Характеристика люминесценции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ (от лат. lumen, родительный падеж luminis -- свет и -escent -- суффикс, означающий слабое действие), свечение, избыточное над тепловым излучением тела и продолжающееся после прекращения возбуждения в течение времени, значительно превышающего период световой волны (по определению С. И. Вавилова). Т. е. люминесценция -- процесс неравновесный и не относится к тепловому равновесному излучению тел. Но люминесценция не относится и к таким практически безынерционным неравновесным процессам, как отражение и рассеяние света, и тормозное излучение. Для наблюдения люминесценции вещество необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, т. е. возбудить. При люминесценции акты возбуждения и излучения света разделены во времени промежуточными процессами, что обусловливает относительно длительное время существования свечения вещества после прекращения возбуждения.

Вещества, способные люминесцировать, называются люминофорами. Неорганические люминофоры часто называют фосфорами, а в том случае, когда они имеют кристаллическую структуру -- кристаллофосфорами.

Виды люминесценции

По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро затухающую люминесценцию) и фосфоресценцию (длительную люминесценцию). Деление это условное, так как нельзя указать строго определенной временной границы: она зависит от временного разрешения регистрирующих приборов.

В зависимости от вида возбуждения люминофора различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), катодолюминесценцию (возбуждение ускоренным потоком электронов), электролюминесценцию (свечение под действием электрического поля), рентгенолюминесценцию (возбуждение рентгеновским излучением), радиолюминесценцию ( возбуждение a- и b-частицами, протонами, осколками ядерного деления), хеми- и биолюминесценцию, при которых излучение света сопровождает химическую реакцию, лиолюминесценцию (возбуждение при растворении кристаллов), кандолюминесценцию (возбуждение при механических воздействиях, например, при разрушении кристаллической решетки).

В зависимости от механизмов элементарных процессов при люминесценции различают резонансную, спонтанную,метастабильную, или вынужденную, и рекомбинационную люминесценции.

Спектры люминесценции

Спектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины волны испускаемого света. Наиболее простые -- атомные спектры, в которых указанная выше зависимость определяется только электронным строением атома. Спектры молекул гораздо более сложные вследствие того, что в молекуле реализуются различные деформационные и валентные колебания. При охлаждении до сверхнизких температур сплошные спектры люминесценции органических соединений, растворенных в определенном растворителе, превращаются в квазилинейчатые. Это явление получило название эффекта Шпольского. Это ведёт к снижению предела обнаружения и повышению избирательности определений, расширению числа элементов, которые можно определять люминесцентным методом анализа.

Принцип Франка -- Кондона

Часть электронной энергии при поглощении и испускании света должна расходоваться на увеличение колебаний структуры, превращаться в тепло. Явление наблюдается в результате резкого изменения градиента электронной энергии около ядер при возбуждении и релаксации.

Правило Стокса -- Ломмеля

Спектр люминесценции, как правило, сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Данное правило принято объяснять потерей некоторой части поглощённой энергии на тепловое движение молекул. Отметим, что существует антистоксовский люминофор излучающий более коротковолновое излучение, чем падающее. Как правило, одно и тоже вещество способно испускать излучение, как в стоксовой, так и в антистоксовой областях спектра, относительно частоты возбуждающего люминесценцию излучения.

Постоянство спектра люминесценции

Независимо от способа возбуждения и длины волны возбуждающего света спектр люминесценции остается неизменным при данной температуре. Данное правило справедливо только в случае использования одной и той же возбуждаемой среды, системы регистрации излучения люминесценции. Множество разрешенных энергетических уровней в атоме/молекуле, а также множество длин волн источников возбуждения люминесценции позволяет для используемой среды получать множество спектров люминесценции в разных областях спектра и не повторяющих друг друга.

Правило зеркальной симметрии Левшина

Спектральные линии испускания и поглощения в координатах частоты являются взаимным зеркальным отражением. Положение оси симметрии показывает энергию чисто электронного перехода. Данным свойством обладают в основном жидкие люминофоры; исследования последних лет показали, что оно может быть справедливо и для сред в иных агрегатных состояниях.

Выход люминесценции

Выход -- одна из важнейших характеристик люминесценции. Выделяют квантовый выход и энергетический выход. Под квантовым выходом понимают величину, показывающую отношение среднего числа излучённых квантов на один поглощённый:

? = Ni / Np,

где:

Ni -- число излучённых квантов,

Np -- число поглощённых квантов.

Вавиловым было показано, что квантовый выход в растворах не зависит от длины волны возбуждающего света. Это связано с огромной скоростью колебательной релаксации, в ходе которой возбуждённая молекула передаёт избыток энергии молекулам растворителя.

Энергетический выход -- отношение энергии излучённых квантов к энергии поглощённых:

где ? -- частота излучения. Энергетический выход с ростом длины волны возбуждающего света сначала растёт пропорционально длине волны возбуждающего её света, затем остается постоянным и после некоторой граничной длины волны резко падает вниз (закон Вавилова).

Тушение люминесценции

Отличие выхода люминесценции от единицы обусловлено т. н. процессами тушения. Различают концентрационное, внутреннее, температурное, внешнее статическое и динамическое тушение.

Внутреннее тушение обусловлено безызлучательными переходами внутренней конверсии и колебательной релаксации. Наиболее ярко оно проявляется в симметричных структурах с большим числом сопряженных связей, конформационно нежёстких структурах.

Температурное тушение является разновидностью внутреннего. Под влиянием температуры способность молекулы деформироваться растёт, и, как следствие, растёт вероятность безызлучательных переходов.

Внешнее статическое тушение основано на взаимодействии люминесцирующего соединения с другой молекулой и образованием неизлучающего продукта.

Динамическое тушение наблюдается, когда возбуждённая молекула люминофора вступает в постороннюю реакцию и теряет свои свойства.

Концентрационное тушение -- результат поглощения молекулами вещества собственного излучения.

люминесценция поляризация излучение фосфоресценция

Применение люминесценции

Спектральный анализ люминесценции является методом исследования полупроводников и диэлектриков. Изучение спектра, кинетики и поляризации излучения люминесценции (поляризация люминесценции связана с ориентацией и мультипольностью излучающих и поглощающих атомных систем) позволяет исследовать спектр энергетического состояния вещества, пространственную структуру молекул, процессы миграции энергии и т. д. Характер спектра излучения кристаллов зависит от очень многих факторов, от типа и концентрации дефектов, температуры, уровня возбуждения, наличия деформаций, электрических и магнитных полей. Все это позволяет использовать спектральный анализ люминесценции в качестве метода исследования кристаллов.

Люминесцирующие вещества являются активной средой лазеров. Катодолюминесценция лежит в основе свечения экранов осциллографов, телевизоров, локаторов. Полупроводниковые светодиоды основаны на явлении электролюминесценции, в рентгеноскопии использую рентгенолюминесценцию. В сцинтилляционных детекторах используется радиолюминесценция - свечение сцинтилляторов под воздействием радиационного облучения, и т. д.

Размещено на Allbest.ru