Luminescência: tipos, métodos e aplicações. Termicamente luminescência estimulada – o que é isso?

Luminescência – é a emissão de luz por certos materiais em um estado relativamente frio. Ela difere da radiação de corpos incandescentes, tais como a lenha ou carvão, um ferro fundido e um arame aquecido por uma corrente eléctrica. emissão de luminescência é observado:

• em lâmpadas de néon e fluorescentes, televisores, telas de radar e fluoroscopia;
• em substâncias orgânicas tais como o luminol ou luciferina em pirilampos;
• em certos pigmentos usados em publicidade ao ar livre;
• com relâmpagos e aurora.

Em todos estes fenómenos de emissão de luz não é causado pelo aquecimento do material acima da temperatura ambiente, de modo que é chamado de luz fria. O valor prático dos materiais luminescentes é a sua capacidade de transformar a forma invisível de energia em luz visível.

As fontes e o processo de

luminescência fenómeno ocorre como um resultado do material de absorção de energia, por exemplo, a partir de uma fonte de radiação ultravioleta ou raios X, feixes de electrões, reacções químicas, e assim por diante. d. Isto resulta nos átomos de substância a um estado animado. Uma vez que é instável, o material retorna ao seu estado original, e a energia absorvida é lançado como luz e / ou calor. O processo envolve apenas os electrões exteriores. eficiência de luminescência depende do grau de conversão de energia de excitação para a luz. O número de materiais que têm um desempenho suficiente para uso prático, é relativamente pequena.

Luminescência e incandescência

excitação luminescência não está relacionada com a excitação de átomos. Quando os materiais quentes começam a brilhar como resultado de lâmpadas, seus átomos estão em um estado animado. Embora eles vibra, mesmo à temperatura ambiente, é o suficiente para que a radiação ocorreu na região espectral do infravermelho distante. Com o aumento da temperatura muda a frequência de radiação electromagnética na região visível. Por outro lado, a temperaturas muito elevadas, que são gerados, por exemplo, em tubos de choque, colisões atómicas pode ser tão forte que os electrões são separados a partir deles e recombinar-se, emitindo luz. Neste caso, luminescência e incandescente tornam-se indistinguíveis.

pigmentos fluorescentes e corantes

pigmentos e corantes convencionais têm a cor uma vez que reflectem aquela parte do espectro que é complementar absorvido. Uma pequena parte da energia é convertida em calor, mas uma emissão significativa ocorre. Se, no entanto, o pigmento fluorescente absorve a luz na faixa de uma área particular, ele pode emitir fótons, diferentes da reflexão. Isto ocorre como um resultado de processos dentro da molécula de corante ou pigmento, através da qual a luz ultravioleta pode ser convertido em visível, por exemplo, luz azul. Tais métodos de luminescência são usados na publicidade exterior e em pós de lavagem. Neste último caso, o "clarificador" permanece no tecido não apenas para reflectir a branco, mas também para converter a radiação ultravioleta em azul, amarelo de compensação e melhorar a brancura.

estudos iniciais

Embora aurora relâmpago e brilho opaco de vaga-lume e fungos sempre ter sido conhecida a humanidade, os primeiros estudos de luminescência começou com o material sintético, quando Vincenzo Kaskariolo alquimista e sapateiro de Bologna (Itália), em 1603 g. Mistura aquecida de sulfato de bário (barita, sob a forma, espato pesado) com carvão. O pó obtido após o arrefecimento, azul noite luminescência emitida, e Kaskariolo notado que pode ser restaurada por sujeição do pó aos raios solares. A substância foi nomeado "lapis solaris" ou sunstone, porque alquimistas esperava que ele é capaz de transformar metais em ouro, cujo símbolo é o sol. Afterglow causou o interesse de muitos cientistas da época, dando materiais e outros nomes, incluindo "fósforo", que significa "portador de luz".

Hoje, o nome "fósforo" é usado apenas para o elemento químico, enquanto o material luminescente microcristalina chamado de fósforo. "Phosphorus" Kaskariolo, aparentemente, foi sulfeto de bário. O primeiro fósforo disponível comercialmente (1870) tornou-se um "pintar Balmain" – solução de sulfeto de cálcio. Em 1866, foi descrito no primeiro fósforo estável sulfeto de zinco de – um dos mais importantes na tecnologia moderna.

Um dos primeiros estudos científicos sobre a luminescência, que se manifesta na madeira podre ou carne e vaga-lumes, foi realizada em 1672 pelo cientista Inglês Robert Boyle, que, embora ele não sabia sobre a origem bioquímica desta luz, ainda definir algumas das propriedades básicas dos sistemas bioluminescentes:

• Fulgor frio;
• ele pode ser suprimida por agentes químicos, tais como álcool, ácido clorídrico e amoníaco;
• radiação requer acesso ao ar.

Nos anos 1885-1887, observou-se que os extractos brutos a partir de pirilampos índias Ocidentais (Pyrophorus) e Foladi molusco quando misturados produzem luz.

Os primeiros materiais quimioluminescentes eficazes eram compostos sintéticos não-biológicos tais como o luminol, descoberto em 1928 ano.

Químico-e bioluminescência

A maior parte da energia libertada das reacções químicas, em particular as reacções de oxidação, tem a forma de calor. Em algumas reacções, mas uma parte utilizada para excitar electrões até níveis mais elevados, e em moléculas fluorescentes antes da quimiluminescência (CL). Estudos mostram que o CL é um fenômeno universal, mas a intensidade da luminescência é tão pequena que requer o uso de detectores sensíveis. Há, no entanto, alguns dos compostos que exibem vívida CL. O mais conhecido destes é o luminol, que mediante a oxidação com peróxido de hidrogénio pode produzir um forte luz azul ou azul-verde. Outros pontos fortes do CL-substâncias – e lofin lucigenina. Apesar da sua CL brilho, nem todos eles são eficazes na conversão de energia química para a luz, isto é. K. Menos de 1% das moléculas de emitir luz. Na década de 1960 constatou-se que os ésteres de ácido oxálico, oxidados em solventes anidros na presença de compostos aromáticos altamente fluorescentes emitem luz brilhante com uma eficiência de 23%.

A bioluminescência é um tipo especial de quimioluminescência catalisada por enzimas. A saída luminescência destas reacções pode atingir os 100%, o que significa que cada molécula de reagente luciferina entra emissor de estado. Todos reacção bioluminescente conhecido hoje catalisada reacções de oxidação que ocorrem na presença de ar.

luminescência termicamente estimulada

Termoluminescência significa nenhuma radiação térmica mas os materiais de reforço de emissão de luz, os electrões que são excitados por acção do calor. Termicamente estimulada luminescência observada em alguns minerais e especialmente em fósforos de cristal depois de terem sido excitado pela luz.

fotoluminescência

Fotoluminescência que ocorre sob a acção de radiação electromagnética incidente sobre o material, pode ser feito na gama da luz visível por meio da radiação ultravioleta para raios-X e raios gama. Em luminesccia, induzida por fotões, comprimento de onda da luz emitida é geralmente igual a ou maior do que o comprimento de onda da excitante (m. E. Igual ou menos energia). Esta diferença de comprimento de onda causada pela transformação da energia de entrada em vibrações de átomos ou iões. Às vezes, com feixe de laser intenso, a luz emitida pode ter um comprimento de onda mais curto.

O fato de que o PL pode ser excitado por radiação ultravioleta, foi descoberto pelo físico alemão Johann Ritter em 1801, ele notou que os fósforos brilham intensamente na região invisível da parte roxa do espectro, e, assim, abriu a radiação UV. A conversão de UV para luz visível é de grande importância prática.

Gama e raios-x excitar fosforescentes e outros materiais cristalinos para o estado luminescência pelo processo de ionização seguido de recombinação de electrões e iões, através do qual ocorre a luminescência. O uso dele é em fluoroscopia usados em radiologia, e contadores de cintilação. O último registo e medir a radiação gama dirigida sobre um disco revestido com uma substância fosforescente, que está em contacto óptico com a superfície do fotomultiplicador.

triboluminescência

Quando os cristais de algumas substâncias, tais como açúcares, esmagado, faísca visível. O mesmo é observado em muitas substâncias orgânicas e inorgânicas. Todos estes tipos de luminescência gerada pelas cargas elétricas positivas e negativas. Recentes produzida por superfícies de separação mecânicos no processo de cristalização. A emissão de luz, em seguida, realiza-se pela descarga – quer directamente, entre as porções das moléculas, quer através da excitação de luminescência da atmosfera perto da superfície separada.

eletroluminescência

Como termoluminescência, electroluminescência (SR), o termo inclui vários tipos de luminescência característica comum das quais é que a luz é emitida quando uma descarga eléctrica em gases, líquidos e os materiais sólidos. Em 1752 Bendzhamin Franklin estabelecida a luminescência de descarga eléctrica induzida por um raio através da atmosfera. Em 1860, a lâmpada de descarga foi demonstrado pela primeira vez na Royal Society de Londres. Ela produziu uma luz branca brilhante com uma descarga de alta tensão através do dióxido de carbono a baixa pressão. lâmpadas fluorescentes modernas baseiam-se numa combinação de electroluminescentes e mercúrio fotoluminescência átomos excitados pela lâmpada de descarga eléctrica, a radiação ultravioleta emitida por eles é convertida em luz visível através do fósforo.

EL observada nos eléctrodos durante a electrólise, devido à recombinação de iões (e, portanto, um tipo de quimioluminescência). Sob a influência do campo eléctrico nas camadas finas de sulfureto de zinco de emissão de luz luminescente ocorre, o que também é referido como electroluminescente.

Um grande número de materiais emite luminescência sob a influência de electrões acelerados – diamante, rubi, fósforo cristal e determinado sal complexo de platina. A primeira aplicação prática do cathodoluminescence – Oscilloscope (1897). telas semelhantes utilizando melhoradas fósforos cristalinos são usados em televisões, radares, osciloscópios e microscópios electrónicos.

de rádio

Os elementos radioactivos podem emitem partículas alfa (núcleos de hélio), electrões e raios gama (uma radiação electromagnética de alta energia). Radiação de luminescência – um brilho animado com a substância radioativa. Quando partículas alfa bombardear fósforo cristalino, visível ao microscópio pequena cintilação. Este princípio usando Inglês físico Ernest Rutherford, para provar que o átomo tem um núcleo central. pintura auto-luminosa utilizada para a marcação de relógios e outras ferramentas são baseadas na RL. Eles consistem na substância fosforescente e a substância radioactiva, por exemplo o trítio ou rádio. Impressionante luminescência natural – é a aurora boreal: processos radioativos sobre o sol emite para o espaço enormes massas de elétrons e íons. Quando eles se aproximam da Terra, seu campo geomagnético direciona-los para os pólos. processos de descarga de gás nas camadas superiores da atmosfera e criar uma Aurora famoso.

Luminescência: física do processo

A emissão de luz visível (isto é. E. Com comprimentos de onda entre 690 nm e 400 nm) de excitação requer energia, a qual é determinada pelo menos lei Einstein. Energia (E) é igual a constante de Planck (h), a multiplicar pela frequência de luz (ν) ou a sua velocidade em vácuo (c), dividido pelo comprimento de onda (λ): E = hv = hc / λ.

Assim, a energia necessária para a excitação varia de 40 quilocalorias (vermelho) para a 60 kcal (por amarela), e 80 calorias (para roxo) por cada mole de substância. Outra forma de expressar a energia – em electrões-volt (eV 1 = 1,6 x 10 ^-12 erg) – 1,8-3,1 eV.

A energia de excitação é transferido para elétrons responsáveis pela luminescência que saltar de seu nível do solo para um superior. Estas condições são determinadas pelas leis da mecânica quântica. Vários mecanismos de excitação depende do facto de que ocorre em átomos e moléculas simples, ou em combinações de moléculas no cristal. Eles são iniciadas pela aco de partículas aceleradas, tal como electrões, iões positivos ou fotões.

Muitas vezes, a energia de excitação é significativamente maior do que o necessário para elevar um electrão à radiação. Por exemplo, fósforo luminescência ecrãs de televisão de cristal, os electrões de cátodo produzido com as energias médias de 25.000 volts. No entanto, a cor da luz fluorescente é quase independente da energia da partícula. Ela é influenciada pelo nível de estado animado dos centros de energia de cristal.

lâmpadas fluorescentes

As partículas, devido a que ocorre luminescência – esta electrões exteriores de átomos ou moléculas. Em lâmpadas fluorescentes, tais como átomo de mercúrio é conduzida sob a influência da energia de 6,7 eV ou mais, levantar um dos dois electrões externos a um nível mais elevado. Após o seu retorno para o estado fundamental a diferença em energia é emitida como luz ultravioleta com um comprimento de onda de 185 nm. A transição entre a base e outro nível produz radiação ultravioleta a 254 nm, o que, por sua vez, pode excitar outro gerador de fósforo luz visível.

Esta radiação é particularmente intensa no vapor de mercúrio de baixa pressão (10 ^-5 atmosfera) utilizado em lâmpadas de descarga gasosa de baixa pressão. Assim, cerca de 60% de energia de electrões é convertida em luz ultravioleta monocromática.

A alta pressão, a frequência aumenta. Os espectros de não consistir de uma linha espectral de 254 nm, e a energia de radiação é distribuído a partir das linhas espectrais que correspondem a diferentes níveis electrónicos: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 e 578 nm. lâmpadas de mercúrio de alta pressão são utilizados para a iluminação, uma vez que a luz azul-verde visível 405-546 nm, enquanto transformar parte da radiação da luz vermelha usando um fósforo como um resultado torna-se branca.

Quando as moléculas de gás são animado, os seus espectros de luminescência mostram bandas largas; não só os elétrons são aumentados para os níveis mais elevados de energia, mas de movimento vibracional e rotacional simultaneamente animado dos átomos no seu conjunto. Isto é porque a energia vibracional e rotacional das moléculas são 10 ^-2 e ^-4 10 das energias de transição, que adicionam-se para definir uma pluralidade de componentes de comprimento de onda ligeiramente diferentes de uma única banda. As moléculas maiores têm várias tiras que se sobrepõem, um para cada tipo de transição. moléculas de radiação em solução vantajosamente ribbonlike que causado pela interacção de um número relativamente grande de moléculas excitadas e moléculas de solvente. Nas moléculas, como os átomos em envolvidos nas luminescência electrões exteriores das orbitais moleculares.

Fluorescência e fosforescência

Estes termos podem distinguir-se não só com base na duração de luminescência, mas também pelo seu método de produção. Quando um electrão é excitado para um estado de singuleto com a posse nele ^-8 10 s, a partir do qual ele pode facilmente retornar para o solo, a substância emite a sua energia de fluorescência. Durante a transição, o spin não muda. estados básicos e animado tem uma multiplicidade similar.

Electron, no entanto, pode ser aumentado para um nível de energia mais alto (chamado de "um estado triplete animado") com seu tratamento de volta. Na mecânica quântica, as transições de estado triplete à camisola proibida, e, portanto, o tempo de sua vida muito mais. Portanto, a luminescência, neste caso, é muito mais longo prazo: há fosforescência.