Luminecencia: tipos, métodos e aplicacións. Térmicamente luminecencia estimulada - o que é iso?

A luminescencia é a emisión de luz por determinados materiais nun estado relativamente frío. Distínguese da radiación dos corpos quentes, por exemplo a combustión de madeira ou o carbón, o ferro fundido e o fío, que quenta a corrente eléctrica. Se observa emisión de luminiscencia:

• En lámpadas neon e fluorescentes, televisores, radares e pantallas de fluoroscopios;
• En sustancias orgánicas, como o luminol ou a luciferina nas luciérnagas;
• Nalgúns pigmentos utilizados na publicidade exterior;
• Con raios e aurora boreal.

En todos estes fenómenos, a radiación lumínica non é o resultado de quentar o material por encima da temperatura ambiente, polo que se chama luz fría. O valor práctico dos materiais luminiscentes radica na súa capacidade para transformar as formas invisibles de enerxía en radiacións visibles.

Fontes e proceso

O fenómeno da luminescencia ocorre como resultado da absorción de enerxía polo material, por exemplo, a partir dunha fonte de radiación ultravioleta ou de raios X, feixes de electróns, reaccións químicas, etc. Isto leva os átomos da materia a un estado excitado. Dado que é inestable, o material volve ao seu estado orixinal, ea enerxía absorbida libérase en forma de luz e / ou calor. Só os electróns externos están implicados no proceso. A eficacia da luminiscencia depende do grao de conversión da enerxía de excitación á luz. A cantidade de materiais con eficiencia suficiente para o seu uso práctico é relativamente pequena.

Luminescencia e incandescencia

A excitación da luminiscencia non se debe á excitación dos átomos. Cando os materiais quentes comezan a brillar como resultado da incandescencia, os seus átomos están en estado excitado. Aínda que vibran xa a temperatura ambiente, isto é suficiente para que a radiación se produza na rexión do infravermello afastado do espectro. Coa temperatura crecente, a frecuencia da radiación electromagnética cambia cara á rexión visible. Por outra banda, a temperaturas moi elevadas, que se crean, por exemplo, en tubos de choque, as colisións de átomos poden ser tan fortes que os electróns sepáranse e recombina, emitindo luz. Neste caso, a luminiscencia ea incandescencia fanse indistinguibles.

Pigmentos fluorescentes e colorantes

Os pigmentos e tinturas convencionais teñen cor, xa que reflicten esa parte do espectro que é complementaria á absorbida. Unha pequena parte da enerxía convértese en calor, pero non se produce unha radiación notábel. Se, con todo, o pigmento luminiscente absorbe a luz do día nunha determinada porción do espectro, pode emitir fotóns que son diferentes dos reflectidos. Isto ocorre como resultado dos procesos dentro da molécula de colorante ou pigmento, debido a que o ultravioleta pode converterse en visible, por exemplo, a luz azul. Estes métodos de luminiscencia úsanse na publicidade ao aire libre e na lavado en po. Neste último caso, o "clarificador" permanece no tecido non só para reflectir o branco, senón tamén para converter a radiación ultravioleta en azul, compensando a claridade e aumentando a brancura.

Investigación precoz

Aínda que o lóstrego, as luces do norte e a escuridade das luciérnagas e os cogomelos sempre eran coñecidos pola humanidade, os primeiros estudos de luminiscencia comezaron con material sintético, cando en 1603 Vincenzo Cascariolo, un alquimista e zapateiro de Bolonia (Italia), quentou unha mestura de sulfato de bario (barita, Basto pesado) con carbón. O po obtido despois do arrefriamento, pola noite emitiu un resplandor azulado, e Cascariolo notou que pode ser restaurado ao expón o po á luz solar. A sustancia foi chamada "lapis solaris", ou unha pedra de sol, porque os alquimistas esperaban que puidese converter os metais en ouro, cuxo símbolo é o sol. O resplandor espertou o interese de moitos científicos do período que deron o material e outros nomes, incluíndo "fósforo", que significa "portador da luz".

Hoxe o nome "fósforo" úsase só para un elemento químico, mentres que os materiais luminiscentes microcristalinos chámanse fósforo. "Fósforo" O aparello de Cascario, aparentemente, era sulfuro de bario. O primeiro fósforo comercialmente dispoñible (1870) foi "Pintura de Balmain" - unha solución de sulfuro de calcio. En 1866, describiuse o primeiro fósforo estable do sulfuro de cinc, un dos máis importantes na tecnoloxía moderna.

Un dos primeiros estudos científicos de luminescencia, manifestado na decadencia de madeira ou carne e lucifilia, foi realizado en 1672 polo científico inglés Robert Boyle, quen, aínda que non sabía a orixe bioquímica desta luz, estableceu algunhas das propiedades básicas dos sistemas bioluminescentes:

• O brillo é frío;
• Pode ser suprimida por axentes químicos como o alcohol, ácido clorhídrico e amoníaco;
• A radiación require o acceso ao aire.

En 1885-1887 obsérvase que os extractos brutos obtidos das luciérnagas occidental-indíxenas (feixe de chisporroteas) e dos moluscos da folad, cando se mesturan, producen luz.

Os primeiros materiais quimiluminiscentes efectivos foron compostos sintéticos non biolóxicos, como o luminol, descuberto en 1928.

Chemi e bioluminescencia

A maior parte da enerxía liberada en reaccións químicas, especialmente reaccións de oxidación, ten a forma de calor. Nalgunhas reaccións, con todo, parte dela úsase para excitar os electróns a niveis máis altos e en moléculas fluorescentes antes do inicio da quimioluminiscencia (CL). Os estudos mostran que o CL é un fenómeno universal, aínda que a intensidade da luminiscencia é tan pequena que require o uso de detectores sensibles. Non obstante, hai algúns compostos que demostran un CL brillante. O máis famoso é o luminol, que, cando oxidado con peróxido de hidróxeno, pode producir unha forte luz azul ou azul-verde. Outras sustancias CL fortes son a lucigenina e a lofina. A pesar do brillo da súa CL, non todos son eficaces para converter a enerxía química en luz, xa que menos do 1% de moléculas emiten luz. Na década de 1960, descubriuse que os ésteres de ácido oxalá oxidados en disolventes anhidros en presenza de compostos aromáticos moi fluorescentes emiten luz brillante cunha eficiencia de ata o 23%.

A bioluminescencia é un tipo especial de CL catalizada polas enzimas. O rendemento de luminiscencia de tales reaccións pode chegar ao 100%, o que significa que cada molécula da luciferina reaccionante pasa a un estado de radiación. Todas as reaccións bioluminiscentes coñecidas hoxe están catalizadas por reaccións de oxidación que se producen en presenza de aire.

Luminescencia estimulada térmicamente

A termoluminescencia non significa radiación térmica, senón a amplificación da luz emisión de materiais cuxos electróns son excitados pola calor. A luminiscencia estimulada térmicamente é observada nalgúns minerais, e especialmente nos cristalogrofosores despois de que foron excitados pola luz.

Fotoluminiscencia

A fotoluminiscencia, que ocorre baixo a influencia da radiación electromagnética incidente sobre a sustancia, pode realizarse no rango de luz visible a través de radiación ultravioleta a raios X e radiación gamma. Na luminiscencia causada por fotóns, a lonxitude de onda da luz emitida é, por regra xeral, igual ou maior que a lonxitude de onda do excitante (é dicir, enerxía igual ou menor). Esta diferenza en lonxitude de onda débese á transformación da enerxía entrante en vibracións de átomos ou ions. Ás veces, cunha intensa exposición a un raio láser, a luz emitida pode ter unha lonxitude de onda máis curta.

O físico alemán Johann Ritter descubriu en 1801 o feito de que a radiación ultravioleta puidese ser animado pola radiación ultravioleta. Notou que os fósforos brillaban brillantemente na rexión invisible detrás da parte violeta do espectro e descubriron así a radiación ultravioleta. A transformación do UV en luz visible é de gran importancia práctica.

Os raios X e gamma excitan fósforos cristalinos e outros materiais ao estado de luminiscencia mediante un proceso de ionización seguido de recombinación de electróns e iones, como resultado da que se produce a luminiscencia. Considérase uso en fluoroscopios utilizados en diagnóstico de raios X e en contadores de centelleo. O último detecta e mide a radiación gamma dirixida a un disco recuberto con un fósforo que está en contacto óptico coa superficie do fotomultiplicador.

Triboluminescencia

Cando se esmagan cristais dalgunhas substancias, por exemplo azucre, as chispas son visibles. O mesmo obsérvase en moitas substancias orgánicas e inorgánicas. Todos estes tipos de luminiscencia son xerados por cargas eléctricas positivas e negativas. Os últimos son producidos por separación mecánica das superficies e no proceso de cristalización. A radiación lumínica prodúcese por medio dunha descarga - ou directamente, entre fragmentos de moléculas, ou por excitación da luminiscencia da atmosfera preto da superficie separada.

Electroluminiscencia

Do mesmo xeito que a termoluminescencia, o termo electroluminescencia (EL) inclúe distintos tipos de luminiscencia, cuxa característica común é que a luz é irradiada por descarga eléctrica en gases, líquidos e sólidos. En 1752, Benjamin Franklin estableceu a luminiscencia do raio, causada por unha descarga eléctrica pola atmosfera. En 1860, unha lámpada de descarga foi demostrada por primeira vez na Royal Society of London. Produciu luz branca brillante cando a alta tensión foi descargada a través de dióxido de carbono a baixa presión. As lámpadas fluorescentes modernas baséanse nunha combinación de electroluminescencia e fotoluminiscencia: os átomos de mercurio nunha lámpada son excitados por unha descarga eléctrica, a radiación ultravioleta emitida por eles transfórmase en luz visible por medio dun fósforo.

O EL observado nos electrodos durante a electrólise é debido á recombinación iónica (polo tanto, é unha especie de quimioluminiscencia). Baixo a influencia dun campo eléctrico en capas leves de sulfuro de cinc luminiscente, emítese a luz, que tamén se denomina electroluminiscencia.

Unha gran cantidade de materiais emiten brillo baixo a influencia dos electróns acelerados: diamante, rubí, fósforo cristalino e algunhas sales de platino complexas. A primeira aplicación práctica de cathodoluminescence é o osciloscopio (1897). As pantallas similares que utilizan fósforo cristalino mellorado úsanse en televisores, radar, osciloscópios e microscopios electrónicos.

Radioluminiscencia

Os elementos radioactivos poden emitir partículas alfa (núcleos de helio), electróns e raios gamma (radiación electromagnética de alta enerxía). A luminescencia por radiación é unha luminiscencia excitada por unha substancia radioactiva. Cando as partículas alfa son bombardeadas con fósforo cristalino, o pequeno fulgor verifícase baixo o microscopio. Este principio foi usado polo físico inglés Ernest Rutherford para probar que o átomo ten un núcleo central. As pinturas auto luminosas, usadas para marcar reloxos e outros instrumentos, operan con radar. Consisten nun fósforo e unha sustancia radioactiva, por exemplo tritio ou radio. Impresionante luminiscencia natural son as luces do norte: os procesos radioactivos do Sol arroxan enormes masas de electróns e iones ao espazo. Cando se aproximan á Terra, o seu campo xeomagnético dirixeos aos polos. Os procesos de descarga de gas nas capas superiores da atmosfera crean as famosas luces polares.

Luminescencia: a física do proceso

A emisión de luz visible (é dicir, con lonxitudes de onda entre 690 nm e 400 nm) require unha enerxía de excitación, o mínimo determinado pola lei de Einstein. A enerxía (E) é igual á constante de Planck (h) multiplicada pola frecuencia da luz (ν) ou pola súa velocidade no baleiro (s) dividido pola lonxitude de onda (λ): E = hν = hc / λ.

Deste xeito, a enerxía necesaria para a excitación varía de 40 quilocalorías (en vermello) a 60 quilocalorías (para o amarelo) e 80 kilocalorías (para violeta) por mole de substancia. Outra forma de expresar enerxía - a través de electróns voltios (1 eV = 1.6 × 10 ^-12 ergs) - de 1.8 a 3.1 eV.

A enerxía de excitación transfírese aos electróns responsables da luminiscencia, que saltan desde o seu nivel de enerxía básica ata a superior. Estes estados están determinados polas leis da mecánica cuántica. Os diferentes mecanismos de excitación dependen de si ocorre en átomos e moléculas individuais, en combinacións de moléculas ou nun cristal. Inícianse pola acción das partículas aceleradas, como os electróns, os iones positivos ou os fotóns.

Moitas veces a enerxía de excitación é moito maior do necesario para elevar o electrón ao nivel de radiación. Por exemplo, o brillo dos cristais de fósforo nas pantallas de televisión é producido por electróns de cátodo cunha enerxía media de 25.000 voltios de electróns. Non obstante, a cor da luz fluorescente é case independente da enerxía das partículas. Está afectado polo nivel do estado excitado da enerxía dos centros cristalinos.

Lámpadas fluorescentes

As partículas, por mor da luminiscencia, son os electróns externos de átomos ou moléculas. En lámpadas fluorescentes, por exemplo, un átomo de mercurio está excitado baixo a influencia de enerxía 6.7 eV ou máis, levantando un dos dous electróns externos a un nivel superior. Despois do seu regreso ao estado de chan, a diferenza de enerxía radia en forma de luz ultravioleta cunha lonxitude de onda de 185 nm. A transición entre outro nivel e a base produce radiacións ultravioleta a 254 nm, que, á súa vez, poden excitar outros luminóforos que xeran luz visible.

Esta radiación é especialmente intensa en baixas presións de vapor de mercurio (10 ^-5 atmosferas) usadas en lámpadas de descarga de baixa presión. Así, aproximadamente o 60% da enerxía electrónica convértese en luz UV monocromática.

A alta presión, a frecuencia aumenta. O espectro xa non consta dunha única liña espectral de 254 nm e a enerxía de radiación distribúese a través de liñas espectrais correspondentes a diferentes niveis electrónicos: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 e 578 nm. As lámpadas de mercurio de alta presión úsanse para a iluminación, xa que 405-546 nm corresponden á luz verde azulado visible e cando unha parte da radiación transfórmase en luz vermella coa axuda dun fósforo, o resultado é branco.

Cando as moléculas de gas están excitadas, os seus espectros de luminiscencia mostran amplas bandas; Non só os electróns ascenden a niveis máis elevados de enerxía, pero ao mesmo tempo emocionanse os movementos vibratorios e rotacionais dos átomos en xeral. Isto ocorre porque as enerxías vibratorias e rotacionales das moléculas son 10 ^-2 e 10 ^-4 das enerxías de transición, que se combinan para formar un conxunto de lonxitudes de onda lixeiramente distintas que compoñen unha banda. En moléculas máis grandes, hai varias bandas solapadas, unha para cada tipo de transición. A radiación das moléculas na solución é predominantemente similar á cinta, que é causada pola interacción dun número relativamente grande de moléculas excitadas con moléculas disolventes. En moléculas, como en átomos, os electróns externos dos orbitales moleculares participan na luminiscencia.

Fluorescencia e fosforescencia

Estes termos poden distinguir-se non só con base na duración de luminecencia, pero tamén polo seu método de produción. Cando un electrón é excitado para un estado de singuleto coa posesión nel ^-8 10 s, a partir do cal pode facilmente voltar para o solo, a substancia emite a súa enerxía de fluorescencia. Durante a transición, o spin non cambia. Estados básicos e animado ten unha multiplicidade similar.

Electron, con todo, pode ser aumentado a un nivel de enerxía máis alto (chamado "estado triplete animado") co seu tratamento de volta. Na mecánica cuántica, as transicións de estado triplete xersei prohibida, e, polo tanto, o tempo da súa vida moito máis. Polo tanto, a luminecencia, neste caso, é moito máis longo prazo: hai fosforescencia.