Люминесценция

Кроме термодинамически равновесного теплового излучения существуют также неравновесные излучения, одним из видов которых является люминесценция. По определению С.И. Вавилова люминесценцией называется избыточное над тепловым излучение, если его длительность превышает 10^‑10 с. Это определение позволяет отличить люминесценцию, спектр которой, как правило, расположен в видимом диапазоне, от равновесного теплового излучения, которое при комнатной температуре в видимой части спектра практически отсутствует. В отличие от отраженного света, который исчезает практически мгновенно после перекрытия падающего луча, люминесценция характеризуется определенной «инерционностью», т.е. после прекращения подвода энергии от внешнего источника люминесценция продолжается от 10^-10 с до нескольких секунд и более.

По механизму подвода энергии возбуждения различают следующие основные виды люминесценции.

1. Фотолюминесценция — возбуждение молекул электромагнитным излучением видимого и ультрафиолетового диапазонов.

2. Корпускулярная люминесценция — возбуждение молекул ударами микрочастиц (чаще всего электронов).

3. Хемилюминесценция — возникновение свечения в ходе химических превращений, в которых энергия химической реакции превращается непосредственно в световую. Чрезвычайно интересный вид хемилюминесценции — биолюминесценция — свечение живых объектов (бактерий, светлячков, рыб и др.).

4. Электролюминесценция — свечение, возникающее при помещении некоторых полупроводников в электрическое поле, под действием которого электроны переходят на более высокие энергетические уровни с последующими переходами на более низкие уровни энергии, сопровождающимися испусканием световых квантов.

По длительности свечения люминесценция подразделяется на два вида: флуоресценция (время затухания t ~ 10^-8 с) и фосфоресценция (t — до нескольких секунд и даже часов). Подразделение люминесценции на флуоресценцию и фосфоресценцию условно, так как временные интервалы затухания этих видов люминесценции не имеют четких границ и могут перекрываться.

Рассмотрим основные закономерности флуоресценции, возникающей, как правило, в газах, жидких или твердых растворах.

Рис. 31.8

При возбуждении флуоресценции электромагнитным излучением с частотой n молекула, поглотив фотон с энергией hn переходит на колебательный уровень возбужденного электронного состояния — переход 1 (рис. 31.8). Возбужденная молекула имеет избыток колебательной энергии по отношению к другим молекулам и очень быстро (за время порядка 10^-12 с) безызлучательным путем отдает избыток своей энергии в окружающую среду — переход 2. Далее, спустя время t ~ 10^-8 с молекула переходит на некоторый колебательный уровень основного электронного состояния — переход 3, испустив фотон энергии

,

т.е. nл < nв. Получено правило Стокса: свет люминесценции обладает меньшей частотой по сравнению с частотой света, возбуждающего люминесценцию.

Рис. 31.9

В ряде случаев правило Стокса нарушается, т.е. может оказаться, что nл > nв. Люминесценция, наблюдаемая в области частот nл > nв, называется антистоксовой. Механизм возникновения антистоксовой люминесценции показан на рис. 31.9. В этом случае к энергии возбуждающего кванта добавляется часть колебательной энергии молекулы, в результате чего квант люминесценции имеет энергию

,

т.е. nл > nв.

Более общим является правило Стокса-Ломмеля: спектр люминесценции сдвинут в область меньших частот по сравнению со спектром поглощения (рис. 31.10). Частота n₀, соответствующая точке пересечения спектров поглощения и люминесценции, удовлетворяет условию , т.е. энергия кванта hn0 равна разности энергии возбужденного и основного электронного состояний. Эта частота аналогична пороговой частоте фотоэффекта.

Рис. 31.10

Фотолюминесценция применяется для подсветки шкал приборов, в которых используются кристаллофосфоры, «подзаряжающихся» при дневном освещении и затем высвечивающихся в темноте; в «трансформаторах» световой энергии, позволяющих преобразовывать ультрафиолетовое излучение в видимое (люминесцентные лампы дневного света). Корпускулярная люминесценция широко используется для отображения информации (телевизионные экраны, осциллографы, дисплеи). Для этих целей применяются также устройства, использующие также устройство электролюминесценции (светодиоды, цифровые табло и т.п.).