzata reazioni di ossidazione che avvengono in presenza di aria.

luminescenza termicamente stimolata

Thermoluminescence significa nessuna radiazione termica ma rafforzare i materiali di emissione luminosa, gli elettroni che vengono eccitati dal calore. Termicamente stimolato luminescenza osservato in alcuni minerali e soprattutto in fosfori cristallo dopo che erano stati eccitati dalla luce.

fotoluminescenza

Fotoluminescenza che avviene sotto l'azione della radiazione elettromagnetica incidente sul materiale, può essere fatta nel campo della luce visibile attraverso l'ultravioletto a raggi X e della radiazione gamma. In luminescenza, indotta da fotoni, lunghezza d'onda della luce emessa è generalmente pari o maggiore della lunghezza d'onda del eccitante (m. E. Uguale o meno potenza). Questa differenza di lunghezza d'onda causata dalla trasformazione dell'energia entrante in vibrazioni di atomi o ioni. A volte, con il fascio laser intenso, luce emessa può avere una lunghezza d'onda più corta.

Il fatto che il PL può essere eccitato da radiazione ultravioletta, è stato scoperto dal fisico tedesco Johann Ritter nel 1801, notò che i fosfori bagliore luminoso nella regione invisibile della parte viola dello spettro, e in tal modo ha aperto la radiazione UV. La conversione di UV in luce visibile è di grande importanza pratica.

Gamma e raggi X eccita i fosfori, e altri materiali cristallini allo stato luminescenza tramite il processo di ionizzazione seguita dalla ricombinazione di elettroni e ioni, per cui si verifica luminescenza. L'uso di esso è in fluoroscopia usato in radiologia, e contatori a scintillazione. L'ultimo record e misurare la radiazione gamma diretto su un disco rivestito con un fosforo, che è in contatto con la superficie ottica del fotomoltiplicatore.

triboluminescence

Quando i cristalli di alcune sostanze, come zuccheri, tritato, scintilla visibile. Lo stesso si osserva in molte sostanze organiche e inorganiche. Tutti questi tipi di luminescenza generati dalle cariche elettriche positive e negative. Recenti prodotta da superfici di separazione meccanica del processo di cristallizzazione. emissione di luce avviene poi scaricando – direttamente tra le porzioni delle molecole, sia attraverso l'eccitazione della luminescenza dell'atmosfera vicino alla superficie separata.

elettroluminescenza

Come termoluminescenza, elettroluminescenza (EL), il termine comprende vari tipi di luminescenza caratteristica comune dei quali è che la luce viene emessa quando una scarica elettrica in gas, liquidi e materiali solidi. Nel 1752 Bendzhamin Franklin stabilita la luminescenza di scarica elettrica fulmine indotto attraverso l'atmosfera. Nel 1860, la lampada a scarica è stato dimostrato nel Royal Society di Londra. Ha prodotto una luce bianca con una scarica ad alta tensione attraverso l'anidride carbonica a bassa pressione. lampade fluorescenti moderne sono basate su una combinazione di elettroluminescenza e fotoluminescenza mercurio atomi eccitati dalla lampada a scarica elettrica, la radiazione ultravioletta emessa da esse viene convertita in luce visibile con fosforo.

EL osservata elettrodi durante l'elettrolisi a causa di ricombinazione di ioni (e quindi una sorta di chemiluminescenza). Sotto l'influenza del campo elettrico negli strati sottili di zinco luminescente emissione solfuro di luce si verifica, che è anche indicato come elettroluminescenza.

Un gran numero di materiali emette luminescenza sotto l'influenza di elettroni accelerati – diamante, rubino, fosforo cristallo e certa sale platino complesso. La prima applicazione pratica della catodoluminescenza – Oscilloscope (1897). schermi simili utilizzando migliorate fosfori cristallini sono utilizzati nei televisori, radar, oscilloscopi e microscopi elettronici.

della radio

elementi radioattivi possono emettere particelle alfa (nuclei di elio), elettroni e raggi gamma (una radiazione elettromagnetica ad alta energia). Radiazione luminescenza – un bagliore eccitati dalla sostanza radioattiva. Quando particella alfa bombarda fosforo cristallino, visibili al microscopio piccolo sfarfallio. Questo principio usando fisico inglese Ernest Rutherford, per dimostrare che l'atomo ha un nucleo centrale. vernice auto-luminoso utilizzato per la marcatura orologi e altri strumenti si basano sulla RL. Sono costituiti da fosforo e la sostanza radioattiva, per esempio trizio o radio. Impressionante luminescenza naturale – è l'aurora boreale: processi radioattivi sul sole emettono nello spazio enormi masse di elettroni e ioni. Quando si avvicinano alla Terra, il suo campo magnetico terrestre li dirige verso i poli. I processi a scarica di gas negli strati superiori dell'atmosfera e creano un famoso aurora.

Luminescenza: fisica del processo

Emissione di luce visibile (cioè. E. Con lunghezze d'onda tra 690 nm e 400 nm) di eccitazione richiede energia, che viene determinato almeno legge Einstein. Energia (E) è uguale alla costante di Planck (h), moltiplicata per la frequenza della luce (ν) o la sua velocità nel vuoto (c), diviso per la lunghezza d'onda (λ): E = hv = hc / λ.

Pertanto, l'energia necessaria per l'eccitazione varia da 40 kilocalorie (per rosso) a 60 kcal (per giallo), e 80 calorie (al viola) per mole di sostanza. Un altro modo per esprimere energia – in elettronvolt (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) – dal 1.8 a 3.1 eV.

L'energia di eccitazione viene trasferita agli elettroni responsabili della luminescenza che saltano dal livello del terreno a una superiore. Queste condizioni sono determinati dalle leggi della meccanica quantistica. Vari meccanismi di eccitazione dipende dal fatto che si verifica in singoli atomi e molecole, o in combinazioni di molecole nel cristallo. Essi vengono avviate dall'azione di particelle accelerate, come gli elettroni, ioni positivi o fotoni.

Spesso, l'energia di eccitazione è significativamente superiore a quella richiesta per sollevare un elettrone alla radiazione. Ad esempio, gli schermi televisivi cristallo fosforo luminescenza, elettroni catodo prodotte con energie medie di 25.000 volt. Tuttavia, il colore della luce fluorescente è quasi indipendente dalla energia delle particelle. È influenzato dal livello dello stato eccitato dei centri di energia cristallo.

lampade fluorescenti

Le particelle, a causa della quale si verifica luminescenza – questo elettroni esterni degli atomi o molecole. In lampade fluorescenti, come il mercurio atomo è guidato sotto l'influenza di energia 6,7 eV o più, sollevando uno dei due elettroni esterni ad un livello superiore. Dopo il suo ritorno allo stato fondamentale la differenza di energia viene emessa come luce ultravioletta con lunghezza d'onda di 185 nm. La transizione tra la base e un altro livello produce radiazione ultravioletta a 254 nm, che a sua volta, può eccitare altri fosforo generare luce visibile.

Questa radiazione è particolarmente intensa a bassa tensione di vapore di mercurio (10 ^-5 atmosfera) usato in lampade a scarica di gas a bassa pressione. Quindi circa il 60% dell'energia di elettroni viene convertita in una luce UV monocromatica.

Ad alta pressione, la frequenza aumenta. Spectra consiste non più di una riga spettrale di 254 nm, e l'energia di radiazione è distribuita dalle linee spettrali corrispondenti a diversi livelli elettronici: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 e 578 nm. lampade al mercurio ad alta pressione sono utilizzati per l'illuminazione, poiché il 405-546 nm luce blu-verde visibile, trasformando parte della radiazione nella luce rossa con un fosforo di conseguenza diventa bianco.

Quando le molecole di gas sono eccitati, i loro spettri di luminescenza mostrano ampie bande; non solo elettroni sono aumentati fino ai livelli superiori di energia ma simultaneamente eccitati movimento rotazionale e vibrazionale degli atomi nel complesso. Questo perché l'energia vibrazionale e rotazionale delle molecole sono 10 ^-2 e 10 ^-4 delle energie di transizione, che si sommano a definire una pluralità di leggermente diverse componenti di lunghezza d'onda di una singola banda. Le molecole più grandi hanno più strisce sovrapposte, una per ogni tipo di transizione. molecole di radiazione in soluzione vantaggiosamente nastriforme che ha causato dall'interazione di un numero relativamente elevato di molecole eccitate e molecole di solvente. Nelle molecole, come negli atomi coinvolti nelle luminescenza elettroni esterni degli orbitali molecolari.

Fluorescenza e fosforescenza

Questi termini possono essere distinti non solo in base alla durata della luminescenza, ma anche dal suo processo di produzione. Quando un elettrone viene eccitato ad uno stato di singoletto di ruolo ivi 10 ^-8 s, da cui può facilmente ritornare al suolo, la sostanza emette la sua energia di fluorescenza. Durante la transizione, lo spin non cambia. stati di base ed eccitati hanno una molteplicità simile.

Electron, tuttavia, può essere portato a un livello energetico superiore (chiamato "un eccitato tripletta Stato") con la sua schiena. In meccanica quantistica, le transizioni di stato di tripletto al singoletto proibito, e quindi, il tempo della loro vita molto più. Pertanto, la luminescenza in questo caso è molto più a lungo termine: c'è fosforescenza.