Luminescence: types, méthodes et applications. luminescence ThermoStimulés – ce qui est-ce?

Luminescence – est l'émission de lumière par certains matériaux dans un état relativement froid. Il diffère du rayonnement de corps incandescents, tels que la combustion du bois ou du charbon, un fer en fusion et un fil chauffé par un courant électrique. émission de luminescence est observée:

• dans les lampes au néon et fluorescents, des téléviseurs, des écrans de radar et fluoroscopes;
• en substances organiques telles que le luminol ou la luciférine dans lucioles;
• dans certains pigments utilisés dans la publicité extérieure;
• avec la foudre et aurore boréale.

Dans tous ces phénomènes d'émission de lumière est pas causée par le chauffage du matériau au-dessus de la température ambiante, il est donc appelé lumière froide. La valeur pratique des matériaux luminescents est leur capacité à transformer la forme invisible d'énergie dans la lumière visible.

Sources et processus

phénomène de luminescence se produit à la suite d'un matériau d'absorption d'énergie, par exemple, à partir d'une source de rayonnement ultraviolet ou des rayons X, des faisceaux d'électrons, des réactions chimiques, et ainsi de suite. d. Cela se traduit par les atomes de la substance à un état excité. Comme il est instable, le matériau revient à son état d'origine, et l'énergie absorbée est libérée sous forme de lumière et / ou de la chaleur. Le processus implique que les électrons extérieurs. l'efficacité de luminescence dépend du degré de conversion de l'énergie d'excitation dans la lumière. Le nombre de matériaux qui ont des performances suffisantes pour une utilisation pratique, est relativement faible.

Luminescence et incandescente

excitation de la luminescence est pas liée à l'excitation des atomes. Lorsque des matériaux chauds commencent à briller à la suite d'ampoules, de leurs atomes sont dans un état excité. Bien qu'ils vibrent même à la température ambiante, il suffit que le rayonnement produit dans la région spectrale de l'infrarouge lointain. Avec une température croissante décale la fréquence du rayonnement électromagnétique dans la région visible. D'un autre côté, à des températures très élevées qui sont générés, par exemple, dans des tubes de choc, les collisions atomiques peuvent être si forte que les électrons sont séparés d'eux et se recombinent en émettant de la lumière. Dans ce cas, la luminescence et incandescence deviennent impossibles à distinguer.

pigments fluorescents et de colorants,

des pigments et des colorants classiques ont une couleur car elles reflètent la partie du spectre qui est complémentaire absorbé. Une petite partie de l'énergie est transformée en chaleur, mais une émission significative se produit. Si, cependant, le pigment fluorescent absorbe la lumière dans la plage d'une zone particulière, elle peut émettre des photons, différentes de réflexion. Cela se produit à la suite de processus au sein de la molécule de colorant ou d'un pigment, par lequel la lumière ultraviolette peut être converti en visible, par exemple, la lumière bleue. De telles méthodes de luminescence sont utilisés dans la publicité extérieure et dans les poudres de lavage. Dans ce dernier cas, le « clarificateur » reste dans le tissu non seulement pour refléter le blanc, mais aussi pour convertir le rayonnement ultraviolet en bleu, jaune de compensation et l'amélioration de la blancheur.

les premières études

Bien que aurora la foudre et l'éclat terne de lucioles et les champignons ont toujours été connus pour l'humanité, les premières études de luminescence ont commencé avec la matière synthétique, lorsque alchimistes Vincenzo Kaskariolo et bottier de Bologne (Italie), en 1603 g. Mélange chauffé de sulfate de baryum (baryte sous la forme, barytine) avec du charbon. La poudre obtenue après le refroidissement, la nuit luminescence bleue émise, et Kaskariolo remarqué qu'il peut être restauré en soumettant la poudre à la lumière du soleil. La substance a été nommée « lapis solaris » ou Sunstone, parce alchimistes espéré qu'il est capable de transformer les métaux vils en or, dont le symbole est le soleil. Afterglow a provoqué l'intérêt de nombreux scientifiques de la période, ce qui donne des matériaux et d'autres noms, y compris le « phosphore », qui signifie « porteur de lumière ».

Aujourd'hui, le nom de « phosphore » est utilisé uniquement pour l'élément chimique, tandis que le matériau luminescent microcristalline appelé phosphore. « Le phosphore » Kaskariolo, apparemment, était le sulfure de baryum. La première substance fluorescente disponible dans le commerce (1870) est devenu une « peinture Balmain » – solution de sulfure de calcium. En 1866, il a été décrit dans le premier phosphore de sulfure de zinc stable – l'un des plus importants dans la technologie moderne.

L'une des premières études scientifiques de la luminescence, qui se manifeste au pourrissement du bois ou de la chair et lucioles, a été réalisée en 1672 par le scientifique anglais Robert Boyle, qui, bien qu'il ne connaissait pas l'origine biochimique de cette lumière, mais mis quelques-unes des propriétés de base des systèmes bioluminescents:

• Lueur froide;
• elle peut être supprimée par des agents chimiques tels que l'alcool, l'acide chlorhydrique et l'ammoniaque;
• rayonnement nécessite l'accès à l'air.

Dans les années 1885-1887, on a observé que des extraits bruts de lucioles Antillais (pyrophore) et Foladi de palourdes lorsqu'il est mélangé produire de la lumière.

Les premiers matériaux chimiluminescents efficaces sont des composés synthétiques non biologiques tels que le luminol, découverts en 1928 année.

Chimio- et bioluminescence

La plupart de l'énergie libérée dans les réactions chimiques, en particulier les réactions d'oxydation, a la forme de chaleur. Dans certaines réactions, mais une partie utilisée pour exciter les électrons à des niveaux plus élevés, et à des molécules fluorescentes avant la chimioluminescence (CL). Des études montrent que CL est un phénomène universel, mais l'intensité de luminescence est si faible qu'elle nécessite l'utilisation de détecteurs sensibles. Il y a, cependant, certains des composés qui présentent CL vive. Le plus connu d'entre eux est le luminol, qui, après oxydation avec du peroxyde d'hydrogène peut donner un solide bleu clair ou bleu-vert. Autres points forts de substances CL-et – lucigénine lofin. En dépit de leur luminosité CL, tous ne sont efficaces pour convertir l'énergie chimique en lumière, à savoir. K. Moins de 1% des molécules émettent de la lumière. Dans les années 1960, on a trouvé que les esters de l'acide oxalique, oxydées dans des solvants anhydres, en présence de composés aromatiques fortement fluorescentes émettent de la lumière avec une efficacité lumineuse de 23%.

La bioluminescence est un type spécial de chimioluminescence catalysée par des enzymes. La sortie de la luminescence de ces réactions peut atteindre 100%, ce qui signifie que chaque molécule de réactif luciférine entre dans l'état d'émission. Toutes connu aujourd'hui réaction de bioluminescence catalysée par des réactions d'oxydation qui se produisent en présence d'air.

luminescence stimulée thermiquement

Thermoluminescence signifie pas de rayonnement thermique, mais le renforcement des matériaux d'émission de lumière, les électrons qui sont excités par la chaleur. ThermoStimulés luminescence observée dans certains minéraux et en particulier dans les phosphores de cristal après avoir été excité par la lumière.

photoluminescence

Photoluminescence qui se produit sous l'action d'un rayonnement électromagnétique incident sur le matériau, peut être réalisée dans la plage de lumière visible à travers l'ultraviolet à rayons X et le rayonnement gamma. Dans la luminescence induite par des photons, la longueur d'onde de la lumière émise est généralement égale ou supérieure à la longueur d'onde d'excitation (m. E. égal à la puissance ou moins). Cette différence de longueur d'onde provoquée par la transformation de l'énergie entrant en vibrations des atomes ou des ions. Parfois, avec un faisceau laser à forte intensité, la lumière émise peut avoir une longueur d'onde plus courte.

Le fait que le PL peut être excité par le rayonnement ultraviolet, a été découvert par le physicien allemand Johann Ritter en 1801, il a remarqué que les phosphores brillent brillamment dans la région invisible de la partie violette du spectre, et ouvre ainsi le rayonnement UV. La conversion des UV à la lumière visible est d'une grande importance pratique.

Gamma et les rayons X excitent des luminophores et d' autres matériaux cristallins à l'état de luminescence par processus d'ionisation suivie d' une recombinaison des électrons et des ions, de sorte que la luminescence se produit. L'utilisation de c'est fluoroscopie utilisé en radiologie, et les compteurs à scintillation. Le dernier enregistrement et de mesurer le rayonnement gamma dirigé sur un disque revêtu d'une substance fluorescente, qui est en contact optique avec la surface du photomultiplicateur.

triboluminescence

Lorsque les cristaux de certaines substances, telles que des sucres, concassées étincelle, visible. La même chose est observée dans de nombreuses substances organiques et inorganiques. Tous ces types de luminescence générés par les charges électriques positives et négatives. Récent produit par les surfaces de séparation mécanique dans le processus de cristallisation. L'émission de lumière se fait alors par la décharge – soit directement entre les groupements des molécules, soit par excitation de la luminescence de l'atmosphère près de la surface séparée.

électroluminescence

Comme thermoluminescence, électroluminescence (EL), le terme englobe divers types de luminescence caractéristique commune qui est que la lumière est émise quand une décharge électrique dans les gaz, les liquides et les matières solides. En 1752 Bendzhamin Franklin a établi la luminescence de décharge électrique induite par la foudre dans l'atmosphère. En 1860, la lampe à décharge a été démontrée dans la Royal Society de Londres. Elle produit une lumière blanche brillante avec une décharge à haute tension par l'intermédiaire du dioxyde de carbone à basse pression. Les lampes fluorescentes modernes sont basées sur une combinaison d'électroluminescence et des atomes de mercure de photoluminescence excités par lampe à décharge électrique, le rayonnement ultraviolet émis par eux est convertie en lumière visible par l'intermédiaire de la substance fluorescente.

EL observé au niveau des électrodes pendant l'électrolyse en raison de la recombinaison des ions (et donc une sorte de chimiluminescence). Sous l'influence du champ électrique dans les couches minces d'émission de sulfure de zinc de la lumière se produit luminescent, qui est également appelé électroluminescence.

Un grand nombre de matériaux émet luminescence sous l'influence d'électrons accélérés – diamant, rubis, phosphore cristal et certains sel de platine complexe. La première application pratique de cathodoluminescence – Oscilloscope (1897). écrans similaires en utilisant l'amélioration des phosphores cristallins sont utilisés dans les téléviseurs, les radars, les oscilloscopes et les microscopes électroniques.

de la radio

Les éléments radioactifs peuvent émettre des particules alpha (noyaux d'hélium), les électrons et les rayons gamma (un rayonnement électromagnétique à haute énergie). luminescence de rayonnement – une lueur excitée par la substance radioactive. Lorsque particule alpha bombarde luminophore cristallin, visibles au microscope minuscule scintillement. Ce principe en utilisant le physicien anglais Ernest Rutherford, de prouver que l'atome a un noyau central. peinture auto-lumineux utilisé pour le marquage des montres et d'autres outils sont basés sur le RL. Ils se composent du phosphore et la substance radioactive, par exemple le tritium ou le radium. Impressionnant luminescence naturelle – est l'aurora borealis: processus radioactifs sur le soleil émettent en masses énormes d'espace des électrons et des ions. Quand ils approchent de la Terre, son champ géomagnétique les dirige vers les pôles. processus gaz-décharge dans les couches supérieures de l'atmosphère et créer une célèbre aurore boréale.

Luminescence: la physique du processus

L'émission de lumière visible (par exemple. E. Avec des longueurs d'onde entre 690 nm et 400 nm) excitation nécessite de l'énergie, qui est déterminée au moins le droit Einstein. L'énergie (E) est égale à la constante de Planck (h), multipliée par la fréquence de la lumière (ν) ou sa vitesse dans le vide (c), divisée par la longueur d'onde (λ): E = hv = hc / λ.

Ainsi, l'énergie nécessaire à l'excitation varie de 40 kilocalories (pour le rouge) à 60 kcal (pour le jaune), et 80 calories (au violet) par mole de substance. Une autre façon d'exprimer l' énergie – en électrons – volts (eV 1 = 1,6 x 10 ^-12 erg) – 1,8 à 3,1 eV.

L'énergie d'excitation est transférée aux électrons responsables de la luminescence qui sautent de son niveau du sol à un supérieur. Ces conditions sont déterminées par les lois de la mécanique quantique. Divers mécanismes d'excitation dépend de si elle se produit dans des atomes et molécules simples, ou des combinaisons de molécules dans le cristal. Ils sont initiées par l'action de particules accélérées, telles que des électrons, des ions positifs ou des photons.

Souvent, l'énergie d'excitation est significativement plus élevée que nécessaire pour élever un électron à un rayonnement. Par exemple, les écrans de télévision à cristaux luminescence de phosphore, les électrons cathodiques produits avec des énergies moyennes de 25.000 volts. Néanmoins, la couleur de la lumière fluorescente est presque indépendante de l'énergie des particules. Elle est influencée par le niveau de l'état excité des centres d'énergie de cristal.

lampes fluorescentes

Les particules, en raison de laquelle la luminescence se produit – ce électrons externes des atomes ou des molécules. Dans les lampes fluorescentes, tel qu'un atome de mercure est entraîné sous l'influence de l'énergie de 6,7 eV ou plus, en soulevant un des deux électrons externes à un niveau supérieur. Après son retour à l'état fondamental de la différence de l'énergie est émise sous forme de lumière ultraviolette avec une longueur d'onde de 185 nm. La transition entre la base et un autre niveau produit un rayonnement ultraviolet à 254 nm, ce qui , à son tour, peut exciter un autre générateur de substance luminescente lumière visible.

Ce rayonnement est particulièrement intense à vapeur de mercure à basse pression (10 ^-5 atmosphère) utilisé dans des lampes à décharge de gaz de basse pression. Ainsi , environ 60% de l' énergie des électrons est convertie en une lumière UV monochromatique.

À haute pression, la fréquence augmente. Les spectres ne se composent plus d'une raie spectrale de 254 nm, et l'énergie de rayonnement est distribué à partir des lignes spectrales correspondant aux différents niveaux électroniques: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 et 578 nm. les lampes à mercure à haute pression sont utilisés pour l'éclairage, puisque la lumière de 405-546 nm bleu-vert visible, tout en transformant une partie de la radiation à la lumière rouge à l'aide d'une substance fluorescente à la suite devient blanc.

Lorsque les molécules de gaz sont excités, leurs spectres de luminescence montrent de larges bandes; non seulement les électrons sont portés à des niveaux d'énergie plus élevé, mais un mouvement vibratoire et de rotation simultanément excité des atomes au total. En effet , l' énergie de vibration et de rotation des molécules sont 10 ^-2 et 10 ^-4 des énergies de transition, ce qui ajoute à définir une pluralité de composantes de longueurs d'onde légèrement différentes d'une seule bande. Les plus grandes molécules présentent plusieurs bandes qui se chevauchent, un pour chaque type de transition. les molécules de rayonnement en solution ribbonlike avantageusement celle causée par l'interaction d'un nombre relativement grand de molécules excités et des molécules de solvant. Dans les molécules, comme dans les atomes impliqués dans les électrons extérieurs de luminescence des orbitales moléculaires.

Fluorescence et phosphorescence

Ces termes peuvent être distingués non seulement en fonction de la durée de luminescence, mais aussi par son mode de production. Lorsqu'un électron est excité à un état singulet avec une tenure qui y sont 10 ^-8 s, à partir de laquelle il peut facilement retourner vers le sol, la substance émet son énergie sous forme de fluorescence. Au cours de la transition, la rotation ne change pas. états de base et excités ont une multiplicité similaire.

Cependant, électronique, peut être portée à un niveau d'énergie plus élevé (appelé « un état excité triplet ») avec son traitement en arrière. En mécanique quantique, les transitions de l'état triplet au singlet interdit, et, par conséquent, le temps de leur vie beaucoup plus. Par conséquent, la luminescence dans ce cas est beaucoup plus long terme: il y a phosphorescence.