Что такое люминесцентная – Люминесценция — Википедия

Люминесценция, сущность и виды

Люминесценция, сущность и виды.

Люминесценция – это свечение нетеплового характера, которое наблюдается после поглощения телом (материей) энергии возбуждения.

 

Люминесценция, явление и сущность

Механизм проявления люминесценции

Классификация разновидностей люминесценции, виды люминесценции

Применение люминесценции

 

Люминесценция, явление и сущность:

Понятие люминесценция заимствовано из латыни и объединяет два отдельных термина: luminis – свет, escent – слабое свечение. В общем понимании понятие люминесценция отождествляется с холодным свечением материального тела.

На сегодняшний день в научной среде под феноменом люминесценции понимается свечение нетеплового характера, которое наблюдается после поглощения телом (материей) энергии возбуждения.

Природу люминесценции впервые стали обсуждать в XVIII веке. Чтобы разобраться с сущностью люминесценции важно иметь представление о природе следующих явлений: нагревание тела, испускание света, использование энергии внешнего облучения и др.

В исследовании природы люминесценции особую значимость приобретает свет, т.е. сам процесс испускания световых лучей. Учеными выделено два типа источников света. Первый тип имеет место в том случае, если происходит нагрев материального тела до определенной температуры. Иными словами, тепловой нагрев предмета становится причиной появления его свечения. Ко второму типу источников света относится холодное свечение материального тела, которое может быть выражено в разных формах люминесценции.

Чтобы понять отличие «теплового» свечения тела от холодного света необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие при нагреве материи. При повышении температуры, атомы внутри вещества движутся более интенсивно. Электроны ускоряются и переходят на высший уровень, характеризующийся избыточной энергией. В таком состоянии электроны пребывают доли секунды, теряя при этом избыток энергии. Процесс потери энергии сопровождается испусканием фотона. Энергия кванта света приравнивается к разнице между соседними энергетическими уровнями.

Примером теплового нагрева материи является зажженный факел, зажженная свеча, солнечная активность, свечение звезд, покрасневшая от жара поверхность электроплитки, раскаленная спираль электрической лампочки.

Свечение материального тела, не вызванное его нагревом, носит название

люминесценции.

В качестве примера люминесценции можно выделить неоновую рекламу магазинов в центре города, светящиеся экраны компьютерных мониторов и телевизоров, стрелки часов и цифры лабораторных приборов, северное сияние, ночные волны, лесных светлячков и др.

Изначально феномен люминесценции применялся при изготовлении фосфорных составов, обладающих способностью самостоятельно светиться. Данные краски наносились на приборные шкалы и облегчали работу с ними в темноте.

Официальное признание люминесценции произошло в 1948 году, когда ученый С.И. Вавилов неожиданно обосновал применение данного явления не только в научных целях, но и в быту. Холодное свечение стали использовать в химическом анализе разных веществ, а благодаря специальным покрытиям внутренних поверхностей стеклянных трубок – в массовом производстве экономных ламп дневного света.

Позже С.И. Вавилов сформулировал свое видение люминесценции в следующей редакции: «это избыточное излучение тела, длительностью 10⁻¹⁰ секунд, преобладающее над тепловым излучением».

Сущность представленного канонического определения состоит в том, что яркость материального тела, излучающего холодное свечение существенно выше, нежели яркость абсолютно черного тела в этом же диапазоне спектра при той же температуре.

Специфической

особенностью люминесценции выступает возможность проявления данного явления при более низких температурах, что совершенно исключает использование тепловой энергии.

От иных видов нетеплового излучения явление люминесценции отличается длительностью рассеивания и отражения света, считал С.И. Вавилов. По его мнению, данная величина должна быть меньше периода колебаний световой волны, т.е.<10⁻¹⁰ сек.

К специфическим особенностям проявления люминесценции необходимо также отнести несколько утверждений:

а) данный феномен имеет конечную длительность проявления;

б) может проявляться не только в твердых телах, но и в жидкости и газообразном состоянии вещества;

в) не подчиняется законам теплового излучения;

г) данное явление приравнивают к электромагнитному излучению, исходящему от возбужденных мельчайших частиц вещества.

Люминесценцию характеризует ряд показателей, которые используются во время исследований.

К ключевым индикаторам люминесценции относят:

– спектр возбуждения (демонстрирует совокупность волн возбуждения, вызывающих люминесценцию вещества),

– спектр излучения (демонстрирует совокупность всех волн, формирующих поток холодного излучения),

– энергетический выход (показывает отношение энергии потока люминесценции к полученной энергии возбуждения),

– квантовый выход (демонстрирует отношение квантового потока люминесценции к количеству квантов поглощенных веществом в рамках возбуждающего излучения).

На степень проявления люминесценции оказывает влияние несколько ключевых факторов:

1) водно-щелочная среда – более оптимальный вариант для проявления люминесценции, а кислотная среда – снижает степень проявления данного явления;

2) при повышении температуры окружающей среды выше 0°С, проявление люминесценции снижается;

3) на люминесценцию оказывает влияние концентрация люминесцентного покрытия;

4) присутствие сторонних веществ снижает активность явления люминесценции;

5) усиление возбуждающего излучения стимулирует люминесцирующий световой поток.

Процессы, происходящие в веществе на микроскопическом уровне во время люминесценции, подчинены действию научных законов (правил).

К ключевым законам люминесценции относят:

– Стокс и Люммель вводит в действие закономерность смещения спектров поглощения,

– постоянство спектров люминесценции при заданной температуре (обосновал Каши),

– В.Л. Лёвшин обосновывает феномен зеркальной симметрии, который гласит, что по спектру люминесценции можно определить спектр поглощения и наоборот.

На основе проведенных исследований С.И. Вавилову также удалось выявить закономерность постоянства квантового выхода

, которая гласит, что энергетический выход люминесценции на начальном этапе усиливается прямо пропорционально длине волны возбуждающих лучей, однако в последующем падает до самого минимума (фактически до нуля).

 

Механизм проявления люминесценции:

Физическая сущность данного явления заключается в периодических переходах мельчайших частиц вещества из состояния крайнего возбуждения в нормальный режим с выделением холодного излучения. К главным причинам, обуславливающим первоначальное возбуждение мельчайших частиц вещества необходимо отнести: химические реакции, внешнее облучение, температурный фактор.

Если рассматривать технический аспект применения люминесценции, то формами проявления данного феномена является: фосфоресценция и флуоресценция, выступающие, как подвиды фотолюминесценции.

В общепринятом понимании под фотолюминесценцией необходимо понимать свечение материального тела, возникающего под влиянием видимого света и лучей ультрафиолетового спектра.

Под фосфоресценцией в научной среде принято считать длительное послесвечение вещества (время жизни 10⁻⁹−10⁻⁶ сек.).

Под флуоресценцией понимают свечение, возникающее в результате возбуждения вещества (10⁻³−10 сек.).

Резкой границы между фосфоресценцией и флуоресценцией на практике нет. Экран телеприемника ярко светиться не только во время его работы, что обусловлено направленным воздействием электронного луча (флуоресценция), но и после выключения телевизора, когда человеческий глаз улавливает слабое послесвечение экрана (фосфоресценция).

Вещества, обладающие уникальным свойством генерировать «холодный свет» без нагрева получили название люминофоров. Чтобы люминофор возбуждался и начинал излучать свет к нему необходимо подводить внешнюю энергию. Наиболее распространенным способом возбуждения люминофоров является воздействие на материальное тело дневным светом или УФ-лучами.

 

Классификация разновидностей люминесценции, виды люминесценции:

В научной среде данный феномен классифицируют по следующим критериям.

По спектру идентифицируют в рамках:

– видимого потока излучения,

– ультрафиолетового излучения,

– рентгеновского потока излучения,

– инфракрасного потока лучей.

По времени свечения:

– если свечение угасает после пропадания потока возбуждающего излучения, то имеет место флуоресценция. Например, при дневном свете флуоресцируют синим светом кристаллы нафталина.

– если свечение продолжается определенное время после прекращения воздействия энергии возбуждающего действия, то здесь себя проявляет фосфоресценция.

По способу возбуждения:

– феномен люминесценции чаще всего отождествляется с названием фотолюминесценция, поскольку вещество возбуждается видимым светом,

– под влиянием альфа излучения, бета-лучей и гамма-излучения – возникает

радиолюминесценция,

– при возбуждении мониторов рентгеновских устройств ионизирующими рентгеновскими лучами возникает явление рентгенолюминесценции,

– под воздействием движущихся электронов проявляет себя явление катодолюминесценции, вызывающее свечение телевизионного экрана,

– под воздействием трения возникает феномен триболюминесценции,

– влияние электрического поля вызывает появления электролюминесценции. Иными словами электрический ток пропускается через определенные типы люминофоров. Поскольку светимость люминофоров такого вида незначительна, то их используют для световой сигнализации (светодиоды, надпись «выход» в концертных залах и залах кинотеатров),

– явление биолюминесценции проявляется в живых организмах и растительности (осиновые гнилушки, светлячки, морские животные). Причиной проявления свечения являются окислительные процессы, идущие в организме. Зачастую процесс окисления происходит с выделением световой энергии. Как правило, интенсивность биолюминесценции в живых организмах регулируется ферментами,

– химические реакции обуславливают активизацию процесса хемилюминесценции,

– процессы кристаллизации вещества инициируют проявление кристаллолюминесценции,

– у твердых материальных тел различают мономолекулярную, метастабильную или рекомбинационную люминесценцию. В первом случае возбуждение и испускание холодного свечения происходит в пределах одной мельчайшей частицы вещества. Во втором случае аналогичный процесс осуществляется на фоне метастабильного состояния. В случае рекомбинационной люминесценции возбуждение и испускание холодного свечения происходит в разных местах материального тела.

По природе вещества, излучающего свечение:

Люминесценция может быть первичной, когда холодное свечение излучает само вещество (витамины А и В) или вторичной, если вещество обработано специальными красителями. Так, клетки крови начинают люминесцировать после обработки плазмы органическими красителями – флюорохромами.

 

Применение люминесценции:

На сегодняшний день одним из перспективных направлений использования феномена люминесценции выступает люминесцентный анализ. Поскольку спектральный анализ люминесценции демонстрирует внутреннюю структуру материального тела, то это можно использовать в исследованиях количественного и качественного состава химических веществ.

Люминесцентный анализ широко применяется, прежде всего, в медицине для диагностики разных болезней.

Благодаря анализу точно фиксируют границы роста раковой опухоли (онкология), выявляют грибковые заболевания (дерматология), определяют витамины (биохимия), выявляют бактерии туберкулеза (микробиология), диагностируют язвы роговицы (исследование глазных болезней), определяют скорость кровотока (лечение внутренних болезней), делают анализ крови и находят следы токсинов (судебная медицина).

В фармакологии подобный анализ используют для идентификации лекарств и препаратов, обладающих ярко выраженными люминесцентными свойствами.

К другим направлениям использования люминесценции следует отнести:

– изготовление люминесцентных источников света;

– индикация разнообразных излучений;

– применение люминесцентных добавок для выявления неоднородностей и дефектов в металлургии;

– получение декоративных красящих составов;

– изготовление элементов фотолюминесцентных эвакуационных систем.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com,

 

карта сайта

спектры практическое применение исследование излучение измерение уф цвет квантовый центры выход возбуждение эффект процесс отличие явление интенсивность метод веществ понятие тушение законы люминесценции
кожная ультрафиолетовая химическая люминесценция в природе физика в медицине в криминалистике презентация света лампа определение примеры банкноты алмаза минералов 11 класс доклад воды квантовых точек химия

 

Коэффициент востребованности 307

comments powered by HyperComments

xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

люминесценция — это… Что такое люминесценция?

ЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ -и; ж. [от лат. lumen (luminis) — свет и escentia — суффикс, обозначающий слабое действие] Физ. Свечение газа, жидкости или твёрдого тела, обусловленное не нагревом тела, а нетепловым возбуждением его атомов и молекул.

(от лат. lumen, род. п. luminis — свет и –escent — суффикс, означающий слабое действие), свечение веществ, избыточное над их тепловым излучением при данной температуре и возбуждённое какими-либо источниками энергии. Возникает под действием света, радиоактивного и рентгеновского излучений, электрического поля, при химических реакциях и при механических воздействиях. Примеры люминесценции — свечение гниющего дерева, некоторых насекомых, экрана телевизора. По механизму различают резонансную, спонтанную, вынужденную и рекомбинационную люминесценцию, по длительности — флуоресценцию (кратковременную люминесценцию) и фосфоресценцию (длительную люминесценцию).

ЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ (от лат. lumen, родительный падеж luminis — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие), свечение, избыточное над тепловым излучением тела и продолжающееся после прекращения возбуждения в течение времени, значительно превышающего период световой волны (по определению С. И. Вавилова (см. ВАВИЛОВ Сергей Иванович)). Т. е. люминесценция — процесс неравновесный и не относится к тепловому равновесному излучению тел. Но люминесценция не относится и к таким практически безинерционным неравновесным процессам, как отражение и рассеяние света и тормозное излучение (см. ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). Для наблюдения люминесценции вещество необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, т. е. возбудить. При люминесценции акты возбуждения и излучения света разделены во времени промежуточными процессами, что обусловливает относительно длительное время существования свечения вещества после прекращения возбуждения.
Вещества, способные люминесцировать, называются люминофорами (см. ЛЮМИНОФОРЫ). Неорганические люминофоры часто называют фосфорами, а в том случае, когда они имеют кристаллическую структуру — кристаллофосфорами (см. КРИСТАЛЛОФОСФОРЫ).
Виды люминесценции
По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро затухающую люминесценцию) и фосфоресценцию (длительную люминесценцию). Деление это условное, так как нельзя указать строго определенной временной границы: она зависит от временного разрешения регистрирующих приборов.
В зависимости от вида возбуждения люминофора различают фотолюминесценцию (см. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ) (возбуждение светом), катодолюминесценцию (см. КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ) (возбуждение ускоренным потоком электронов), электролюминесценцию (см. ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ) (свечение под действием электрического поля), рентгенолюминесценцию (возбуждение рентгеновским излучением), радиолюминесценцию ( возбуждение a- и b-частицами, протонами, осколками ядерного деления), хеми (см. ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ)- и биолюминесценцию (см. БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ), при которых излучение света сопровождает химическую реакцию, лиолюминесценцию (возбуждение при растворении кристаллов) кандолюминесценцию (возбуждение при механических воздействиях, например, при разрушении кристаллической решетки).
В зависимости от механизмов элементарных процессов при люминесценции различают резонансную, спонтанную, метастабильную, или вынужденную, и рекомбинационную люминесценции.
Механизмы люминесценции
Люминесценция, по сути, процесс выделения полученной веществом предварительно при переходе в неравновесное состояние избыточной энергии. При возбуждении люминесценции атом (молекула), поглощая энергию, переходит с основного уровня энергии на возбужденный уровень. Если при люминесценции происходит обратный переход из возбужденного состояния в основное, частоты люминесценции и возбуждающего света совпадают, то наблюдается резонансная люминесценция.
При взаимодействии с окружающими атомами возбужденный атом может передать им часть энергии и перейти на промежуточный уровень, при излучательном переходе с которого происходит люминесценция, называемая спонтанной.
Такие переходы происходят самопроизвольно. При спонтанных переходах испускание фотонов не зависит от внешних воздействий на систему, поэтому спонтанное излучение является некогерентным. Под действием внешнего электромагнитного поля определенной частоты могут происходить квантовые переходы соответствующие частоте возбуждающего излучения. Это вынужденное или стимулированное излучение, которое является когерентным.
Механизм люминесценции в твердом теле, например, в полупроводнике, может различаться в зависимости от того, происходит ли она внутри примесного центра или с участием электронной подсистемы всего кристалла.
Уровень испускания может принадлежать тому же атому (молекуле), который поглотил энергию возбуждения (такие переходы называются внутрицентровыми). При внутрицентровой люминесценции все процессы поглощения энергии и испускания фотонов происходят внутри ионов-активаторов, а кристаллическая решетка играет пассивную роль. Переход энергии квантов люминесценции соответствует разнице энергетических уровней электрона до и после излучательного перехода или может отличаться от нее на энергию фононов, возникших в процессе рекомбинации. При возбуждении люминесценции атом (или молекула) поглощает энергию, ее собственный уровень энергии изменяется. Если процесс люминесценции испускание энергии происходит непосредственно тем же атомом, который поглотил энергию возбуждения, то происходит внутрицентровая люминесценция. В этом случае возбуждение люминофора не сопровождается ионизацией центра свечения, поскольку и основному и возбужденному состоянию активного иона соответствуют локальные уровни, лежащие внутри запрещенной зоны. Такой механизм люминесценции характерен для материалов с большой шириной запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА), например, в ZnS, легированном Mn, в Al₂O₃, легированном Cr, в Y₃Al₅O₁₂, легированном Nd.
При участии электронной подсистемы в процессе люминесценции имеет место рекомбинационное излучение. Передача энергии другим атомам и молекулам осуществляется электронами при электронно-ионных ударах, при процессах ионизации и рекомбинации, обменным путем, при непосредственном столкновении возбужденного атома с невозбужденным. Определяющей в кристаллах становится передача энергии с помощью электронов проводимости, дырок и электронно-дырочных пар и заключительным актом передачи энергии является рекомбинация (например, электронов и ионов или электронов и дырок). Рекомбинационная люминесценция характерна для полупроводниковых кристаллов. Излучение кванта света из полупроводника может происходить в результате межзонной рекомбинации, т. е. при переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону, рекомбинации экситонов (см. ЭКСИТОН) или при участии рекомбинационных ловушек. Очень часто в полупроводниках преобладает безызлучательная рекомбинация, когда освобождаемая энергия в виде теплоты передается кристаллической решетке.
Основные закономерности излучательной рекомбинации носителей определяются законами сохранения энергии и импульса.
Механизмы, аналогичные внутрицентровому поглощению света, получили название мономолекулярной и метастабильной люминесценции. Мономолекулярная люминесценция представляет собой свечение при обратном переходе электрона с возбужденного уровня на основной. Если на возбужденный центр одновременно действуют еще какие-либо внешние факторы, то имеет место метастабильная люминесценция. При метастабильной (вынужденной или стимулированной) люминесценции атом (молекула) прежде, чем перейти на уровень испускания, оказывается на промежуточном уровне, и чтобы осуществился переход на уровень испускания, ему надо сообщить дополнительную энергию, например энергию теплового движения или света.
Свойства люминесценции
Процессы, связанные с образованием центров свечения и механизмы люминесценции очень разнообразны. Люминесцентные свойства твердых тел во многом определяются концентрацией примесей и дефектов структуры. Примесные атомы, образующие локальные уровни в запрещенной зоне кристаллов, отвечающие за свечение материала, называются активаторами люминесценции. Часто спектр вводимого активатора определяет спектр свечения люминофора. Во многих случаях точечные дефекты могут быть многозарядными, кроме этого при высоких концентрациях точечные дефекты могут образовывать ассоциаты или комплексы, которые тоже могут являться центрами свечения. Механизмы излучения также многообразны.
Мономолекулярная и метастабильная люминесценция проявляются в кристаллах рубина Al₂O₃, легированных хромом (часть атомов алюминия замещена атомами хрома). Переходы электронов внутри уровней, принадлежащих Cr³⁺, обусловливают две линии излучения, которые беспрепятственно выводятся из широкозонного кристалла Al₂O₃. Это явление используется в лазерах (см. ЛАЗЕР).
В полупроводниках более важную роль играет рекомбинационное излучение, которое происходит как непосредственно между электронами зоны проводимости и дырками валентной зоны, так и с участием примесных центров. Краевой люминесценцией в полупроводниках называют межзонное излучение с энергией квантов, равной ширине запрещенной зоны. Если в спектре люминесценции наблюдаются полосы с энергией менее ширины запрещенной зоны, то их происхождение связано с рекомбинацией через локальные центры, так как примесные атомы образуют локальные уровни. Такая люминесценция является примесной. Излучение может быть за счет внутрицентровой люминесценции, за счет излучательной рекомбинации носителей заряда в донорно-акцепторных парах, может осуществляться рекомбинационная люминесценция с участием одной из зон, может происходить излучательный распад свободных экситонов (в соединения А²В⁶), и экситонов, связанных с мелкими донорами, люминесценция экситонов, локализованная на электронных ловушках и т. д. Экситонная люминесценция наблюдается также в чистых кристаллах с малым количеством примеси и соответствует рекомбинации экситонов.
На характер спектра излучения вещества помимо типа и концентрации дефектов в нем влияют такие внешние факторы, как температура, уровень возбуждения образца, наличие деформаций, электрических и магнитных полей и т. д.
Количественно люминесценция, как и любое электромагнитное излучение, характеризуется интенсивностью — числом квантов (энергией), излучаемой с единицы поверхности кристалла в единицу времени. Эффективность преобразования разных видов энергии в излучение при люминесценции характеризуют энергетическим выходом (КПД), который определяется как отношение излученной энергии к поглощенной за то же время:
h= Е_изл/Е_погл
Интенсивность люминесценции зависит от относительного вклада излучательной и безызлучательной рекомбинации, поэтому ни интенсивность люминесценции, ни площадь пика примесной люминесценции не являются величинами, пропорциональными концентрации примесных центров. Определение природы центров свечения в кристаллах является очень сложной задачей. Обычно параллельно с термовысвечиванием используется электронный парамагнитный резонанс.
Тушение люминесценции
Повышение вероятности безызлучательных переходов приводит к тушению люминесценции. Тушение люминесценции зависит как от природы люминесцирующего вещества и его агрегатного состояния, так и от внешних условий.
В кристаллах тушение связано с перепоглощением люминесценции на уровнях центров тушения и перезахватом ими образующихся неравновесных носителей заряда. В ряде случаев наблюдается концентрационное тушение люминесценции, возникающее при увеличении концентрации центров свечения. Причиной его возникновения является то обстоятельство, что при больших концентрациях центров свечения, когда они располагаются близко друг от друга, между ними может возникнуть взаимодействие, в результате которого вероятность излучательного перехода уменьшится. Тушителями люминесценции могут быть некоторые точечные дефекты (некоторые примеси в кристаллах), а также радиационные дефекты. В этом случае тушение связано с перепоглощением люминесценции на уровнях центров тушения и перезахватом ими образующихся неравновесных носителей заряда.
Применение люминесценции
Спектральный анализ люминесценции является методом исследования полупроводников и диэлектриков. Изучение спектра, кинетики и поляризации излучения люминесценции (поляризация люминесценции связана с ориентацией и мультипольностью излучающих и поглощающих атомных систем) позволяет исследовать спектр энергетического состояния вещества, пространственную структуру молекул, процессы миграции энергии и т. д. Характер спектра излучения кристаллов зависит от очень многих факторов, от типа и концентрации дефектов, температуры, уровня возбуждения, наличия деформаций, электрических и магнитных полей. Все это позволяет использовать спектральный анализ люминесценции в качестве метода исследования кристаллов.
Люминесцирующие вещества являются активной средой лазеров. Катодолюминесценция лежит в основе свечения экранов осциллографов, телевизоров, локаторов. Полупроводниковые светодиоды основаны на явлении электролюминесценции, в рентгеноскопии использую рентгенолюминесценцию. В сцинтилляционных детекторах (см. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР) используется радиолюминесценция — свечение сцинтилляторов под воздействием радиационного облучения, и т. д.

dic.academic.ru

Значение слова ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ. Что такое ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ?

• ЛЮМИНЕСЦЕ́НТНЫЙ, —ая, —ое. Физ. Основанный на люминесценции. Люминесцентные лампы. Люминесцентный анализ.

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Когда-нибудь я тоже научусь различать смыслы слов.

В каком смысле употребляется прилагательное белый в отрывке:

Вот это масло я собираю и смешиваю с белой глиной.

В прямом
смысле

В переносном
смысле

Это устойчивое
выражение

Это другое
прилагательное

kartaslov.ru

Люминесцентные лампы — это… Что такое Люминесцентные лампы?

Различные виды люминесцентных ламп

Люминесце́нтная лампа — газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов. Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения. Срок службы люминесцентных ламп может до 20 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в противном случае быстро выходят из строя. Наиболее распространённой разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа. Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора.

Область применения

Коридор, освещенный люминесцентными лампами

Люминесцентные лампы — наиболее распространённый и экономичный источник света для создания рассеянного освещения в помещениях общественных зданий: офисах, школах, учебных и проектных институтах, больницах, магазинах, банках, предприятиях. С появлением современных компактных люминесцентных ламп, предназначенных для установки в обычные патроны E27 или E14 вместо ламп накаливания, они стали завоёвывать популярность и в быту. Применение электронных пускорегулирующих устройств (балластов) вместо традиционных электромагнитных позволяет улучшить характеристики люминесцентных ламп — избавиться от мерцания и гула, ещё больше увеличить экономичность, повысить компактность.

Главными достоинствами люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания являются высокая светоотдача (люминесцентная лампа 23 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания) и более длительный срок службы (2000^[1]-20000 часов против 1000 часов). В некоторых случаях это позволяет люминесцентным лампам экономить значительные средства, несмотря на более высокую начальную цену.

Применение люминесцентных ламп особенно целесообразно в случаях, когда освещение включено продолжительное время, поскольку включение для них является наиболее тяжёлым режимом и частые включения-выключения сильно снижают срок службы.

История

Первым предком лампы дневного света была лампа Генриха Гайсслера, который в 1856 году получил синее свечение от заполненой газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго, штат Иллинойс, Томас Эдисон показал люминесцентное свечение. В 1894 году М. Ф. Моор создал лампу, в которой использовал азот и углекислый газ, испускающий розово-белый свет. Эта лампа имела умеренный успех. В 1901, Питер Купер Хьюитт демонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет синего-зелёного цвета, и таким образом была непригодна в практических целях. Это было, однако, очень близко к современному дизайну, и имело намного более высокую эффективность чем лампы Гайсслера и Эдисона. В 1926 году Эдмунд Джермер и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждёной плазмой в более однородно бело-цветной свет. Э.Джермер в настоящее время признан как изобретатель лампы дневного света. General Electric позже купила патент Джермера, и под руководством Джорджа Э. Инмана довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования к 1938 году.

Принцип работы

При работе люминесцентной лампы между двумя электродами находящимися в противоположных концах лампы возникает тлеющий электрический разряд. Лампа заполнена парами ртути и проходящий ток приводит к появлению УФ излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое поглощает УФ излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок свечения лампы.

Особенности подключения

С точки зрения электротехники люминесцентная лампа — устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением (чем больший ток через неё проходит — тем меньше её сопротивление, и тем меньше падение напряжения на ней). Поэтому при непосредственном подключении к электрической сети лампа очень быстро выйдет из строя из-за огромного тока, проходящего через неё. Чтобы предотвратить это, лампы подключают через специальное устройство (балласт).

В простейшем случае это может быть обычный резистор, однако в таком балласте теряется значительное количество энергии. Чтобы избежать этих потерь при питании ламп от сети переменного тока в качестве балласта должно применяться реактивное сопротивление (конденсатор или катушка индуктивности).

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа балластов — электромагнитный и электронный.

Электромагнитный балласт

Произведёный в СССР электромагнитный балласт «1УБИ20». Недостатком являлся низкий cosф, так как реактивная мощность балласта зачастую больше мощности лампы

Электромагнитный балласт представляет собой индуктивное сопротивление (дроссель) подключаемое последовательно с лампой. Для запуска лампы с таким типом балласта требуется также стартер. Преимуществами такого типа балласта является его простота и дешевизна. Недостатки — мерцание ламп с удвоенной частотой сетевого напряжения (частота сетевого напряжения в России = 50 Гц), что повышает утомляемость и может негативно сказываться на зрении, относительно долгий запуск (обычно 1-3 сек, время увеличивается по мере износа лампы), большее потребление энергии по сравнению с электронным балластом. Дроссель также может издавать низкочастотный гул.

Помимо вышеперечисленных недостатков, можно отметить ещё один. При наблюдении предмета вращающегося или колеблющегося с частотой равной или кратной частоте мерцания люминесцентных ламп с электромагнитным балластом такие предметы будут казаться неподвижными из-за эффекта стробирования. Например этот эффект может затронуть шпиндель токарного или сверлильного станка, циркулярную пилу, мешалку кухонного миксера, блок ножей вибрационной электробритвы.

Во избежание травмирования на производстве запрещено использовать люминесцентные лампы с электромагнитным балластом для освещения движущихся частей станков и механизмов без дополнительной подсветки лампами накаливания.

Электронный балласт

электронный балласт

Электронный балласт представляет собой электронную схему, преобразующую сетевое напряжение в высокочастотный (20-60 кГц) переменный ток, который и питает лампу. Преимуществами такого балласта является отсутствие мерцания и гула, более компактные размеры и меньшая масса, по сравнению с электромагнитным балластом. При использовании электронного балласта возможно добиться мгновенного запуска лампы (холодный старт), однако такой режим неблагоприятно сказывается на сроке службы лампы, поэтому применяется и схема с предварительным прогревом электродов в течение 0,5-1 сек (горячий старт). Лампа при этом зажигается с задержкой, однако этот режим позволяет увеличить срок службы лампы.

Механизм запуска лампы с электромагнитным балластом

подключение 58-ваттных ламп классическим способом в рекламном щите

стартер

В классической схеме включения с электромагнитным балластом для автоматического регулирования процесса зажигания лампы применяется пускатель (стартер), представляющий собой миниатюрную газоразрядную лампочку с неоновым наполнением и двумя металлическими электродами. Один электрод пускателя неподвижный жёсткий, другой — биметаллический, изгибающийся при нагреве. В исходном состоянии электроды пускателя разомкнуты. Пускатель включается параллельно лампе.

В момент включения к электродам лампы и пускателя прикладывается полное напряжение сети, так как ток через лампу отсутствует и падение напряжения на дросселе равно нулю. Электроды лампы холодные и напряжение сети недостаточно для её зажигания. Но в пускателе от приложенного напряжения возникает разряд, в результате которого ток проходит через электроды лампы и пускателя. Ток разряда мал для разогрева электродов лампы, но достаточен для электродов пускателя, отчего биметаллическая пластинка, нагреваясь, изгибается и замыкается с жёстким электродом. Ток в общей цепи возрастает и разогревает электроды лампы. В следующий момент электроды пускателя остывают и размыкаются. Мгновенный разрыв цепи тока вызывает мгновенный пик напряжения на дросселе что и вызывает зажигание лампы, это явление основано на самоиндукции. Параллельно стартеру подключен миниатюрный конденсатор небольшой емкости, служащий для уменьшения создаваемых радиопомех. Кроме того, он оказывает влияние на характер переходных процессов в стартере так, что способствует зажиганию лампы. Конденсатор вместе с дросселем образует колебательный контур, который контролирует пиковое напряжение и длительность импульса зажигания (при отсутствии конденсатора во время размыкания электродов стартера возникает очень короткий импульс большой амплитуды, генерирующий кратковременный разряд в стартере, на поддержание которого расходуется большая часть энергии, накопленной в индуктивности контура). К моменту размыкания стартера электроды лампы уже достаточно разогреты. Разряд в лампе возникает сначала в среде аргона, а затем, после испарения ртути, приобретает вид ртутного. В процессе горения напряжение на лампе и пускателе составляет около половины сетевого за счёт падения напряжения на дросселе, что устраняет повторное срабатывание пускателя. В процессе зажигания лампы пускатель иногда срабатывает несколько раз подряд вследствие отклонений во взаимосвязанных между собой характеристиках пускателя и лампы. В некоторых случаях при изменении характеристик пускателя и\или лампы возможно возникновение ситуации когда стартер начинает срабатывать циклически. Это вызывает характерный эффект когда лампа периодически вспыхивает и гаснет, при погасании лампы видно свечение катодов накаленных током протекающим через сработавший стартер.

Механизм запуска лампы с электронным балластом

В отличие от электромагнитного балласта для работы электронного баласта зачастую не требуется отдельный специальный стартер т.к. такой балласт в общем случае способен сформировать необходимые последовательности напряжений сам. Существуют разные технологии запуска люминесцентных ламп электронными балластами. В наиболее типичном случае электронный балласт подогревает катоды ламп и прикладывает к катодам напряжение, достаточное для зажигания лампы, чаще всего — переменное и высокочастотное (что заодно устраняет мерцание лампы характерное для электромагнитных балластов). В зависимости от конструкции балласта и временных параметров последовательности запуска лампы такие балласты могут обеспечивать например плавный запуск лампы с постепенным нарастанием яркости до полной за несколько секунд или же мгновенное включение лампы. Часто встречаются комбинированные методы запуска когда лампа запускается не только за счет факта подогрева катодов лампы но и за счет того что цепь в которую включена лампа является колебательным контуром. Параметры колебательного контура подбираются так, чтобы при отсутствии разряда в лампе в контуре возникает явление электрического резонанса, ведущее к значительному повышению напряжения между катодами лампы. Как правило это ведет и к росту тока подогрева катодов поскольку при такой схеме запуска спирали накала катодов нередко соединены последовательно через конденсатор, являясь частью колебательного контура. В результате за счет подогрева катодов и относительно выского напряжения между катодами лампа легко зажигается. После зажигания лампы параметры колебательного контура изменяются, резонанс прекращается и напряжение в контуре значительно падает, сокращая ток накала катодов. Существуют вариации данной технологии. Например, в предельном случае балласт может вообще не подогревать катоды, вместо этого приложив достаточно высокое напряжение к катодам что неизбежно приведет к почти мгновенному зажиганию лампы за счет пробоя газа между катодами. По сути этот метод аналогичен технологиям применяемым для запуска ламп с холодным катодом (CCFL). Данный метод достаточно популярен у радиолюбителей поскольку позволяет запускать даже лампы с перегоревшими нитями накала катодов которые не могут быть запущены обычными методами из-за невозможности подогрева катодов. В частности этот метод нередко используется радиолюбителями для ремонта компактных энергосберегающих ламп, которые являются обычной люминисцентной лампой с встроенным электронным балластом в компактном корпусе. После небольшой переделки балласта такая лампа может еще долго служить невзирая на перегорание спиралей подогрева и ее срок службы будет ограничен только временем до полного распыления электродов.

Балласт от перегоревшей энергосберегающей лампы подключён к лампе Т5

Причины выхода из строя

Электроды люминесцентной лампы представляют собой вольфрамовые нити, покрытые пастой (активной массой) из щелочноземельных металлов. Эта паста и обеспечивает стабильный тлеющий разряд, если бы ее не было, вольфрамовые нити очень скоро перегрелись бы и сгорели. В процессе работы она постепенно осыпается с электродов, выгорает, испаряется, особенно при частых пусках, когда некоторое время разряд происходит не по всей площади электрода, а на небольшом участке его поверхности, что приводит к перегреву электрода. Отсюда потемнение на концах лампы, часто наблюдаемое ближе к окончанию срока службы. Когда паста выгорит полностью, ток лампы начинает падать, а напряжение, соответственно, возрастать. Это приводит к тому, что начинает постоянно срабатывать стартер — отсюда всем известное мигание вышедших из строя ламп. Электроды лампы постоянно разогреваются и в конце концов одна из нитей перегорает, это происходит примерно через 2 — 3 дня, в зависимости от производителя лампы. После этого минуту-две лампа горит без всяких мерцаний, но это последние минуты в ее жизни. В это время разряд происходит через остатки перегоревшего электрода, на котором уже нет пасты из щелочноземельных металлов, остался только вольфрам. Эти остатки вольфрамовой нити очень сильно разогреваются, из-за чего частично испаряются, либо осыпаются, после чего разряд начинает происходить за счет траверсы (это проволочка, к которой крепится вольфрамовая нить с активной массой), она частично оплавляется. После этого лампа вновь начинает мерцать. Если ее выключить, повторное зажигание будет невозможным. На этом все и закончится. Вышесказанное справедливо при использовании электромагнитных ПРА (балластов). Если же применяется электронный балласт, все произойдет несколько иначе. Постепенно выгорит активная масса электродов, после чего будет происходить все больший их разогрев, рано или поздно одна из нитей перегорит. Сразу же после этого лампа погаснет без мигания и мерцания за счет предусматривающей автоматическое отключение неисправной лампы конструкции электронного балласта.

Люминофоры и спектр излучаемого света

Типичный спектр люминесцентной лампы.

Многие люди считают свет излучаемый люминесцентными лампами грубым и неприятным. Цвет предметов освещенных такими лампами может быть несколько искажён. Отчасти это происходит из-за синих и зеленых линий в спектре излучения газового разряда в парах ртути, отчасти из-за типа применяемого люминофора.

Во многих дешевых лампах применяется галофосфатный люминофор, который излучает в основном жёлтый и синий свет, в то время как красного и зелёного излучается меньше. Такая смесь цветов глазу кажется белым, однако при отражении от предметов свет может содержать неполный спектр, что воспринимается как искажение цвета. Однако такие лампы как правило имеют очень высокую световую отдачу.

В более дорогих лампах используется «трехполосный» и «пятиполосный» люминофор. Это позволяет добиться более равномерного распределения излучения по видимому спектру, что приводит к более натуральному воспроизведению света. Однако такие лампы как правило имеют более низкую световую отдачу.

Также существуют люминисцентные лампы, предназначенные для освещения помещений, в которых содержатся птицы. Спектр этих ламп содержит ближний ультрафиолет, что позволяет создать более комфортное для них освещение, приблизив его к естественному, так как птицы, в отличие от людей, имеют четырехкомпонентное зрение.

Производятся лампы, предназначенные для освещения мясных прилавков в супермаркетах. Свет этих ламп имеет розовый оттенок, в результате такого освещения мясо приобретает более аппетитный вид, что привлекает покупателей^[2].

Варианты исполнения

По стандартам лампы дневного света разделяются на колбные и компактные.

Колбные лампы

Советская люминесцентная лампа мощностью 20 Вт(«ЛД-20»). Современный европейский аналог этой лампы — T8 18W

Представляют собой лампы в виде стеклянной трубки. Различаются по диаметру и по типу цоколя, имеют следующие обозначения:

• T5 (диаметр 5/8 дюйма=1.59 см),
• T8 (диаметр 8/8 дюйма=2.54 см),
• T10 (диаметр 10/8 дюйма=3.17 см) и
• T12 (диаметр 12/8 дюйма=3.80 см).

Применение

Лампы такого типа часто можно увидеть в промышленных помещениях, офисах, магазинах на транспорте и т. д.

Компактные лампы

Универсальная лампа Osram для всех типов цоколей G24

Представляют собой лампы с согнутой трубкой. Различаются по типу цоколя на:

Выпускаются также лампы под стандартные патроны E27 и E14, что позволяет использовать их в обычных светильниках вместо ламп накаливания. Премуществом компактных ламп являются устойчивость к механическим повреждениям и небольшие размеры. Цокольные гнёзда для таких ламп очень просты для монтажа в обычные светильники, срок службы таких ламп составляет от 6000 до 15000 часов.

G23

У лампы G23 внутри цоколя расположен стартер, для запуска лампы дополнительно необходим только дроссель. Их мощность обычно не превышает 14 Ватт. Основное применение — настольные лампы, зачастую встречаются в светильниках для душевых и ванных комнат. Цокольные гнезда таких ламп имеют специальные отверстия для монтажа в обычные настенные светильники.

G24

Лампы G24Q1,G24Q2 и G24Q3 также имеют встроенный стартер, их мощность как правило от 11 до 36 Ватт. Применяются как в промышленных, так и в бытовых светильниках. Стандартный цоколь G24 можно крепить как шурупами, так и на купол (современные модели светильников).

Утилизация

Все люминесцентные лампы содержат ртуть (в дозах от 40 до 70 мг), ядовитое вещество. Эта доза может причинить вред здоровью, если лампа разбилась, и если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью. По истечении срока службы лампу, как правило, выбрасывают куда попало. На проблемы утилизации этой продукции в России индивидуальные потребители не обращают внимания, а производители стремятся устраниться от проблемы. Существует несколько фирм по утилизации ламп, и крупные промышленные предприятия обязаны сдавать лампы на переработку.

Источники

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ • Большая российская энциклопедия

ЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ (от лат. lumen, род. п. luminis – свет, и -escent- – суф­фикс, оз­на­чаю­щий сла­бое дей­ст­вие), оп­тич. не­ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние, воз­ни­каю­щее при воз­бу­ж­де­нии твёр­дых тел, рас­тво­ров и га­зов. Ин­тен­сив­ность Л. пре­вос­хо­дит ин­тен­сив­ность те­п­ло­во­го из­лу­че­ния тех же объ­ек­тов в оп­тич. диа­па­зо­не. Вре­мя по­слес­ве­че­ния (све­че­ния по­сле пре­кра­ще­ния внеш­не­го воз­дей­ст­вия) Л. мно­го­крат­но пре­вы­ша­ет пе­ри­од све­то­вых ко­ле­ба­ний (10^–15–10^–14 с) и со­став­ля­ет от 10^–10 с до не­сколь­ких ча­сов. Л. так­же на­зы­ва­ют эле­мен­тар­ные про­цес­сы, в ре­зуль­та­те ко­то­рых воз­ни­ка­ет та­кое из­лу­че­ние. Совр. тео­рия Л. ос­но­ва­на на кван­то­во­ме­ха­нич. пред­став­ле­ни­ях об элек­тро­маг­нит­ном из­лу­че­нии, строе­нии ве­ще­ст­ва и взаи­мо­дей­ст­вии из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом. Для ка­че­ст­вен­но­го по­ни­ма­ния при­ро­ды Л. дос­та­точ­ны пер­во­на­чаль­ные пред­став­ле­ния о кван­тах све­та и дис­крет­ных воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ни­ях ато­мов и мо­ле­кул, впер­вые сфор­му­ли­ро­ван­ные Н. Бо­ром в 1913. Л. воз­ни­ка­ет при оп­ре­де­лён­ных (на­зы­вае­мых спон­тан­ны­ми из­лу­ча­тель­ны­ми) пе­ре­хо­дах ато­мов, ио­нов или мо­ле­кул из со­стоя­ний с бо­лее вы­со­кой энер­ги­ей в со­стоя­ния с бо­лее низ­кой энер­ги­ей, в т. ч. в осн. со­стоя­ние. Не­ко­то­рые свой­ст­ва Л. уда­ёт­ся объ­яс­нить и с по­мо­щью клас­сич. вол­но­вой тео­рии, опи­сы­ваю­щей эле­мен­тар­ные ис­точ­ни­ки Л. как гар­мо­нич. ос­цил­ля­то­ры.

История исследований

Не­ко­то­рые слу­чаи Л., на­блю­даю­щие­ся в при­ро­де (све­че­ние на­се­ко­мых, гнию­щих де­ревь­ев, а так­же ми­не­ра­лов), бы­ли из­вест­ны с глу­бо­кой древ­но­сти и при­влек­ли вни­ма­ние учё­ных ещё в 16 в., ко­гда ста­ло по­нят­ным, что это из­лу­че­ние не обу­слов­ле­но на­гре­ва­ни­ем тел (по­это­му Л. час­то на­зы­ва­ют хо­лод­ным све­че­ни­ем). Тер­мин «Л.» впер­вые пред­ло­жил в 1888 Г. Ви­де­ман, оп­ре­де­лив­ший Л. как из­бы­ток ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния над ин­тен­сив­но­стью те­п­ло­во­го из­лу­че­ния те­ла. Ис­то­рия ис­сле­до­ва­ния Л. тес­но свя­за­на с от­кры­ти­ем рент­ге­нов­ских лу­чей, ес­теств. ра­дио­ак­тив­но­сти, ус­та­нов­ле­ни­ем элек­трон­ной при­ро­ды ка­тод­ных лу­чей и т. д.: все эти лу­чи бы­ли от­кры­ты в хо­де ис­сле­до­ва­ния яв­ле­ния лю­ми­нес­цен­ции.

Сис­те­ма­тич. ис­сле­до­ва­ния Л. на­ча­лись в 1-й пол. 20 в. в свя­зи с раз­ви­ти­ем её прак­тич. при­ме­не­ний. Прин­ци­пи­аль­ное уточ­не­ние оп­ре­де­ле­ния Л. да­но в кон. 1930-х гг. С. И. Ва­ви­ло­вым, ко­то­рый ввёл до­пол­нит. кри­те­рий дли­тель­но­сти по­слес­ве­че­ния. Со­глас­но его оп­ре­де­ле­нию, Л. на­зы­ва­ет­ся из­бы­ток из­лу­че­ния над те­п­ло­вым из­лу­че­ни­ем, ес­ли это из­лу­че­ние об­ла­да­ет инер­ци­он­но­стью (дли­тель­но­стью пос­ле­све­че­ния), мно­го­крат­но пре­вы­шаю­щей пе­ри­од све­то­вых ко­ле­ба­ний. Та­кой кри­те­рий дли­тель­но­сти по­зво­лил от­де­лить Л. от др. ма­ло­инер­ци­он­ных ви­дов из­лу­че­ния: из­лу­че­ния Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва, тор­моз­но­го, син­хро­трон­но­го и др. По­сле соз­да­ния ла­зе­ров во 2-й пол. 20 в. поя­ви­лась не­об­хо­ди­мость ука­зать на от­сут­ст­вие ко­ге­рент­но­сти лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния, что от­ли­ча­ет Л. от ла­зер­но­го из­лу­че­ния. В изу­че­нии осн. за­ко­но­мер­но­стей Л. и раз­ви­тии её при­ме­не­ний осо­бое зна­че­ние име­ют ра­бо­ты, про­ве­дён­ные в 20 в. рос. фи­зи­ка­ми на­уч. шко­лы, соз­дан­ной Ва­ви­ло­вым.

Виды люминесценции

В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба воз­бу­ж­де­ния ве­ще­ст­ва вы­де­ля­ют разл. ви­ды Л. Так, фо­то­лю­ми­нес­цен­ция воз­ни­ка­ет при воз­бу­ж­де­нии ве­ще­ст­ва оп­тич. из­лу­че­ни­ем (обыч­но УФ-диа­па­зо­на), элек­тро­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии элек­трич. по­лем, рент­ге­но­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии рент­ге­нов­ски­ми лу­ча­ми, ка­то­до­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии по­то­ка­ми элек­тро­нов, ио­но­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии пуч­ком ио­нов, ра­дио­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии ра­дио­ак­тив­ным из­лу­че­ни­ем, хе­ми­лю­ми­нес­цен­ция – в ре­зуль­та­те хи­мич. ре­ак­ций (хе­ми­лю­ми­нес­цен­цию жи­вых ор­га­низ­мов на­зы­ва­ют био­лю­ми­нес­цен­ци­ей). Из­вест­ны мн. др. ви­ды Л.: зву­ко­лю­ми­нес­цен­ция (при воз­дей­ст­вии ульт­ра­зву­ка), три­бо­лю­ми­нес­цен­ция (при тре­нии твёр­дых тел), тер­мо­лю­ми­нес­цен­ция (при на­гре­ва­нии пред­ва­ри­тель­но воз­бу­ж­дён­но­го ве­ще­ст­ва), ра­ди­ка­ло­ре­ком­би­на­ци­он­ная Л. (при воз­дей­ст­вии ра­ди­ка­лов) и др.

Переходы между энергетическими уровнями атома, молекулы или иона: а – простейший переход; б – переход через промежуточное метастабильное состояние. Красные линии соответствуют переходам с поглощением …

Наи­бо­лее про­стой вид Л. – фо­то­лю­ми­нес­цен­ция, при ко­то­рой в не­ко­то­рых слу­ча­ях все про­цес­сы – от по­гло­ще­ния кван­тов воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния до ис­пус­ка­ния кван­тов Л. – про­ис­хо­дят в преде­лах од­но­го и то­го же цен­тра (ато­ма, ио­на или мо­ле­ку­лы). Но и для это­го ви­да Л. на­блю­да­ют­ся разл. пе­ре­хо­ды ме­ж­ду энер­ге­тич. со­стоя­ния­ми цен­тра, что свя­за­но со слож­ной сис­те­мой воз­бу­ж­дён­ных энер­ге­тич. уров­ней. На­ря­ду с про­стей­шим слу­ча­ем воз­бу­ж­де­ния (рис., а), воз­мож­но пер­во­на­чаль­ное воз­бу­ж­де­ние цен­тра на бо­лее вы­со­кие энер­ге­тич. уров­ни (рис., б), по­сле че­го с уча­сти­ем фо­но­нов ре­шёт­ки осу­ще­ст­в­ля­ет­ся т. н. бе­зыз­лу­ча­тель­ный пе­ре­ход (ре­лак­са­ция) в про­ме­жу­точ­ное ме­та­ста­биль­ное со­стоя­ние. Ти­пич­ный при­мер та­ко­го про­цес­са – из­лу­че­ние в ли­ниях R₁ и R₂ иона хрома Cr³⁺ в кри­стал­ле ру­би­на. В спек­трах Л. трёх­ва­лент­ных ио­нов РЗЭ час­то на­блю­да­ет­ся неск. уз­ких по­лос Л., воз­ни­каю­щих при из­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дах с раз­ных воз­буж­дён­ных уров­ней, при­чём не­ко­то­рые по­ло­сы со­от­вет­ст­ву­ют пе­ре­хо­дам не в ос­нов­ные, а в бо­лее низ­кие воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния. Кро­ме то­го, да­же ниж­ние воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния обыч­но рас­ще­п­ле­ны на по­ду­ров­ни в ре­зуль­та­те элек­трон­но-ко­ле­ба­тель­ных взаи­мо­дей­ст­вий в мо­ле­ку­лах, элек­трон-фо­нон­ных взаи­мо­дей­ст­вий, а так­же Штар­ка эф­фек­та для из­лу­чаю­щих ио­нов в кри­стал­лах и стёк­лах. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ют слож­ные спек­тры Л., за­ви­ся­щие от мн. фак­то­ров: энер­ге­тич. струк­ту­ры из­лу­чаю­ще­го цен­тра, дли­ны вол­ны и ин­тен­сив­но­сти воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния, темп-ры и др. Спек­тры Л. час­то име­ют ква­зи­ли­ней­ча­тую струк­ту­ру, при­чём в рас­тво­рах ор­га­нич. со­еди­не­ний при по­ни­же­нии темп-ры до 10 К в спек­трах Л. мо­гут на­блю­дать­ся отд. уз­кие ли­нии.

Выход люминесценции

Оп­ре­де­ля­ют энер­ге­ти­че­ский и кван­то­вый вы­хо­ды Л. Со­глас­но С. И. Ва­ви­ло­ву, энер­ге­тич. вы­ход Л. есть от­но­ше­ние мощ­но­сти лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния к мощ­но­сти воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния, по­гло­щён­но­го ве­ще­ст­вом; кван­то­вый вы­ход Л. – от­но­ше­ние чис­ла кван­тов лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния к чис­лу кван­тов воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния, по­гло­щае­мых в ве­ще­ст­ве в еди­ни­цу вре­ме­ни. В 1924 Ва­ви­лов ус­та­но­вил за­ви­си­мость кван­то­во­го и энер­ге­тич. вы­хо­дов фо­то­лю­ми­нес­цен­ции от дли­ны вол­ны воз­бу­ж­даю­ще­го све­та (Ва­ви­ло­ва за­кон), а так­же по­ка­зал, что кван­то­вый вы­ход фо­то­лю­ми­нес­цен­ции не­ко­то­рых рас­тво­ров ор­га­нич. кра­си­те­лей мо­жет пре­вы­шать 60–70%. К кон. 20 в. раз­ра­бо­та­ны не­ко­то­рые ве­ще­ст­ва, кван­то­вый вы­ход в ко­то­рых бли­зок к 100% (напр., рас­твор ро­да­ми­на 6Ж, ла­зер­ные кри­стал­лы и стёк­ла с ио­на­ми РЗЭ).

В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев энер­гия фо­то­на лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния мень­ше энер­гии фо­то­на воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния (Сто­кса пра­ви­ло, обоб­щён­ное С. И. Ва­ви­ло­вым). Од­на­ко в не­ко­то­рых про­цес­сах, на­зы­вае­мых ан­ти­сто­ксо­вы­ми, реа­ли­зу­ет­ся про­ти­во­по­лож­ная си­туа­ция, в ре­зуль­та­те че­го энер­ге­тич. вы­ход Л. мо­жет стать боль­ше 100% (ан­ти­сто­ксо­ва лю­ми­нес­цен­ция). Это при­во­дит к ох­ла­ж­де­нию не­ко­то­рых стё­кол и кри­стал­лов с ио­на­ми РЗЭ при их воз­бу­ж­де­нии ла­зе­ром в ближ­ней ИК-об­лас­ти спек­тра [(1–2)·10^–6 м]. Прин­ци­пи­аль­ная воз­мож­ность по­лу­че­ния энер­ге­тич. вы­хо­да Л. боль­ше 100% бы­ла впер­вые обос­но­ва­на Л. Д. Лан­дау в 1946 на ос­но­ве рас­смот­ре­ния тер­мо­ди­на­ми­ки не­об­ра­ти­мых про­цес­сов. Вы­ход Л. боль­ше 100% воз­мо­жен в том слу­чае, ес­ли эн­тро­пия воз­буж­даю­ще­го из­лу­че­ния ока­зы­ва­ет­ся мень­ше эн­тро­пии лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния. Не­дос­та­ток энер­гии по­кры­ва­ет­ся за счёт те­п­ло­вой энер­гии лю­ми­нес­ци­рую­ще­го те­ла. Од­ним из ви­дов ан­ти­сто­ксо­вой Л. яв­ля­ет­ся коо­пе­ра­тив­ная лю­ми­нес­цен­ция.

Раз­ли­ча­ют внут­рен­ний (ис­тин­ный) вы­ход и внеш­ний (тех­нич.) вы­ход Л. В объ­ек­тах с вы­со­ким по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния, к ко­то­рым от­но­сят­ся мн. по­лу­про­вод­ни­ки, ис­поль­зуе­мые в совр. све­то­дио­дах, эти ве­ли­чи­ны мо­гут раз­ли­чать­ся в неск. раз из-за по­терь све­та при его мно­го­крат­ном от­ра­же­нии. Для вы­во­да из­лу­че­ния из та­ких све­то­дио­дов их по­верх­но­сти при­да­ют осо­бую фор­му и ис­поль­зу­ют про­свет­ляю­щие по­кры­тия. В ре­зуль­та­те ре­аб­сорб­ции лю­ми­нес­ци­рую­ще­го из­лу­че­ния гео­мет­рич. фор­ма лю­ми­нес­ци­рую­щих объ­ек­тов мо­жет су­ще­ст­вен­но из­ме­нить вид спек­тра из­лу­че­ния, в т. ч. сдви­гая этот спектр в бо­лее длин­но­вол­но­вую (крас­ную) об­ласть. Так­же из-за мно­го­крат­ных от­ра­же­ний све­та на­блю­да­ет­ся за­мет­ное уве­ли­че­ние дли­тель­но­сти по­слес­ве­че­ния. Т. о., ха­рак­те­ри­сти­ки Л., стро­го го­во­ря, оп­ре­де­ля­ют­ся не толь­ко ве­ще­ст­вом и ус­ло­вия­ми его воз­бу­ж­де­ния, но и гео­мет­рич. фор­мой из­лу­чаю­ще­го объ­ек­та.

Механизмы люминесценции

Не­об­хо­ди­мое ус­ло­вие для воз­ник­но­ве­ния Л. – дос­та­точ­но ши­ро­кий энер­ге­тич. за­зор (> 0,6 эВ) ме­ж­ду уров­ня­ми воз­бу­ж­дён­но­го и осн. со­стоя­ний. По­это­му твёр­дые и жид­кие ме­тал­лы, в ко­то­рых от­сут­ст­ву­ет со­от­вет­ст­вую­щий энер­ге­тич. за­зор, лю­ми­нес­ци­ро­вать не мо­гут, то­гда как пары́ мн. ме­тал­лов хо­ро­шо лю­ми­нес­ци­ру­ют, а ио­ны РЗЭ ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве ра­бо­чих цен­тров в лю­ми­но­фо­рах и ла­зер­ных кри­стал­лах.

При фо­то­лю­ми­нес­цен­ции час­то воз­ни­ка­ют про­цес­сы пе­ре­но­са энер­гии элек­трон­ных воз­бу­ж­де­ний от од­них оп­тич. цен­тров к дру­гим. В ре­зуль­та­те та­ких про­цес­сов су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ют­ся все ха­рак­те­ри­сти­ки лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния: вы­ход и спектр све­че­ния, инер­ци­он­ность и по­ля­ри­за­ция (см. По­ля­ри­зо­ван­ная лю­ми­нес­цен­ция). Пе­ре­нос энер­гии име­ет ме­сто в лю­ми­но­фо­рах, ла­зер­ных кри­стал­лах и стёк­лах с ио­на­ми РЗЭ, что по­зво­ля­ет по­лу­чать лю­ми­нес­цент­ное из­лу­че­ние в тре­буе­мом ин­тер­ва­ле длин волн (сен­си­би­ли­зи­ро­ван­ная лю­ми­нес­цен­ция). В ре­зуль­та­те пе­ре­но­са энер­гии воз­бу­ж­де­ния ме­ж­ду оп­тич. цен­тра­ми воз­мож­но ан­ти­сто­ксо­во пре­об­ра­зо­ва­ние ИК-из­лу­че­ния в ви­ди­мый свет, а так­же по­лу­че­ние не­сколь­ких кван­тов ви­ди­мо­го све­та при воз­бу­ж­де­нии ио­нов РЗЭ УФ-из­лу­че­ни­ем.

Во мно­гих лю­ми­но­фо­рах реа­ли­зу­ет­ся ре­ком­би­на­ци­он­ный ме­ха­низм Л., при ко­то­ром по­гло­ще­ние воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию сво­бод­ных элек­тро­нов в зо­не про­во­ди­мо­сти и ды­рок в ва­лент­ной зо­не с по­сле­дую­щей из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ци­ей этих не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да. Ре­ком­би­на­ция про­ис­хо­дит, как пра­ви­ло, на цен­трах све­че­ния, т. е. в спе­ци­аль­но вво­ди­мых при­ме­сях. Ре­ком­би­на­ци­он­ный ме­ха­низм Л. реа­ли­зу­ет­ся и при др. ви­дах воз­бу­ж­де­ния, напр. в све­то­дио­дах из­лу­ча­тель­ная ре­ком­би­на­ция но­си­те­лей за­ря­да про­ис­хо­дит вбли­зи р–n-пе­ре­хо­да. Су­ще­ст­ву­ет так­же эк­си­тон­ный ме­ха­низм све­че­ния, при ко­то­ром из­лу­че­ние воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те ан­ни­ги­ля­ции эк­си­то­нов.

При рент­ге­но- и ка­то­до­лю­ми­нес­цен­ции пер­во­на­чаль­но воз­ни­ка­ют сво­бод­ные элек­тро­ны, энер­гия ко­то­рых мно­го­крат­но пре­вос­хо­дит энер­гию кван­тов лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния, со­став­ляю­щую 2–3 эВ. По­это­му в та­ких слу­ча­ях Л. воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те кас­кад­но­го раз­мно­же­ния пер­вич­ных эле­мен­тар­ных воз­бу­ж­де­ний. Од­на­ко энер­ге­тич. вы­ход этих ви­дов Л. не пре­вы­ша­ет 25%, т. е. бóль­шая часть энер­гии воз­бу­ж­де­ния пе­ре­хо­дит в те­п­ло­ту. Пе­ре­ход час­ти энер­гии воз­бу­ж­де­ния в те­п­ло­ту прин­ци­пи­аль­но ог­ра­ни­чи­ва­ет пре­дель­ную яр­кость све­че­ния всех лю­ми­нес­цент­ных ис­точ­ни­ков све­та ве­ли­чи­ной 10⁵ кд/м² (при боль­шей яр­ко­сти раз­ви­ва­ет­ся тем­пе­ра­тур­ное ту­ше­ние).

При ра­бо­те ла­зе­ров (т. е. при ин­вер­си­он­ной на­се­лён­но­сти ра­бо­чих энер­ге­тич. уров­ней) на­ря­ду со сти­му­ли­ро­ван­ны­ми пе­ре­хо­да­ми, соз­даю­щи­ми ла­зер­ное из­лу­че­ние, на­блю­да­ют­ся и спон­тан­ные пе­ре­хо­ды – Л. Та­кая Л. об­ла­да­ет ря­дом осо­бен­но­стей и на­зы­ва­ет­ся су­пер­лю­ми­нес­цен­ци­ей.

Как пра­ви­ло, при Л. раз­ви­ва­ют­ся бе­зыз­лу­ча­тель­ные про­цес­сы, в ко­то­рых зна­чит. часть энер­гии воз­бу­ж­де­ния в ко­неч­ном счё­те пе­ре­хо­дит в те­п­ло­вую энер­гию, и на­блю­да­ет­ся ту­ше­ние лю­ми­нес­цен­ции. Из­вест­ны разл. ви­ды и ме­ха­низ­мы ту­ше­ния Л.: тем­пе­ра­тур­ное ту­ше­ние (вы­ход Л. на­чи­на­ет рез­ко па­дать при пре­вы­ше­нии не­ко­то­рой кри­тич. темп-ры, со­став­ляю­щей 100–200 °C), кон­цен­тра­ци­он­ное ту­ше­ние, воз­ни­каю­щее при вы­со­кой кон­цен­тра­ции цен­тров све­че­ния, ту­ше­ние по­сто­рон­ни­ми при­ме­ся­ми, напр. ио­на­ми груп­пы же­ле­за, с вы­со­кой ве­ро­ят­но­стью бе­зыз­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дов.

Инерционность люминесценции

Дли­тель­ность Л. в раз­ных об­раз­цах варь­и­ру­ет­ся в очень ши­ро­ких пре­де­лах. В 20 в. ши­ро­ко при­ме­ня­лись тер­ми­ны, вы­де­ляю­щие ви­ды Л. в за­ви­си­мо­сти от её инер­ци­он­но­сти: флуо­рес­цен­ция (ко­рот­кое по­слес­ве­че­ние) и фос­фо­рес­цен­ция (дли­тель­ное по­слес­ве­че­ние).

В про­стей­шем слу­чае ин­тен­сив­ность по­слес­ве­че­ния $I$ опи­сы­ва­ет­ся экс­по­нен­ци­аль­ным за­ко­ном: $I(t)=I_0e^{–t/τ}$ , где $I_0$ – ин­тен­сив­ность све­че­ния в мо­мент пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния, $I(t)$ – ин­тен­сив­ность по­слес­ве­че­ния в мо­мент вре­ме­ни $t$ по­сле пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния, $\tau$ – ср. вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ний (ве­ли­чи­на, об­рат­ная ве­ро­ят­но­сти из­лу­ча­тель­но­го пе­ре­хо­да). Ве­ли­чи­на τ для раз­ре­шён­ных оп­тич. пе­ре­хо­дов в ви­ди­мой об­лас­ти спек­тра со­став­ля­ет 10^–9–10^–8 с, а при на­ли­чии бе­зыз­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дов мо­жет со­кра­щать­ся до 10^–11 с. Для за­пре­щён­ных пе­ре­хо­дов вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ний уве­ли­чи­ва­ет­ся на неск. по­ряд­ков. Так, для из­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дов внут­ри 4f-элек­трон­ных обо­ло­чек ио­нов РЗЭ τ со­став­ля­ет 10^–4–10^–2 с, а для три­плет-синг­лет­ных пе­ре­хо­дов в мо­ле­ку­лах – от 10^–2 с до 1 с.

Экс­по­нен­ци­аль­ный за­кон за­ту­ха­ния ин­тен­сив­но­сти Л. реа­ли­зу­ет­ся лишь в том слу­чае, ко­гда все про­цес­сы про­ис­хо­дят в пре­де­лах од­но­го и то­го же цен­тра све­че­ния. Для сен­си­би­ли­зи­ро­ван­ной Л., ко­гда по­гло­ще­ние воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния про­ис­хо­дит в од­них цен­трах (сен­си­би­ли­за­то­рах), а Л. воз­ни­ка­ет в др. цен­трах, за­кон по­слес­ве­че­ния су­ще­ст­вен­но от­ли­ча­ет­ся от экс­по­нен­ци­аль­но­го. При крат­ко­вре­мен­ном, напр. ла­зер­ном, воз­бу­ж­де­нии ин­тен­сив­ность сен­си­би­ли­зи­ро­ван­ной Л. мо­жет да­же су­ще­ст­вен­но воз­рас­тать по­сле пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния. Совр. ла­зер­ная ап­па­ра­ту­ра по­зво­ля­ет про­сле­дить по­сле­до­ва­тель­ность раз­ви­тия та­кой Л.: по­сте­пен­ный пе­ре­ход от ре­зо­нанс­но­го рас­сея­ния све­та к ком­би­на­ци­он­но­му рас­сея­нию, за­тем к т. н. го­ря­чей Л. и, на­ко­нец, к обыч­ной Л., при ко­то­рой ус­та­нав­ли­ва­ет­ся те­п­ло­вое рав­но­ве­сие по по­ду­ров­ням воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния в диа­па­зо­не вре­ме­ни 10^–13–10^–9 с.

Для ре­ком­би­на­ци­он­ной Л. обыч­но вы­пол­ня­ет­ся ги­пер­бо­лич. за­кон за­ту­ха­ния, т. е. за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти по­сле­све­че­ния от вре­ме­ни оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой: $I(t)=I_0/(1+pt)^α$, где $p$ – кон­стан­та, за­ви­ся­щая от ти­па ве­ще­ст­ва и ин­тен­сив­но­сти воз­бу­ж­де­ния, по­ка­за­тель сте­пе­ни α ле­жит в пре­де­лах 1 ⩽ α ⩽ 2. Дли­тель­ность по­слес­ве­че­ния ре­ком­би­на­ци­он­ной Л. в осн. оп­ре­де­ля­ет­ся за­хва­том не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да цен­тра­ми за­хва­та и их по­сле­дую­щим те­п­ло­вым вы­сво­бо­ж­де­ни­ем из этих цен­тров. Для не­ко­то­рых лю­ми­но­фо­ров с ре­ком­би­на­ци­он­ным ме­ха­низ­мом све­че­ния по­слес­ве­че­ние за­мет­но в за­тем­нён­ном по­ме­ще­нии да­же че­рез су­тки по­сле пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния.

Применение люминесценции

 Силь­ная за­ви­си­мость ха­рак­те­ри­стик Л. от со­ста­ва ве­ще­ст­ва и ус­ло­вий его воз­бу­ж­де­ния су­ще­ст­вен­но ос­лож­ня­ет её ис­сле­до­ва­ние и при­ме­не­ние. Од­на­ко имен­но это свой­ст­во Л. да­ёт бо­лее глу­бо­кое по­ни­ма­ние при­ро­ды фи­зич. яв­ле­ний. Чув­ст­ви­тель­ность ха­рак­те­ри­стик Л. к не­боль­шим из­ме­не­ни­ям со­ста­ва и строе­ния ве­ще­ст­ва ле­жит в ос­но­ве ме­то­дов лю­ми­нес­цент­но­го ана­ли­за. Ис­сле­до­ва­ния Л. спо­соб­ст­ву­ют раз­ра­бот­ке но­вых ла­зер­ных сред, в т. ч. пер­спек­тив­ных пар ра­бо­чих ио­нов (напр., ионов хро­ма и не­оди­ма), обес­пе­чи­ваю­щих уве­ли­че­ние кпд ла­зер­но­го из­лу­че­ния.

Ещё в 1930 С. И. Ва­ви­ло­вым бы­ли пред­ло­же­ны лю­ми­нес­цент­ные лам­пы, совр. мо­ди­фи­ка­ции ко­то­рых ис­поль­зу­ют­ся и в 21 в. Боль­шой прак­тич. ин­те­рес пред­став­ля­ет элек­тро­лю­ми­нес­цен­ция, по­зво­ляю­щая соз­да­вать ма­ло­га­ба­рит­ные эко­но­мич­ные ис­точ­ни­ки све­та с ра­бо­чим на­пря­же­ни­ем все­го 3–4 В. Ак­тив­но ис­поль­зу­ют­ся све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды на ос­но­ве по­лу­про­вод­ни­ко­вых со­еди­не­ний, в т. ч. ме­тал­ло­ор­га­ни­че­ских, пред­став­ляю­щие со­бой мно­го­слой­ные тон­ко­п­лё­ноч­ные струк­ту­ры, тол­щи­на сло­ёв ко­то­рых до­хо­дит до 10–100 нм.

Лю­ми­но­фо­ры с вы­со­кой инер­ци­он­но­стью Л. ис­поль­зу­ют­ся, напр., для ава­рий­но­го ос­ве­ще­ния разл. по­ме­ще­ний. Лю­ми­но­фо­ры с ко­рот­ким по­слес­ве­че­ни­ем при­ме­ня­ют­ся в сцин­тил­ля­ци­он­ных счёт­чи­ках ра­дио­ак­тив­ных из­лу­че­ний, в ко­то­рых уда­ёт­ся ре­ги­ст­ри­ро­вать оди­ноч­ные α-, β- и γ-час­ти­цы. Разл. ви­ды Л. ис­поль­зу­ют­ся для ви­зуа­ли­за­ции изо­бра­же­ний, напр. при соз­да­нии ка­то­до­лю­ми­нес­цент­ных эк­ра­нов цвет­ных те­ле­ви­зо­ров. При при­ме­не­нии Л. в оп­тич. уст­рой­ст­вах ото­бра­же­ния ин­фор­ма­ции (напр., в те­ле­ви­де­нии) дли­тель­ность по­слес­ве­че­ния обыч­но не пре­вы­ша­ет 10^–3 с.

bigenc.ru

Люминофор — Википедия

Люминофо́р (от лат. lumen — свет и др.-греч. φορός — несущий) — вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение (люминесцировать).

Часы с тритиевым люминофором

По химической природе люминофоры разделяются на неорганические (фосфо́ры), большинство из которых относится к кристаллофосфо́рам, и органические (органолюминофоры). Свечение неорганических люминофоров (кристаллофосфоров) обусловлено в большинстве случаев присутствием посторонних катионов, содержащихся в малых количествах (от 0,0001 % до 2 %).

Такие примеси (активаторы) обычно являются ионами переходных металлов, например, люминесценция сульфида цинка активируется примесью ионов меди.

Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.

Один из видов люминесценции, хемилюминесценция (свечение в результате химической реакции), наблюдался впервые в 1669 году Хеннигом Брандом, открывшим фосфор.^[1]

До ХХ века теоретические представления о сущности хемилюминесценции, сходились на том, что часть выделяющейся при химической реакции энергии не превращается в теплоту; атомы реагирующих веществ переходят при этом в возбужденное состояние, проявляющееся в свечении.

В ХХ веке Каутский и Цохер в работе над ненасыщенными соединениями кремния обнаружили, что при действии света на них происходит очень яркое явление хеми-, катодо- и фотолюминесценции (фосфоресценции и флюоресценции). Ученые обнаружили, что при охлаждении происходит усиление люминесценции, что навело их на мысль о том, что источником хемилюминесценции могут быть те же объекты, которые вызывают флюоресценцию, то есть атомы вещества, которые не принимают непосредственного участия в химической реакции, а получающие энергию для свечения от прореагировавших частиц.

В 20-х годах ХХ века по инициативе С. И. Вавилова начались исследования, направленные на создание люминесцентных ламп, новых для того времени источников света. В то же время О. В. Лосевым была обнаружена электролюминесценция, впоследствии, использующаяся в производстве светодиодов.

С начала 90-х годов помимо традиционных явлений люминесценции (газового разряда, фотолюминесценции, инжекционной и полевой электролюминесценции, низко- и высоковольтовой катодолюминесценции) началось исследование катодолюминесценции в среднем диапазоне энергий электронного пучка.^[2]

В настоящее время явление люминесценции активно используется в создании люминесцентных ламп и светодиодов, в люминофорных экранах для медицинского оборудования, в цветных экранах телевизоров и других электронных приборов, в дизайне, а также в системе безопасности и эвакуации.

С каждым годом технологии производства люминесцирующих веществ совершенствуются, что помогает создавать люминофоры с улучшенными световыми качествами.

Список веществ, способных создавать свечение под тем или иным воздействием достаточно обширен, и поэтому существует несколько видов классификаций данных соединений.^[2] Классификация по методу возбуждения является наиболее удобной, поэтому во многих книгах о люминофорах используют именно её.

Классификация по способу возбуждения люминесценции

Способ возбуждения люминесценции	Вид люминофоров
УФ излучением	Фотолюминофор
Пучком электронов	Катодолюминофор
Электрическим полем	Электролюминофор
α-, β- излучением радиоактивных волн	Радиолюминофоры
Рентгеновским или γ- излучением	Рентгенолюминофор

Классификация по виду поглощаемой энергии

Вид люминесценции	Вид поглощаемой энергии
Фотолюминесценция	Электромагнитное излучение (УФ, видимое)
Рентгенолюминесценция	Электромагнитное излучение (рентгеновское)
Катодолюминесценция	Кинетическая энергия электронов
Электролюминесценция	Энергия электрического поля
Радиолюминесценция	Энергия α-, β-, γ- лучей, ионов
Хемилюминесценция	Энергия химической реакции
Биолюминесценция	Энергия биохимической реакции
Триболюминесценция	Механическая энергия трения
Термолюминесценция	Тепловая энергия

Классификация по характеру процессов вызывающих свечение

Характер	Люминофор
Внутрицентровой	Используется непроводящий люминофор с, или люминофор с дискретными центрами
Рекомбинационный	Используется фотопроводящий люминофор

Важная характеристика люминофоров — спектры поглощения, отражающие зависимость величины поглощаемой энергии от длины волны падающего на люминофор света. Спектр излучения люминофора зависит от химической природы активатора и основы люминофора, их взаимодействия, а в случае люминофоров с несколькими активаторами и от взаимодействия активаторов между собой. Спектры излучения могут зависеть от интенсивности и длины волны возбуждающего света, а также от температуры.^[3]

Зависимость спектров излучения от длины волны возбуждающего света может быть хорошо прослежена на характеристических люминофорах (Ca, Mg)₃(PO₄)₂·Sn и (Ca, Zn)₃(PO₄)₂·Sn. Их спектры излучения состоят из широких полос, расположенных в красной и зелёной областях спектра.^[3]

Количество веществ, которые можно использовать для синтеза люминофоров достаточно велико, однако на практике используются следующие классы соединений: халькогениды и фосфаты металлов второй группы, силикаты, оксиды, вольфраматы, соединения редкоземельных элементов.

Технология изготовления люминофоров относится к высокотемпературному тонкому неорганическому синтезу. Люминофоры используют в виде поликристаллических порошков, реже в виде монокристаллов и тонких плёнок. Синтез люминофоров производят при 900—1200ºС.

Для получения люминофора с заданными свойствами необходимо строго соблюдать состав шихты и условия прокаливания, не допускать попадания случайных примесей, обеспечить тщательную сушку люминофора. Также необходимо соблюдать чистоту материалов на всех этапах синтеза.^[2]

Халькогениды элементов второй группы

Почти все халькогениды представляют собой фотополупроводниковые соединения с электронным типом проводимости (примесь имеет валентность большую, чем чистый полупроводник, появляются свободные электроны). Для теллурида цинка характерна дырочная проводимость (примесь имеет меньшую валентность, чем чистый полупроводник, появляются разрывы связей — дырки), а для теллурида кадмия дырочная и электронная.^[2]

Халькогенидам цинка и кадмия присуща «самоактивированнная» люминесценция, обусловленная собственными дефектами, либо ассоциатами с примесью галогенов или трехвалентных катионов. Также для халькогенидов характерна люминесценция, связанная с введением активирующих примесей.^[3]

Люминофоры на основе сульфидов щелочноземельных металлов синтезируют прокаливанием смесей соответствующих карбонатов с активатором, серой, плавнями и восстановителем. Основная реакция, которая протекает при синтезе люминофоров может быть представлена уравнением :

4MeCO3+4S→3MeS+MeSO4+4CO2{\displaystyle {\mathsf {4MeCO_{3}+4S\rightarrow 3MeS+MeSO_{4}+4CO_{2}}}}

Сульфид цинка можно получить сероводородным методом по реакции:

ZnSO4+h3S→ZnS+h3SO4{\displaystyle {\mathsf {ZnSO_{4}+H_{2}S\rightarrow ZnS+H_{2}SO_{4}}}}

Также следует упомянуть тиосульфатный метод получения сульфидов, основанный на реакциях, которые могут быть упрощенно записаны как:

MeSO4+2Na2S2O3→MeS2O3+Na2SO4{\displaystyle {\mathsf {MeSO_{4}+2Na_{2}S_{2}O_{3}\rightarrow MeS_{2}O_{3}+Na_{2}SO_{4}}}}

MeS2O3+h3O→MeS+h3SO4{\displaystyle {\mathsf {MeS_{2}O_{3}+H_{2}O\rightarrow MeS+H_{2}SO_{4}}}}

При синтезе халькогенидных люминофоров исходные сульфиды получают заранее. Синтез происходит в 3 этапа:

Приготовление шихты

На технических весах взвешивают нужное количество халькогенида (порошок) и добавляют к нему заданное количество растворов плавня (вещество, добавляемое к руде при её плавке для увеличения плавкости имеющихся в ней примесей и образования шлаков) и активатора (вещество, интенсифицирующее физические и химические процессы). Шихта (исходная смесь, использующаяся в пирометаллургических или иных высокотемпературных процессах) тщательно перемешивается.

Сушка

Шихта высушивается при 100—120ºС в сушильном шкафу до пыления в течение времени зависящего от количества шихты (примерно 0,5-1 час).

Прокаливание

Прокаливание проводится в муфельной печи при заданной температуре 900—1200ºС в течение времени, зависящего от количества шихты (около 0,5-1 часа). На стадии прокаливания шихты происходит процесс образования люминофора, то есть кристаллизация основного вещества, диффузия введенных в шихту активирующих примесей, гетерогенные химические и межкристаллические реакции образования в решетке различных дефектов.^[2]

Селениды цинка и кадмия получают из сульфидов по реакции, которая в упрощенном виде выглядит так:^[3]

MeS+h3SeO3→MeSe+SO2+h3O{\displaystyle {\mathsf {MeS+H_{2}SeO_{3}\rightarrow MeSe+SO_{2}+H_{2}O}}}

Фосфаты металлов второй группы

Среди фосфатов наиболее широкое применение в производстве люминофоров находит фосфат кальция, который используется для люминесцентных источников света. Разнообразие люминесцентных свойств фосфатов заключается в наличии у них большого количества полиморфных модификаций, относительной рыхлостью решеток, которые создают благоприятные условия для формирования люминофора. Также для синтеза люминофоров используют фосфат цинка, который является основой для синтеза катодолюминофоров с красным излучением. Двойные фосфаты кальция и магния используют для синтеза люминофоров, которые впоследствии применяют в лампах ультрафиолетового излучения.^[2]

Фосфаты в твердой фазе можно синтезировать по-разному. Например, фосфаты кальция и стронция получаются по одному из следующих вариантов:^[3]

Me2P2O7+MeCO3→1000∘CMe(PO4)2+CO2{\displaystyle {\mathsf {Me_{2}P_{2}O_{7}+MeCO_{3}{\xrightarrow {1000^{\circ }C}}Me(PO_{4})_{2}+CO_{2}}}}

3MeCO3+2(Nh5)2HPO4→1100∘CMe3(PO4)2+4Nh4+3CO2+2h3O{\displaystyle {\mathsf {3MeCO_{3}+2(NH_{4})_{2}HPO_{4}{\xrightarrow {1100^{\circ }C}}Me_{3}(PO_{4})_{2}+4NH_{3}+3CO_{2}+2H_{2}O}}}

Силикаты

Самое большое распространение в производстве силикатных люминофоров получил силикат цинка, использующийся как основа для катодолюминофоров с зелёным свечением. Благодаря высокой химической и термической стойкости, стабильности к электронной бомбардировке, силикатные люминофоры используются в электронно-лучевых приборах.^[2] Силикат цинка готовят прокаливанием смеси ZnO c SiO₂ при 1200º.^[3]

Силикат кальция, активированный Pb и Mn может быть получен путем прокаливания смеси карбонатов или окислов соответствующих металлов с SiO₂. Для этого требуется температура в 1150º и атмосфера водяного пара, который оказывает минерализующее действие (превращение в твердое состояние).^[3]

Оксидные системы

Многие металлы II, III, IV групп периодической системы обладают люминесценцией при фото-, катодном и рентгеновском возбуждении, но практическое применение имеют немногие. Наиболее широкое применение получил оксид цинка, использующийся в качестве катодолюминофора с очень коротким послесвечением, а также в низковольтных катодолюминофорных индикаторах.

В качестве основы для синтеза катодолюминофоров всё более широкое применение имеют оксиды и оксисульфиды редкоземельных элементов (РЗЭ). Их существенным преимуществом является большая насыщенность цвета и высокая стабильность к электронной бомбардировке.^[2]

Вольфраматы

Вольфраматные люминофоры в основном относятся к самоактиворованным, то есть люминесцируют без введения активатора.^[2]

Соединения редкоземельных элементов

Соединения РЗЭ успешно играют роль, как основного вещества, так и активатора. Такие соединения используются в синтезе катодолюминофоров, работающих при высоких плотностях тока электронного возбуждения.^[2]

Использование люминофоров в технике позволяет нам экономить на электроэнергии, так как развитие полупроводниковой техники стимулировало работы по созданию инжекционных электролюминесцентных источников освещения. Возможность смотреть телевизор предоставляется благодаря люминофорам, ведь для экранов приемных телевизионных трубок практикуется использование смесей люминофоров для получения высокой яркости свечения близкого к белому. Применение люминофоров в медицинской отрасли позволяет делать рентген и флюорографию. А также способность люминофоров светиться без электрического источника энергии нашла применение в системах эвакуации и пожарной безопасности.

Неорганические люминофоры применяют в люминесцентных лампах, электронно-лучевых трубках, для изготовления рентгеновских экранов, служат индикаторами радиации и др.

Органические люминофоры (иногда их называют «люмогены») применяют для изготовления ярких флуоресцентных красок для окрашивания текстиля, пластмасс, украшений, в типографских красках, для пигментации полимерной глины, красок для обоев, пигментов для татуировки, косметики, люминесцирующих материалов, используют для выявления трещин в деталях, чувствительном люминесцентном анализе в химии, биологии, медицине и криминалистике.

1. ↑ Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. — Москва, 1991.
2. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10} Гурецкая З.И. Технология люминофоров и люминесцентных экранов. — Москва, 2005.
3. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Казанкин О.Ф., Марковский Л.Я., Миронов И.А., Пекерман Ф.М., Пето-шина Л.Н. Неорганические люминофоры. — Ленинград, 1975.

• Жиров Н. Ф. Люминофоры. — М.: Гос. изд-во оборонной пром-ти, 1940. — 480 с.

ru.wikipedia.org

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ — это… Что такое ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ?

(от лат. lumen, род. п. luminis — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие) — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения Л. отделяет её от теплового равновесного излучения и указывает на то, что понятие Л. применимо только к совокупности атомов (молекул), находящихся в состоянии, близком к равновесному (отклонение от равновесного состояния может заключаться в том, что одна термоди-намич. подсистема, напр. ионы, имеет определ. темп-ру, а другая — валентные электроны — находится в неравновесном состоянии). При сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или Л. не имеет смысла. В видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при темп-ре ~10³-10⁴ К, люминесцировать же в этой области тело может при любой темп-ре, поэтому Л. часто наз. холодным свечением.

Вторая часть определения — признак длительности — была введена С. И. Вавиловым, чтобы отделить Л. от разл. видов рассеяния, отражения, парамет-рич. преобразования света, тормозного и Черенкова — Вавилова излучений. В отличие от рассеяния света, при Л. между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы, длительность к-рых больше периода световой волны. Однако критерий сравнения длительности этих процессов с периодом световой волны недостаточен, чтобы, напр., отделить резонансное рассеяние от т. н. резонансной флуоресценции (см. ниже). При большом времени жизни возбуждённого состояния акт резонансного рассеяния длится долее периода световых колебаний, как и процессов когерентного испускания света, системой атомов (см. Фотонное эхо). Однако в этих процессах сохраняются определ. соотношения между фазами поглощённой и испущенной световых волн, в то время как при Л. эта корреляция утрачивается. Поэтому целесообразно отделять Л. от др. процессов по времени фазовой релаксации поляризации среды.

Л. в природе — северное сияние, свечение нек-рых насекомых, минералов, гниющего дерева — наблюдалась давно, однако систематически Л. изучается с 17 в. Л.- квантовый процесс, происходит при квантовых переходах в атомах, молекулах, кристаллах.

Виды люминесценции. По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией; к ней, в частности, относятся рентгено-, катодо-, ионо- и a-люминесценции), электролюминесценцию (возбуждение электрич. полем), кандолюминесценцию (возбуждение при механич. воздействиях, напр. при разрушении кристаллич. решётки), хемилюминесценцию (возбуждение при хим. реакции), в частности биолюминесценцию, радикалорекомбинационную Л., лиолюминесценцию (возбуждение при растворении кристаллов).

По длительности свечения различают флуоресценцию (быстрозатухающую Л.) и фосфоресценцию (длительная Л.). Это деление условное, оно зависит от временного разрешения регистрирующих приборов. Иногда термины «флуоресценция» и «фосфоресценция» используют, чтобы отличить Л., происходящую при переходах с синглетных уровней, от переходов, происходящих с метастабильных триплетных уровней.

По механизму элементарных процессов различают резонансную, спонтанную, метаcтабильную, или вынужденную, и рекомбинационную Л.

Кроме способа возбуждения к осн. характеристикам Л. относятся энергетич. и квантовый выход Л., кинетика Л., спектральный состав свечения и возбуждающего света, механизм преобразования энергии.

Люминесцировать могут вещества во всех агрегатных состояниях — газы и пары, растворы органич. веществ, стёкла, кристаллич. вещества; осн. условие — наличие дискретного спектра. Вещества с непрерывным энергетич. спектром (напр., металлы в конденсированном состоянии) не люминесцируют, т. к. в них энергия возбуждения непрерывным образом переходит в теплоту. Кроме того, для возникновения Л. вероятность излучат. переходов должна превышать вероятность безызлучательного. Соотношение между этими вероятностями определяет эффективность Л. Интенсивность Л. зависит от интенсивности возбуждения, поэтому не может служить характеристикой Л. Более однозначная характеристика — выход Л. — отношение энергии Л. к поглощённой энергии возбуждения (при фотолюминесценции — квантовый выход Л.- отношение числа испущенных и поглощённых квантов света).

Тушение люминесценции. Повышение вероятности безызлучательных переходов влечёт за собой тушение Л. Эта вероятность зависит от мн. факторов, возрастает, напр., при повышении темп-ры (температурное тушение), концентрации люминесцирующих молекул (концентрационное тушение) или примесей (примесное тушение). Тушение Л. зависит как от природы люминесцирующего вещества и его агрегатного состояния, так и от внеш. условий.

При низком давлении люминесцируют пары металлов, благородные газы, пары мн. органич. веществ. В достаточно разреженных атомных парах, когда время между соударениями больше времени жизни возбуждённого состояния, выход Л. близок к единице. При столкновениях энергия возбуждения может переходить в кине-тич. энергию атомов, что уменьшает выход Л. В молекулярных парах энергия электронного возбуждения может безызлучательно переходить в колебательно-вращательную энергию молекул, к-рая при соударениях переходит в кинетич. энергию. Такие процессы яасто приводят к полному тушению Л.

В конденсированных средах ещё более вероятны безызлучат. переходы энергии электронного возбуждения в колебательную и распределение её между мн. молекулами в результате их взаимодействия, что приводит систему к состоянию термодинамич. равновесия. Поэтому Л. наблюдается не у всех веществ, а лишь у тех, для к-рых по тем или иным причинам отношение вероятностей излучат. и безызлучат. переходов высоко. У специально приготовленных ярко люминесцирующих веществ — люминофоров — квантовый выход фотолюминесценции составляет десятки процентов, а у нек-рых приближается к единице.

В жидком состоянии люминесцируют растворы органич. веществ с цепями сопряжённых двойных связей, в т. ч. большинства ароматич. соединений (некрые из них — стильбен, антрацен и др. — способны люминесцировать и в кристаллич. состоянии), растворы ураниловых и платиносинеродистых солей, нек-рых солей редкоземельных и переходных металлов (примеси этих солей в кристаллич. и стеклообразных матрицах также способны к Л.). Люминесцируют нек-рые щёлочно-галоидные кристаллы, а также кристаллы групп (напр., ZnS) и особенно кристаллы, содержащие примеси-активаторы (см. Кристаллофосфоры).

Механизм и свойства люминесценции. При возбуждении Л. атом (молекула), поглощая энергию, переходит с основного уровня энергии 1 (рис. 1) на возбуждённый уровень 3. В атомных парах (Hg, Na, Cd и др.), нек-рых простых молекулах и в примесных атомах Л. может происходить непосредственно при переходе 31.

В этом случае частоты Л. и возбуждающего света совпадают, а Л. наз. резонансной. При взаимодействии с окружающими атомами возбуждённый атом может передать им часть энергии и перейти на уровень 2, при излучат. переходе с к-рого и происходит Л., наз. спонтанной. Как правило, уровень испускания 2 лежит ниже уровня 3, часть энергии при возбуждении теряется на тепло, а длина волны испущенного света больше, чем поглощённого (стоксова люминесценция; см. Стокса правило). Возможны и процессы, когда излучающий атом получает дополнит. энергию от др. атомов; тогда испущенный квант может иметь меньшую длину волны (антистоксова Л.). Эта добавочная энергия может быть как энергией теплового движения атомов, так и результатом суммирования энергии возбуждения — передачи энергии, поглощённой неск. атомами, одному излучающему атому (см. Кооперативная люминесценция).

Рис. 1. Схема квантовых переходов при элементарном процессе люминесценции: 1 — основной уровень энергии; 2 — уровень испускания; 3 — уровень возбуждения. Пунктирной линией обозначен переход, соответствующий резонансной люминесценции, волнистой — безызлучательный переход.

В нек-рых случаях атом (молекула), прежде чем перейти на уровень испускания 2 (рис. 2), оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4 и для перехода на уровень 2 ему необходимо сообщить дополнит. энергию, напр. энергию теплового движения или света. Л., возникающая при таких процессах, наз. метастабильной (вынужденной или стимулированной).

Рис. 2. Схема квантовых переходов при мстастабильной (стимулированной) люминесценции: 1, 2, 3 — то же, что на рис. 1; 4 — метастабильный уровень.

В молекулах мн. органич. веществ метастабильным уровнем наиб. часто служит триплетный. В этих молекулах наблюдается как быстрозатухающая Л., соответствующая переходам между синглетными уровнями, так и более длительная Л.- с участием триплетных уровней. Во мн. веществах триплет-синглетный переход также является излучательным, это приводит к появлению в спектре Л. дополнительной, более длинноволновой полосы.

При спонтанной Л. уровни 2 и 3 могут относиться к одному и тому же электронному состоянию, но к различным колебат. состояниям. Время колебат. релаксации ~10^-11-10^-13 с, т. е. существенно меньше времени жизни возбуждённого электронного состояния. Т. о., за время, много меньшее времени высвечивания Л., в системе успевает установиться термодинамич. равновесие по колебат. степеням свободы. Это равновесное распределение и определяет спектральный состав полосы Л. В этом случае говорят о независимости спектра фотолюминесценции от длины волны возбуждающего света, а для определ. электронного состояния спектры поглощения и Л. зеркально симметричны относительно частоты чисто электронного перехода (см. Лёвшина правило).

При наблюдении Л. за очень короткие промежутки времени, когда в веществе ещё не установилось термодинамич. равновесие, можно обнаружить, что спектр Л. отличается от равновесного (см. Горячая люминесценция). Ширина спектральных полос Л. зависит от размеров молекул, агрегатного состояния, темп-ры и имеет значение (в волновых числах) от 10 ^-3 (Л. атомов в атомных пучках) и единиц см ^-1 (Л. примесей редкоземельных элементов в кристаллах) до 10³ см ^-1 (Л. растворов сложных органич. молекул).

Уровень испускания может принадлежать как тому же атому (молекуле), к-рый поглотил энергию возбуждения (такие переходы называются внутрицентровыми), так и др. частице. Передача энергии др. атомам и молекулам осуществляется электронами при электронно-ионных ударах, при процессах ионизации и рекомбинации, индуктивно-резонансным или обменным путём, при непосредственном столкновении возбуждённого атома с невозбуждённым. Из-за малой концентрации атомов в разреженных газах процессы резонансной и обменной передачи энергии в них играют малую роль. Они становятся существенными в конденсированных средах, где энергия возбуждения может передаваться также с помощью колебаний ядер. И, наконец, в кристаллах определяющей становится передача энергии с помощью электронов проводимости, дырок и электронно-дырочных пар (экситонов). Если заключит. актом передачи энергии является рекомбинация (напр., электронов и ионов или электронов и дырок), то сопровождающая этот процесс Л. наз. рекомбинационной.

В реальных кристаллах необходимо учитывать происходящие в них промежуточные процессы. Упрощённая схема переходов в кристаллофосфорах представлена на рис. 3. Между энергетическими зонами-валентной (1) и проводимости (3 )расположены локальные уровни энергии, связанные с атомами примесей или дефектами решётки. Если переходы между уровнями локального центра сопровождаются излучением, то такие центры наз. центрами свечения или центрами Л. (уровни 2 и 4). Помимо центров свечения примеси и др. дефекты решётки могут создавать ловушки (5 )электронов и центры безызлучат. рекомбинации (6 )(центры тушения). Поглощение света при фотолюминесценции или электронный удар при электролюминесценции переводит электроны из валентной зоны или центра Л. в зону проводимости (переходы а к б соответственно). При межзонном возбуждении дырка из валентной зоны может уйти на центр Л. (в). В зоне проводимости электроны диффундируют, оседая на т. н. мелких ловушках и затем термически высвобождаясь из них (переходы г и д соответственно). Далее они могут возвратиться на ионизованный центр Л. (г) и при рекомбинации испустить квант света.

Рис. 3. Схема переходов при люминесценции кристаллофосфо-ров: 1 — валентная зона; 2 и 4 — уровни центра люминесценции; 3 — зона проводимости; 5 — ловушки электронов; 6 — уровень безызлучательной рекомбинации. Переходы а и б соответствуют возбуждению люминесценции, в — ионизация центра дыркой, г и д — оседание электронов на ловушках и их освобождение.

В чистых кристаллах с малым кол-вом примесей наблюдаются также полосы экс и тонной Л., соответствующие рекомбинации экситонов. В нек-рых кристаллах возможно наблюдение т. н. краевой Л., соответствующей непосредственной межзонной рекомбинации электронов и дырок. В процессе миграции электронов по зоне проводимости может возникать их безызлучат. рекомбинация с центрами тушения (6), захватившими дырки из валентной зоны.

Кинетика люминесценции. Кинетика затухания спонтанной Л. в простейшем случае, когда можно пренебречь временем колебат. релаксации и малы вероятности безызлучат. переходов, описывается экспоненциальным законом:

где I₀ и I — интенсивности Л. соответственно в нач. момент времени и через время t;характеризует ср. время жизни возбуждённого состояния, равное обратной величине вероятности А спонтанного перехода в единицу времени (см. Эйнштейна коэффициенты). Если квантовый выход Л. меньше единицы, то , где q — вероятность безызлучат. потери энергии электронного возбуждения. В этом случае экспоненциальный закон затухания сохраняется только при q=const. Когда q оказывается зависящим от времени (напр., если тушение определяется диффузионным сближением молекул люминесцирующего вещества и тушителя при индуктивно-резонансном или обменном механизме передачи энергии; см. Перенос энергии), затухание Л. не является экспоненциальным. Отклонение от экспоненциальной зависимости может возникать также при Л. вещества большой толщины, когда спектры Л. и поглощения перекрываются; тогда явления реабсорбции и переизлучения (см. Перенос излучения )приводят к затягиванию Л. При большой мощности возбуждения может возникнуть инверсия населённости в веществе, когда на нижних колебат. уровнях возбуждённого электронного состояния оказывается больше частиц, чем на колебат. уровнях осн. электронного состояния. В этом случае наблюдается эффект усиления света, которое приводит к изменению спектрального состава Л., её яркости, кинетики и угл. распределения. Такая Л. наз. суперлюминесценцией.

Кинетика метастабильной Л. после прекращения возбуждения в случае с одним метастабильным уровнем определяется суммой двух экспонент:

причём времена жизни и на уровнях зависят от вероятностен излучат. и безызлучат. переходов, а предэкспоненциальные множители С₁ и С₂ — кроме того, и от нач. состояния молекул. Вероятность W безызлучат. перехода с метастабильного уровня 4 на уровень испускания 2 при поглощении энергии теплового движения зависит от абс. темп-ры Т:

где — глубина метастабильного уровня 4 относительно уровня 2. В связи с этим время затухания метастабильной Л. оказывается резко зависящим от темп-ры, в отличие от спонтанной, в к-рой температурная зависимость проявляется только через тушение.

В простейшем случае кинетика рекомбинационной Л. описывается ур-нием бимолекулярной реакции, решение к-рого приводит к гиперболич. закону затухания:

( р — постоянная).

Кинетика Л. кристаллофосфоров сложна и определяется вероятностями излучат. и безызлучат. переходов, вероятностями захвата и освобождения электронов и дырок ловушками. Во мн. случаях в широком диапазоне времён кинетика затухания Л. аппроксимируется гиперболой Беккереля:

где При включении возбуждающего света наблюдаются процессы нарастания яркости Л., связанные с накоплением электронов на ловушках. В зависимости от условий, в частности от глубины ловушек и темп-ры, затухание Л. кристаллофосфоров может продолжаться от ~10^-8 с до неск. часов. Если происходят процессы тушения, то сокращается время затухания Л. и уменьшается её выход.

При изучении Л. кристаллофосфоров необходимо учитывать также освобождение электронов из ловушек под действием возбуждающего света (т. н. высвечивающее действие света). Запасённая электронам» на ловушках энергия (запасённая светосумма) может быть освобождена при нагревании кристаллофосфора. Метод термовысвечивания применяется для исследования энергетич. спектра уровней захвата. Освобождение ИК-светом электронов из ловушек предварительно возбуждённого кристаллофосфора используется для создания вспышечных фосфоров, предназначенных для визуализации ИК-света (см. Сенсибилизированная люминесценция).

Исследование кинетики Л. позволяет судить о вероятностях переходов, процессах миграции энергии н процессах взаимодействия атомов и молекул. Кинетика Л. изучается с помощью спектрофлуориметров. Совр. спектрофлуориметры, основанные на высокочастотной модуляции возбуждающего света или использующие лазеры с пикосекундной длительностью возбуждающих импульсов света, имеют временное разрешение в неск. пикосекунд. С их помощью удаётся исследовать процессы внутримолекулярной релаксации колебат. энергии.

Применения люминесценции. Исследование спектров Л. и спектров возбуждения Л. является составной частью спектроскопии и даёт информацию об энергетич. спектре веществ. Наряду с обычными задачами спектроскопии при исследовании Л. важным является измерение выхода Л.

По поляризации Л. можно определить ориентацию и мультипольность испускающих и поглощающих атомных и молекулярных систем н получить информацию о процессах передачи энергии между ними (см. Поляризованная люминесценция).

Люминесцентные методы относятся к наиб. важным в физике твёрдого тела. При изучении кристаллофосфоров параллельно сравнивают их Л. и проводимость. Биолюминесценция позволяет получать информацию о процессах, происходящих в клетках на молекулярном уровне.

Люминесцирующие вещества являются активной средой лазеров. Яркость Л. и её высокий энергетич. выход для ряда веществ позволили создать нетепловые источники света (газоразрядные и люминесцентные лампы) с высоким кпд. Яркая Л. ряда веществ обусловила развитие метода обнаружения малых кол-в примесей и сортировки по их Л. и изучение смесей, напр. нефти; чувствительность совр. флуоресцентного анализа позволяет детектировать отд. ионы (см. Люминесцентный анализ).

Катодолюминесценция лежит в основе свечения экранов осциллографов, телевизоров, локаторов и т. д. Мн. полупроводниковые светодиоды основаны на явлении электролюминесценции; в рентгеноскопии используется рентгенолюминесценция. В сцинтилляционных детекторах использована радиолюминесценция. Л. применяется в дефектоскопии, криминалистике, люминесцентными красками окрашивают ткани, дорожные знаки, отбеливают бумагу и т. д.

Лит.: Левшин В. Л., Фотолюминесценция жидких и твёрдых веществ, М.- Л., 1951; Вавилов С. И., Собр. соч., т. 2, М., 1952, с. 20, 28, 29; Антонов — Романовекий В. В., Кинетика фотолюминесценции кристаллофосфоров, М., 1966; Гурвич А. М., Введение в физическую-химию кристаллофосфоров, 2 изд., М., 1982: Агранович В. М., Галанин М. Д., Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах, М.. 1978.

Э. Л. Свириденков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

dic.academic.ru

No related posts.