Глава 6. Люминесценция
Люминесценция широко применяется в фармации, как исключительно чувствительный метод качественного и количественного анализа, а также для контроля свойств фармацевтических препаратов. Люминесцентные методы используются в медицинской диагностике и в биофизических научных исследованиях.
6.1. Виды люминесценции
Согласно определению С.И.Вавилова, люминесценция - это
«избыточное над тепловым излучение тела при данной температуре, имеющее длительность значительно превышающую период световых волн ( 10-15 с)».
Тепловое электромагнитное излучение тел происходит вследствие возбуждения молекул при их столкновениях в процессе теплового движения. Тепловое движение молекул есть всегда, поэтому всегда у любого тела есть тепловое излучение. При повышении температуры тепловое движение становится более интенсивным и поэтому усиливается тепловое излучение.
Люминесценция – это излучение вследствие возбуждения молекул за счёт всех остальных причин кроме теплового движения молекул. Поэтому люминесценцию называют иногда холодным свечением.
Особенность люминесценции – время послесвечения, определённая длительность свечения после прекращения действия возбуждающего фактора.
Вплоть до ХХ века человек, в основном, имел дело с тепловым излучением: солнца, костра, факела, лучины, свечи, керосиновой лампы, газового светильника, дуговой электрической лампы, электрической лампы накаливания. Люминесцентное свечение человек видел редко: свечение гнилушек, светлячков, морских организмов, полярное сияние. В ХХ веке человек всё чаще стал применять люминесцентные источники излучения: лампы дневного света, экраны телевизоров, рентгеновских аппаратов, дисплеи компьютеров, люминесцентные источники ультрафиолетового излучения и т. д. Способов возбуждения люминесценции много. В таблице 6.1 приведены некоторые виды люминесценции.
ТАБЛИЦА 6.1 НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
Виды люминесценции |
Способы возбуждения |
Применение |
Фотолюминесценция. |
Поглощение фотонов света и ультрафиолетового излучения. |
Методы качественного и количественного анализа, контроль качества фармацевтических материалов, медицинская диагностика, люминесцентные светильники, дорожные знаки. |
Электролюминесценция. |
Электрический разряд. |
Люминесцентные светильники. экраны осциллографов, телевизоров, дисплеев |
Катодолюминесценция. |
Удары быстрых электронов. |
Экраны осциллографов, телевизоров, дисплеев |
Рентгенолюминесценция |
Рентгеновские лучи. |
Рентгеноскопия, флюорография. |
Радиолюминесценция. |
Радиоактивное излучение. |
Индикаторы радиоактивности. |
Хемилюминесценция. |
Химические реакции. |
Биологические и биофизические исследования. Медицинская диагностика. |
6.2. Фотолюминесценция. Флюоресценция. Фосфоресценция
Фотолюминесценция возникает под действием облучения вещества видимым светом или невидимым ультрафиолетовым излучением. По длительности послесвечения фотолюминесценция разделяется на флюоресценцию (длительность послесвечения 10-7 с.) и фосфоресценцию (длительность послесвечения 10-3 с, иногда до нескольких часов и даже суток).
На рисунке 6.1 показаны: возбуждение (1), флюоресценция (2), фосфоресценция (3) и безызлучательный переход (4).
Рис. 6.1. Квантовые переходы при возбуждении (1), флюоресценции (2), фосфоресценции (3) и безызлучательно переходе (4).
Возбуждение (1) происходит при поглощении и фотона h в . Если при этом электрон переходит с основного синглетного энергетического уровня s0 , на котором два электрона с противоположно направленными спинами, на возбуждённые синглетные энергетические уровни s*1 , s*2 и т. д. , направление спина возбуждаемого электрона не меняется. Возвращение на основной уровень может происходить разными способами. Либо излучательно (2) – это флюоресценция, потому что на синглетном уровне электрон долго не задерживается. Либо безызлучательно (4), тогда энергия возбуждённого электрона превращается в энергию теплового движения молекул. Чаще всего электрон сначала безызлучательно переходит на первый возбуждённый уровень, а потом с излучением на основной. Но иногда электрон оказывается на триплетном уровне, когда его спин оказывается направленным в ту же сторону, что и у электрона, оставшегося на основном уровне. Теперь возвращение электрона на основной уровень без оборота спина запрещено принципом Паули. А на оборот спина требуется время. Поэтому электрон задерживается на триплетном уровне значительно дольше, чем на основном и переход с него сопровождается фосфоресценцией (3).