Luminiscencia: tipos, métodos y aplicaciones. Térmicamente luminiscencia estimulada – ¿qué es esto?

Luminiscencia – es la emisión de luz por ciertos materiales en un estado relativamente frío. Se diferencia de la radiación de los cuerpos incandescentes, tales como la quema de madera o carbón, un hierro fundido y un alambre calentado por una corriente eléctrica. se observa emisión de luminiscencia:

• en neón y fluorescentes lámparas, televisores, pantallas de radar y fluoroscopios;
• en sustancias orgánicas tales como luminol o luciferina en luciérnagas;
• en ciertos pigmentos usados en publicidad al aire libre;
• con relámpagos y aurora.

En todos estos fenómenos de emisión de luz no es causado por el calentamiento del material por encima de la temperatura ambiente, por lo que se llama de luz fría. El valor práctico de los materiales luminiscentes es su capacidad para transformar la forma invisible de energía en luz visible.

Fuentes y procesos

fenómeno de luminiscencia se produce como resultado de material de absorción de energía, por ejemplo, de una fuente de radiación ultravioleta o rayos X, haces de electrones, reacciones químicas, y así sucesivamente. d. Esto resulta en los átomos de sustancia a un estado excitado. Puesto que es inestable, el material vuelve a su estado original, y la energía absorbida se libera en forma de luz y / o calor. El proceso implica únicamente los electrones exteriores. la eficiencia de luminiscencia depende del grado de conversión de la energía de excitación a la luz. El número de materiales que tienen un rendimiento suficiente para el uso práctico, es relativamente pequeño.

La luminiscencia y la incandescencia

excitación de luminiscencia no está relacionada con la excitación de los átomos. Cuando materiales calientes comienzan a brillar como resultado de bulbos, sus átomos están en un estado excitado. A pesar de que vibran incluso a temperatura ambiente, es suficiente con que la radiación se produjo en la región espectral del infrarrojo lejano. Con el aumento de la temperatura desplaza la frecuencia de la radiación electromagnética en la región visible. Por otro lado, a temperaturas muy elevadas que se generan, por ejemplo, en tubos de choque, las colisiones atómicas pueden ser tan fuertes que los electrones se separan de ellas y se recombinan, emisor de luz. En este caso, la luminiscencia incandescente y se vuelven indistinguibles.

pigmentos y colorantes fluorescentes,

pigmentos convencionales y tintes tienen color, ya que reflejan que parte del espectro que es complementaria absorbida. Una pequeña parte de la energía se convierte en calor, pero se produce una emisión significativa. Si, sin embargo, el pigmento fluorescente absorbe la luz en el intervalo de un área en particular, se puede emitir fotones, diferentes de reflexión. Esto ocurre como resultado de los procesos dentro de la molécula de colorante o pigmento, por el cual la luz ultravioleta se puede convertir en visible, por ejemplo, la luz azul. Tales métodos de luminiscencia se utilizan en la publicidad al aire libre y en el lavado de polvos. En el último caso, el "clarificador" permanece en el tejido no sólo para reflejar el blanco, sino también para convertir la radiación ultravioleta en azul, amarillo de compensar y mejorar la blancura.

Los primeros estudios

Aunque aurora rayo y brillo opaco de luciérnagas y hongos siempre han sido conocidos por la humanidad, los primeros estudios de luminiscencia comenzaron con el material sintético, cuando Vincenzo Kaskariolo alquimista y zapatero de Bolonia (Italia), en 1603 g. Mezcla calentada de sulfato de bario (barita en forma, espato pesado) con el carbón. El polvo obtenido después del enfriamiento, azul noche luminiscencia emitida, y Kaskariolo dio cuenta de que se pueda restaurar sometiendo el polvo a la luz solar. La sustancia fue nombrado "Solaris lapislázuli" o piedra del sol, porque alquimistas esperaban que es capaz de convertir los metales en oro, cuyo símbolo es el sol. Afterglow ha provocado el interés de muchos científicos de la época, y los materiales que proporcionan otros nombres, incluyendo "fósforo", que significa "portador de luz".

Hoy en día el nombre de "fósforo" se utiliza sólo para el elemento químico, mientras que el material luminiscente microcristalina llama un fósforo. "Fósforo" Kaskariolo, al parecer, era el sulfuro de bario. El primero de fósforo disponible comercialmente (1870) se convirtió en un "pintar Balmain" – solución de sulfuro de calcio. En 1866, se describió en la primera fósforo sulfuro de zinc estable de – uno de los más importantes de la tecnología moderna.

Uno de los primeros estudios científicos de la luminiscencia, que se manifiesta en la madera podrida o carne y luciérnagas, se llevó a cabo en 1672 por el científico Inglés Robert Boyle, que, a pesar de que no sabía sobre el origen bioquímico de este punto de vista, sin embargo, establece algunas de las propiedades básicas de los sistemas bioluminiscentes:

• Glow frío;
• que puede ser suprimida por agentes químicos tales como alcohol, ácido clorhídrico y amoníaco;
• la radiación requiere el acceso al aire.

En los años 1885-1887, se observó que los extractos crudos de luciérnagas de las Indias Occidentales (piroforo) y Foladi almeja cuando se mezclan producen luz.

Los primeros materiales quimioluminiscentes eficaces eran compuestos sintéticos no biológicos tales como luminol, descubiertos en 1928 años.

Químicamente y bioluminiscencia

La mayor parte de la energía liberada en las reacciones químicas, en particular las reacciones de oxidación, tiene la forma de calor. En algunas reacciones, pero una porción utilizada para excitar electrones a niveles más altos, y en moléculas fluorescentes antes de la quimioluminiscencia (CL). Los estudios demuestran que CL es un fenómeno universal, pero la intensidad de la luminiscencia es tan pequeña que no requiere el uso de detectores sensibles. , Hay, sin embargo algunos de los compuestos que exhiben vivo CL. El más conocido de estos es el luminol, que tras la oxidación con peróxido de hidrógeno puede producir una fuerte luz azul o azul-verde. Otros puntos fuertes de CL– sustancias y lofin lucigenin. A pesar de su brillo CL, no todos ellos son eficaces en la conversión de energía química en la luz, es decir. K. Menos de 1% de las moléculas emiten luz. En los años 1960 se encontró que los ésteres de ácido oxálico, oxidados en disolventes anhidros en presencia de compuestos aromáticos altamente fluorescentes emiten luz brillante con una eficiencia del 23%.

La bioluminiscencia es un tipo especial de quimioluminiscencia catalizada por enzimas. La salida de la luminiscencia de estas reacciones puede alcanzar el 100%, lo que significa que cada molécula de reactivo luciferina entra en el estado de emisión. Todo hoy reacción bioluminiscente conocida catalizada reacciones de oxidación que ocurren en presencia de aire.

luminiscencia estimulada térmicamente

Termoluminiscencia significa que no hay radiación térmica, pero el fortalecimiento de los materiales de emisión de luz, los electrones que son excitados por el calor. Térmicamente estimulado luminiscencia observada en algunos minerales y especialmente en los fósforos de cristal después de haber sido excitado por la luz.

fotoluminiscencia

La fotoluminiscencia que se produce bajo la acción de la radiación electromagnética incidente sobre el material, se puede hacer en el rango de la luz visible a través de la luz ultravioleta a los rayos x y la radiación gamma. En luminiscencia, inducida por fotones, longitud de onda de la luz emitida es generalmente igual a o mayor que la longitud de onda de la emocionante (m. E. igual o menor potencia). Esta diferencia en la longitud de onda provocado por la transformación de la energía entrante en vibraciones de los átomos o iones. A veces, con el rayo láser intenso, la luz emitida puede tener una longitud de onda más corta.

El hecho de que el PL puede ser excitado por la radiación ultravioleta, fue descubierto por el físico alemán Johann Ritter en 1801. Observó que los fósforos brillan intensamente en la región invisible de la parte violeta del espectro, y así abrieron la radiación UV. La conversión de la radiación UV a la luz visible es de gran importancia práctica.

Gamma y rayos X excita los fósforos, y otros materiales cristalinos al estado de luminiscencia por proceso de ionización seguido de la recombinación de electrones e iones, lo que se produce luminiscencia. El uso de la misma es en fluoroscopia usado en radiología, y contadores de centelleo. El último registro y medir la radiación gamma dirigida en un disco revestido con un fósforo, que está en contacto óptico con la superficie del fotomultiplicador.

triboluminiscencia

Cuando los cristales de algunas sustancias, tales como azúcares, triturado, chispa visible. Lo mismo se observa en muchas sustancias orgánicas e inorgánicas. Todos estos tipos de luminiscencia generada por las cargas eléctricas positivas y negativas. Recientes producido por superficies de separación mecánicos en el proceso de cristalización. La emisión de luz tiene lugar entonces mediante la descarga – ya sea directamente entre los restos de las moléculas, ya sea a través de la excitación de la luminiscencia de la atmósfera cerca de la superficie separada.

electroluminiscencia

Como termoluminiscencia, la electroluminiscencia (EL), el término incluye diversos tipos de característica común de luminiscencia de los cuales es que la luz se emite cuando una descarga eléctrica en los gases, líquidos y materiales sólidos. En 1752 Bendzhamin Franklin estableció la luminiscencia de la descarga eléctrica del rayo inducida a través de la atmósfera. En 1860, la lámpara de descarga se demostró por primera vez en la Royal Society de Londres. Ella produce una luz blanca brillante con una descarga de alto voltaje a través del dióxido de carbono a baja presión. lámparas fluorescentes modernas se basan en una combinación de átomos de electroluminiscencia y mercurio fotoluminiscencia excitados por lámpara de descarga eléctrica, la radiación ultravioleta emitida por ellos se convierte en luz visible a través del fósforo.

EL observó en los electrodos durante la electrólisis debido a la recombinación de iones (y así una especie de quimioluminiscencia). Bajo la influencia del campo eléctrico en las delgadas capas de zinc luminiscente sulfuro de emisión de luz se produce, que también se conoce como electroluminiscencia.

Un gran número de materiales emite luminiscencia bajo la influencia de electrones acelerados – diamante, rubí, fósforo de cristal y cierta sal de platino complejo. La primera aplicación práctica de cátodoluminiscencia – osciloscopio (1897). pantallas similares utilizando fósforos cristalinas mejoradas se utilizan en televisores, radares, osciloscopios y microscopios electrónicos.

de la radio

Los elementos radiactivos pueden emitir partículas alfa (núcleos de helio), electrones y rayos gamma (una radiación electromagnética de alta energía). luminiscencia radiación – un brillo excitado por la sustancia radiactiva. Cuando partícula alfa bombardean fósforo cristalino, visible bajo el microscopio pequeña parpadeo. Este principio utilizando Inglés físico Ernest Rutherford, para demostrar que el átomo tiene un núcleo central. pintura auto-luminoso utilizado para el marcado de los relojes y otras herramientas se basan en la RL. Se componen de la sustancia luminiscente y la sustancia radiactiva, por ejemplo el tritio o el radio. Impresionante luminiscencia naturales – es la aurora boreal: procesos radiactivos en el sol emiten al espacio enormes masas de electrones e iones. Cuando se acercan a la Tierra, su campo geomagnético los dirige a los polos. procesos de descarga de gas en las capas superiores de la atmósfera y crear un famoso aurora.

Luminiscencia: la física del proceso

La emisión de luz visible (es decir. E. Con longitudes de onda entre 690 nm y 400 nm) de excitación requiere energía, que se determina en la ley menos Einstein. Energy (E) es igual a la constante de Planck (h), multiplicado por la frecuencia de la luz (ν) o su velocidad en el vacío (c), dividido por la longitud de onda (λ): E = hv = hc / λ.

Por lo tanto, la energía necesaria para la excitación varía de 40 kilocalorías (para el rojo) a 60 kcal (para el color amarillo), y 80 calorías (a púrpura) por mol de sustancia. Otra forma de expresar la energía – en electrón-voltios (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) – 1,8 a 3,1 eV.

La energía de excitación se transfiere a los electrones responsables de la luminiscencia que saltar de su nivel del suelo a una más alta. Estas condiciones están determinadas por las leyes de la mecánica cuántica. Varios mecanismos de excitación depende de si se produce en los átomos individuales y moléculas, o en combinaciones de moléculas en el cristal. Ellos son iniciadas por la acción de partículas aceleradas, tales como electrones, iones positivos o fotones.

A menudo, la energía de excitación es significativamente más alta que se requiere para elevar un electrón a la radiación. Por ejemplo, las pantallas de televisión de cristal de fósforo de luminiscencia, los electrones del cátodo producen con energías medias de 25.000 voltios. Sin embargo, el color de la luz fluorescente es casi independiente de la energía de la partícula. Está influenciada por el nivel del estado excitado de los centros de energía de cristal.

lámparas fluorescentes

Las partículas, debido a que se produce la luminiscencia – Este electrones exteriores de los átomos o moléculas. En las lámparas fluorescentes, tales como un átomo de mercurio es accionada bajo la influencia de la energía 6,7 eV o más, levantando uno de los dos electrones exteriores a un nivel superior. Tras su regreso al estado fundamental la diferencia de energía se emite como luz ultravioleta con una longitud de onda de 185 nm. La transición entre la base y otro nivel produce radiación ultravioleta a 254 nm, que a su vez, puede excitar otra generación de fósforo luz visible.

Esta radiación es particularmente intensa en vapor de mercurio de baja presión (10 ^-5 atmósfera) utilizado en lámparas de descarga de gas de baja presión. Por lo tanto aproximadamente el 60% de energía de los electrones se convierte en una luz UV monocromática.

A alta presión, la frecuencia aumenta. Spectra ya no consisten en una línea espectral de 254 nm, y la energía de radiación se distribuye desde las líneas espectrales que corresponden a diferentes niveles electrónicos: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 y 578 nm. lámparas de mercurio de alta presión se utilizan para la iluminación, ya que la luz azul-verde 405-546 nm visible, mientras que la transformación de parte de la radiación en la luz roja utilizando un fósforo como resultado se vuelve blanco.

Cuando las moléculas de gas se excitan, sus espectros de luminiscencia muestran bandas anchas; no sólo los electrones se plantean a los niveles superiores de energía, pero de movimiento vibracional y rotacional excitado simultáneamente de los átomos en el conjunto. Esto es porque la energía vibracional y rotacional de las moléculas son 10 ^-2 y 10 ^-4 de las energías de transición, que se suman a definir una pluralidad de ligeramente diferentes componentes de longitud de onda de una sola banda. Las moléculas más grandes tienen varias tiras superpuestas, una para cada tipo de transición. moléculas de radiación en solución ribbonlike ventajosamente la causada por la interacción de un número relativamente grande de moléculas excitadas y las moléculas de disolvente. En las moléculas, como en los átomos implicados en la luminiscencia electrones exteriores de orbitales moleculares.

Fluorescencia y fosforescencia

Estos términos se pueden distinguir no sólo sobre la base de la duración de la luminiscencia, sino también por su método de producción. Cuando un electrón se excita a un estado singlete con la tenencia de su interior 10 ^-8 s, de la que puede volver fácilmente al suelo, la sustancia emite su energía en forma de fluorescencia. Durante la transición, el giro no cambia. estados excitados básicos y tienen una multiplicidad similar.

Electrones, sin embargo, se puede elevar a un nivel de energía más alto (llamado "un estado triplete excitado") con su tratamiento posterior. En la mecánica cuántica, las transiciones desde el estado triplete al singlete prohibido, y por lo tanto, el tiempo de su vida mucho más. Por lo tanto, la luminiscencia en este caso es mucho más largo plazo: no hay fosforescencia.