Phát quang: loại, phương pháp, và các ứng dụng. Nhiệt kích thích phát quang - đây là những gì?

Phát quang - là sự phát xạ của ánh sáng bằng vật liệu nào đó trong tình trạng tương đối lạnh. Nó khác với bức xạ của cơ quan sợi đốt, như đốt củi hoặc than đá, sắt nóng chảy và một dây nóng bởi một dòng điện. khí thải phát quang được quan sát:

• trong neon và đèn huỳnh quang, TV, màn hình radar và fluoroscopes;
• trong các chất hữu cơ như luminol hoặc luciferin trong đom đóm;
• trong sắc tố nhất định được sử dụng trong quảng cáo ngoài trời;
• với sét và cực quang.

Trong tất cả các hiện tượng phát xạ ánh sáng không phải là do nóng các tài liệu trên nhiệt độ phòng, vì vậy nó được gọi là ánh sáng lạnh. Giá trị thực tế của vật liệu phát quang là khả năng chuyển đổi dạng năng lượng vô hình thành ánh sáng nhìn thấy.

Nguồn và quá trình

Hiện tượng phát quang xảy ra như là kết quả của vật liệu hấp thụ năng lượng, ví dụ, từ một nguồn của tia cực tím hoặc tia X, tia electron, phản ứng hóa học, và vân vân. d. Điều này dẫn đến các nguyên tử chất đến một trạng thái kích thích. Vì nó là không ổn định, lợi nhuận vật chất cho tình trạng ban đầu của nó, và năng lượng hấp thụ được phát hành dưới dạng ánh sáng và / hoặc nhiệt. Quá trình này chỉ liên quan đến các electron lớp ngoài. hiệu suất phát quang phụ thuộc vào mức độ chuyển hóa năng lượng kích thích thành ánh sáng. Số liệu rằng có đủ hiệu suất sử dụng thực tế, là tương đối nhỏ.

Phát quang và sự đốt cháy

phát quang kích thích không liên quan đến sự kích thích của các nguyên tử. Khi vật liệu nóng bắt đầu phát sáng như một kết quả của bóng đèn, các nguyên tử của họ đang ở trong một trạng thái kích thích. Mặc dù họ rung ngay cả ở nhiệt độ phòng, nó là đủ rằng bức xạ xảy ra trong vùng phổ hồng ngoại xa. Với sự gia tăng nhiệt độ thay đổi các tần số của bức xạ điện từ trong vùng khả kiến. Mặt khác, ở nhiệt độ rất cao được tạo ra, ví dụ, trong các ống sốc, va chạm nguyên tử có thể rất mạnh mẽ rằng các electron được tách ra khỏi họ và tái kết hợp, phát ra ánh sáng. Trong trường hợp này, phát quang và đèn sợi đốt trở nên không thể phân biệt.

sắc tố huỳnh quang và thuốc nhuộm,

sắc tố thông thường và thuốc nhuộm có màu sắc khi họ phản ánh một phần của quang phổ mà là bổ sung hấp thụ. Một phần nhỏ của năng lượng được chuyển thành nhiệt, nhưng một phát thải đáng kể xảy ra. Tuy nhiên, nếu các sắc tố huỳnh quang hấp thụ ánh sáng trong phạm vi của một khu vực cụ thể, nó có thể phát ra các photon, khác với suy nghĩ. Điều này xảy ra như là kết quả của các quá trình trong thuốc nhuộm hoặc chất màu phân tử, qua đó ánh sáng tia cực tím có thể được chuyển đổi thành có thể nhìn thấy, ví dụ, ánh sáng màu xanh. phương pháp phát quang như vậy được sử dụng trong quảng cáo ngoài trời và trong bột giặt. Trong trường hợp thứ hai, "lắng" vẫn còn trong các mô không chỉ để phản ánh trắng, nhưng cũng để chuyển đổi bức xạ tia cực tím vào màu xanh, màu vàng của bồi thường và tăng cường độ trắng.

nghiên cứu ban đầu

Mặc dù cực quang sét và ánh sáng rực rỡ ngu si đần độn của đom đóm và nấm đã luôn luôn được biết đến với nhân loại, các nghiên cứu phát quang đầu tiên bắt đầu với các vật liệu tổng hợp, khi Vincenzo Kaskariolo giả kim và thợ đóng giày của Bologna (Ý), năm 1603 g. Hỗn hợp nóng của bari sulfat (barit vào biểu mẫu, spar nặng) với than. Bột thu được sau khi làm mát, đêm màu xanh phát quang phát ra, và Kaskariolo nhận thấy rằng nó có thể được phục hồi bằng cách chịu các bột để ánh sáng mặt trời. Các chất được đặt tên là "lapis solaris" hoặc đá thạch anh, bởi vì nhà giả kim thuật hy vọng rằng nó có thể biến kim loại cơ bản thành vàng, biểu tượng trong số đó là mặt trời. Hoàng hôn đã gây ra sự quan tâm của nhiều nhà khoa học của thời kỳ này, cho vật liệu và các tên khác, trong đó có "phốt pho", có nghĩa là "tàu sân của ánh sáng".

Hôm nay cái tên "phốt pho" chỉ được sử dụng cho các nguyên tố hóa học, trong khi các vật liệu phát quang microcrystalline gọi là phosphor. "Photpho" Kaskariolo, rõ ràng, là sulfide bari. Các phosphor thương mại đầu tiên (1870) đã trở thành một "sơn Balmain" - giải pháp của sunfua canxi. Năm 1866, nó được mô tả trong phosphor ổn định kẽm sulfide đầu - một trong những quan trọng nhất trong công nghệ hiện đại.

Một trong những nghiên cứu khoa học đầu tiên của hiện tượng phát quang, được thể hiện ở mục nát gỗ hoặc thịt và đom đóm, được thực hiện vào năm 1672 bởi các nhà khoa học Anh Robert Boyle, người, mặc dù ông không biết về nguồn gốc sinh hóa của ánh sáng này, nhưng thiết lập một số thuộc tính cơ bản của hệ thống phát quang:

• Glow lạnh;
• nó có thể được dập tắt bởi các tác nhân hóa học như rượu, axit clohydric và amoniac;
• bức xạ đòi hỏi quyền truy cập vào không khí.

Trong những năm 1885-1887, người ta quan sát thấy rằng chiết xuất dầu thô từ đom đóm Tây Ấn Độ (pyrophorus) và ngao Foladi khi trộn ánh sáng sản phẩm.

Các tài liệu chemiluminescent hiệu quả đầu tiên là hợp chất tổng hợp nonbiological như luminol, phát hiện vào năm 1928 năm.

Chemi- và phát quang sinh học

Hầu hết các năng lượng giải phóng trong phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng oxy hóa, có dưới dạng nhiệt. Trong một số phản ứng, nhưng một phần được sử dụng để kích thích các electron lên mức cao hơn, và trong phân tử huỳnh quang trước Chemiluminescence (CL). Nghiên cứu cho thấy rằng CL là một hiện tượng phổ biến, nhưng cường độ phát quang là quá nhỏ mà nó đòi hỏi việc sử dụng các máy dò nhạy cảm. Tuy nhiên, một số các hợp chất có triển lãm sống động CL. Nổi tiếng nhất trong số này là luminol, mà khi quá trình oxy hóa với hydrogen peroxide có thể mang lại một ánh sáng màu xanh hoặc màu xanh-màu xanh lá cây mạnh mẽ. điểm mạnh khác của CL-chất - và lofin lucigenin. Mặc dù CL độ sáng của họ, không phải tất cả trong số đó là hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng hóa học thành ánh sáng, tức là. K. Ít hơn 1% của các phân tử phát ra ánh sáng. Trong những năm 1960 nó đã được tìm thấy rằng các este của axit oxalic, oxy hóa trong dung môi khan trong sự hiện diện của các hợp chất thơm cao huỳnh quang phát ra ánh sáng rực rỡ với hiệu suất 23%.

Phát quang sinh học là một loại đặc biệt của Chemiluminescence xúc tác bởi enzym. Sản lượng phát quang của các phản ứng này có thể đạt tới 100%, có nghĩa là mỗi phân tử của chất phản ứng luciferin vào phát ra trạng thái. Tất cả hiện nay phản ứng phát quang sinh học được biết đến xúc tác phản ứng oxy hóa xảy ra trong sự hiện diện của không khí.

phát quang nhiệt kích thích

Thermoluminescence nghĩa là không bức xạ nhiệt nhưng tăng cường các vật liệu phát xạ ánh sáng, các electron được kích thích bởi nhiệt. Nhiệt kích thích phát quang được quan sát trong một số khoáng chất và đặc biệt là ở chất lân quang tinh thể sau khi họ đã bị kích thích bởi ánh sáng.

phát sáng quang

Quang phát quang xảy ra dưới tác động của sự cố bức xạ điện từ vào chất liệu, có thể được thực hiện trong phạm vi của ánh sáng có thể nhìn thấy thông qua các tia cực tím để x-ray và bức xạ gamma. Trong phát quang, gây ra bởi các photon, bước sóng của ánh sáng phát ra nói chung là bằng hoặc lớn hơn bước sóng của thú vị (m. E. Bằng hoặc ít năng lượng). Sự khác biệt này ở bước sóng gây ra bởi sự biến đổi của năng lượng đến vào những rung động của các nguyên tử hoặc ion. Đôi khi, với chùm tia laser chuyên sâu, ánh sáng phát ra có thể có một bước sóng ngắn hơn.

Thực tế là PL có thể được kích thích bởi bức xạ cực tím, được phát hiện bởi nhà vật lý người Đức Johann Ritter vào năm 1801, ông nhận thấy rằng các chất lân quang phát sáng rực rỡ trong khu vực vô hình của phần màu tím của quang phổ, và do đó mở bức xạ tia cực tím. Việc quy đổi của tia cực tím để ánh sáng nhìn thấy là có tầm quan trọng thực tế tuyệt vời.

Gamma và tia X kích thích lân quang, và các vật liệu tinh thể khác sang trạng thái phát quang bởi quá trình ion hóa tiếp theo tái tổ hợp của các electron và ion, nhờ đó mà phát quang xảy ra. Việc sử dụng của nó là ở huỳnh quang được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh, và quầy nhấp nháy. Kỷ lục cuối cùng và đo bức xạ gamma đạo trên một đĩa phủ một phosphor, đó là tiếp xúc quang với bề mặt của nhân quang.

triboluminescence

Khi các tinh thể của một số chất, như đường, nghiền, có thể nhìn thấy tia lửa. Điều tương tự cũng được quan sát thấy ở nhiều chất hữu cơ và vô cơ. Tất cả các loại phát quang được tạo ra bởi những chi phí điện tích cực và tiêu cực. Gần đây được sản xuất bởi các bề mặt tách cơ học trong quá trình kết tinh. phát xạ ánh sáng sau đó diễn ra bằng cách xả - hoặc trực tiếp giữa các gốc thuốc của các phân tử, hoặc thông qua kích thích hiện tượng phát quang của khí quyển gần bề mặt tách ra.

điện phát quang

Như thermoluminescence, điện phát quang (EL), thuật ngữ này bao gồm nhiều loại hình đặc điểm chung phát quang trong số đó là ánh sáng được phát ra khi sự phóng điện trong chất khí, chất lỏng và chất rắn. Năm 1752 Bendzhamin Franklin đã thành lập hiện tượng phát quang của phóng điện sét gây ra thông qua bầu khí quyển. Trong năm 1860, các đèn phóng điện lần đầu tiên được chứng minh trong Royal Society of London. Cô tạo ra một ánh sáng trắng sáng với một xả điện áp cao thông qua việc carbon dioxide ở áp suất thấp. đèn huỳnh quang hiện đại đều dựa trên sự kết hợp của các nguyên tử điện phát quang và phát sáng quang thủy ngân kích thích bởi đèn phóng điện, bức xạ tia cực tím phát ra bởi chúng được chuyển thành ánh sáng nhìn thấy qua phosphor.

EL quan sát thấy ở các điện cực trong điện phân do sự tái tổ hợp của các ion (và do đó một loại Chemiluminescence). Dưới ảnh hưởng của điện trường trong các lớp mỏng của khí thải sulfur kẽm phát quang ánh sáng xảy ra, mà cũng được gọi là điện phát.

Một số lượng lớn các vật liệu phát ra phát quang dưới sự ảnh hưởng của các electron tăng tốc - kim cương, ruby, phốt pho tinh thể và một số muối platinum phức tạp. Ứng dụng đầu tiên thực tế của cathodoluminescence - Oscilloscope (1897). màn hình tương tự như sử dụng cải thiện chất lân quang tinh thể được sử dụng trong TV, radar, dao động và kính hiển vi điện tử.

đài phát thanh

nguyên tố phóng xạ có thể phát ra các hạt alpha (hạt nhân heli), electron và tia gamma (một bức xạ điện từ năng lượng cao). Bức xạ phát quang - một ánh sáng kích thích bởi các chất phóng xạ. Khi hạt alpha bắn phá tinh phosphor, có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi nhấp nháy nhỏ. Nguyên tắc này sử dụng vật lí người Anh Ernest Rutherford, để chứng minh rằng nguyên tử có một lõi trung tâm. sơn tự phát sáng sử dụng để đánh dấu đồng hồ và các công cụ khác được dựa trên RL. Họ bao gồm các phosphor và các chất phóng xạ, ví dụ tritium hoặc radium. phát quang tự nhiên ấn tượng - là bắc cực quang: quá trình phóng xạ trên mặt trời phát ra vào không gian khối lượng rất lớn của các electron và ion. Khi họ tiếp cận Trái Đất, trường địa từ của nó chỉ họ đến các cực. quá trình xả khí ở các tầng trên của khí quyển và tạo ra một cực quang nổi tiếng.

Phát quang: vật lý của quá trình

Phát xạ ánh sáng nhìn thấy được (ví dụ. E. Với bước sóng giữa 690 nm và 400 nm) kích thích đòi hỏi năng lượng, được xác định theo pháp luật ít nhất Einstein. Năng lượng (E) bằng hằng số Planck (h), nhân với tần số của ánh sáng (ν) hoặc tốc độ của nó trong chân không (c), chia cho bước sóng (λ): E = hν = hc / λ.

Như vậy, năng lượng cần thiết cho sự kích thích dao động từ 40 kcal (ví màu đỏ) đến 60 kcal (đối với vàng), và 80 calo (để tím) mỗi mol của chất. Một cách khác để thể hiện năng lượng - trong electron-volt (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) - 1,8-3,1 eV.

Năng lượng kích thích được chuyển giao cho các electron chịu trách nhiệm về phát quang mà nhảy từ tầng trệt của nó sang một cao hơn. Những điều kiện này được xác định bởi luật pháp của cơ học lượng tử. cơ chế khác nhau của kích thích phụ thuộc vào việc nó xảy ra trong nguyên tử đơn lẻ và phân tử, hoặc trong các kết hợp của các phân tử trong tinh thể. Chúng được khởi xướng bởi các hành động của các hạt tăng tốc, như electron, các ion dương hoặc photon.

Thông thường, năng lượng kích thích cao hơn đáng kể so với cần thiết để nâng cao một electron với bức xạ. Ví dụ, phosphor phát quang màn hình tivi tinh thể, các electron cathode được sản xuất với năng lượng trung bình của 25.000 volt. Tuy nhiên, màu sắc của ánh sáng huỳnh quang là gần không phụ thuộc vào năng lượng hạt. Nó bị ảnh hưởng bởi mức độ của trạng thái kích thích trong những trung tâm năng lượng tinh thể.

đèn huỳnh quang

Các hạt, do đó phát quang xảy ra - đây electron lớp ngoài của nguyên tử hay phân tử. Trong đèn huỳnh quang, chẳng hạn như nguyên tử thủy ngân là lái xe dưới ảnh hưởng của năng lượng 6,7 eV trở lên, nâng một trong hai electron lớp ngoài lên một tầm cao hơn. Sau khi trở về với trạng thái cơ bản sự khác biệt về năng lượng được phát ra như ánh sáng tia cực tím với bước sóng 185 nm. Việc chuyển đổi giữa các cơ sở và mức độ khác tạo ra bức xạ tia cực tím ở bước sóng 254 nm, do đó, có thể kích thích tạo phosphor khác ánh sáng nhìn thấy.

Bức xạ này là đặc biệt mãnh liệt tại hơi thủy ngân áp suất thấp (10 ^-5 bầu không khí) được sử dụng trong các loại đèn phóng điện khí áp suất thấp. Như vậy khoảng 60% năng lượng điện tử được chuyển thành một ánh sáng tia cực tím đơn sắc.

Ở áp suất cao, tần số tăng. Spectra không còn bao gồm một vạch phổ của 254 nm, và năng lượng bức xạ được phân phối từ các vạch phổ tương ứng với mức điện tử khác nhau: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 và 578 nm. đèn cao áp thủy ngân được sử dụng cho chiếu sáng, kể từ 405-546 nm ánh sáng màu xanh-màu xanh lá cây có thể nhìn thấy, trong khi chuyển một phần của bức xạ trong ánh sáng màu đỏ sử dụng một phosphor kết quả là chuyển sang màu trắng.

Khi các phân tử khí rất vui mừng, quang phổ phát quang của họ hiển thị băng rộng; không chỉ các electron được nâng lên mức năng lượng cao hơn nhưng chuyển động rung động và quay đồng thời vui mừng của các nguyên tử trên toàn bộ. Điều này là do năng lượng rung động và luân chuyển của các phân tử là 10 ^-2 và 10 ^-4 của các nguồn năng lượng chuyển tiếp, mà thêm lên để xác định được đa số các thành phần bước sóng hơi khác nhau của một ban nhạc duy nhất. Các phân tử lớn có nhiều dải chồng chéo, một cho từng loại chuyển tiếp. các phân tử phóng xạ trong dung dịch thuận lợi ribbonlike gây ra bởi sự tương tác của một số lượng tương đối lớn các phân tử bị kích thích và các phân tử dung môi. Trong các phân tử, như trong các nguyên tử tham gia vào các electron lớp ngoài phát quang của quỹ đạo phân tử.

Huỳnh quang và lân quang

Những thuật ngữ này có thể được phân biệt không chỉ căn cứ vào thời gian phát quang, mà còn bằng phương pháp sản xuất của mình. Khi một electron được kích thích đến một trạng thái singlet với nhiệm kỳ trong đó 10 ^-8 s, từ đó nó có thể dễ dàng quay trở lại mặt đất, chất phát ra năng lượng của nó như là huỳnh quang. Trong quá trình chuyển đổi, spin không thay đổi. bang Basic và vui mừng có một đa dạng tương tự.

Điện tử, tuy nhiên, có thể được nâng lên một mức năng lượng cao hơn (gọi là "trạng thái triplet vui mừng") với điều trị lưng. Trong cơ học lượng tử, quá trình chuyển đổi từ trạng thái triplet đến singlet bị cấm, và do đó, thời điểm cuộc sống của họ nhiều hơn nữa. Do đó, phát quang trong trường hợp này là nhiều hơn nữa dài hạn: có lân.