2. Люминесценция

Примерами люминесцентного излучения может служить свечение тел при облучении ультрафиолетовым, рентгеновским, гамма-излучением. Вещества, способные светиться под действием различного рода возбуждений называются люминофорами.

Люминесценция - неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела, и имеющее длительность, большую периода световых колебаний.

Длительность излучения, по которой свечение можно отнести к люминесцентному, приблизительно равна с. Признак длительности свечения дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов.

В зависимости от способов возбуждения различают: фотолюминесценцию (под действием света), рентгенолюминисценцию (под действием рентгеновского излучения), катодолюминисценцию (под действием электронов), электролюминесценцию (под действием электрического поля), радиолюминисценцию (при возбуждении гамма-излучением, нейтронами, протонами), хемилюминисценцию (при химических превращениях), биолюминисценцию (при химических реакциях биологических объектов).

По длительности свечения различают флуоресценцию ( с) и фосфоресценцию - свечение, продолжающееся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения.

Д. Стокс в 1852 г. сформулировал правило: длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его (рис.20. 3).

Согласно квантовой теории, правило Стокса означает, что энергия падающего фотона частично расходуется на какие-то неоптические процессы, т.е. . Основной энергетической характеристикой люминесценции является энергетический выход - отношение энергии, излученной люминофором при полном высвечивании, к энергии, поглощенной им. Величина энергетического выхода колеблется в широких пределах: максимальное ее значение около 80%.

На примере кристаллофосфоров (кристаллы с чужеродными примесями) рассмотрим механизмы возникновения люминесценции с точки зрения зонной теории.

Рис. 20. 3

Между валентной зоной и зоной проводимости кристаллофосфора располагаются примесные уровни активатора (рис.20. 4.). При поглощении атомом активатора фотона с энергией электрон с примесного уровня переводится в зону проводимости, свободно перемещается по кристаллу до тех пор, пока не встретится с ионом активатора и не рекомбинирует с ним, перейдя вновь на примесный уровень. Рекомбинация сопровождается выделением кванта люминесцентного свечения. Время высвечивания люминофора определяется временем жизни возбужденного состояния активатора, которое обычно менее одной миллионной секунды.

Рис.20. 4 Рис.20. 5

Для возникновения длительного свечения (фосфоресценции) кристаллофосфор дожен содержать также центры захвата, или ловушки для электронов, представляющие собой незаполненные уровни (напр, ), лежащие вблизи дна зоны проводимости (рис. 20. 5). Они могут быть образованы атомами примесей, атомами в междоузлиях и т.д. Под действием света атомы активатора возбуждаются, т.е. электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости и становятся свободными. Однако они захватываются ловушками, в результате чего теряют свою подвижность, а, следовательно, способность рекомбинировать с ионом активатора. Освобожденный из ловушки электрон попадает в зону проводимости и движется по кристаллу до тех пор, пока он снова не будет захвачен ловушкой или не рекомбинирует с ионом активатора. В последнем случае возникает квант люминесцентного излучения. Длительность процессов определяется временем пребывания электронов в ловушках.

Интересно отметить, что в биологических системах хемилю-минисценция возникает, например, при рекомбинации перекисных свободных радикалов липидов

Люминесцентный анализ широко применяется в практике - это метод определения состава вещества по характерному его свечению. Являясь очень чувствительным г/см³, данный метод используется при точнейших исследованиях в биологии, медицине, пищевой промышленности и т.д.

64.

ФОТОЭФФЕКТ. Гипотеза Планка получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта.

Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Внешний эффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен в 1887 г. Г. Герцем.

Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводников и диэлектриков из связанных состояний в свободные без вылета наружу. Внутри тела концентрация носителей увеличивается, что приводит к росту фотопроводимости или появлению электродвижущей силы (э.д.с.).

Вентильный фотоэффект - возникновение э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля).

Рис. 20. 6

Вольтамперная характеристика фотоэффекта - зависимость фототока , образуемого потоком электронов, испускаемых катодом, от напряжения между электродами. На рис.20. 6 приведена такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям катода.

По мере увеличения фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Максимальное значение тока - фототок насыщения полностью определяется таким напряжением , при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода

, (20.14)

- число электронов, испускаемых катодом в 1 секунду. Из вольтамперной характеристики следует, что при фототок не исчезает. Для того, чтобы фототок стал равным 0, следует приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий скоростью , не сможет преодолеть задерживающего поля, т.е. имеем

(20.15)

т.е. измерив задерживающее напряжение, можно оценить кинетическую энергию фотоэлектронов и их максимальную скорость.

65.