1. Типи люмінесценції

У напівпровідників, що знаходяться у збудженому стані, може спостерігатися випускання електромагнітного випромінювання - люмінесценція, яка є процесом, зворотнім до поглинання. Речовина, у якій спостерігається люмінесценція, називається люмінофором.

Люмінесцентне випромінювання виникає за рахунок квантових переходів атомів, іонів, молекул зі збудженого стану в основний чи менш збуджений, тому кожен атом, іон чи молекула люмінофора є центром люмінесценції.

Люмінесценція при збудженні речовини світлом називається фотолюмінесценцією. При збудженні речовини струмом виникає електролюмінесценція, яка використовується в люмінесцентних лампах та світлодіодах. У електроннопроменевих трубках, які ще донедавна використовувалися у телевізорах та дисплеях, люмінесценція збуджується потоком електронів. У ядерній фізиці використовуються сцинтиляційні детектори, в яких люмінесценція викликається швидкими зарядженими частинками. Світіння, яке виникає внаслідок хімічних реакцій, називають хемолюмінесценцією, а світіння в живих організмах — біолюмінесценцією.

Люмінесценція може продовжуватися ще дуже довго після збудження речовини. Таку люмінесценцію (з характерним часом   с) випромінювання на зміненій частоті називають фосфоресценцією.

Фосфоресценція — довготривала люмінесценція. Виникає внаслідок опромінення речовини світлом, іонізуючим випромінюванням, проходження крізь неї електричного струму, при хімічних реакціях, механічному впливі тощо.

За механізмом розрізняють такі різновиди фосфоресценції: резонансну, спонтанну, вимушену та рекомбінаційну. За типом збудження розрізняють: фотолюмінесценцію, рентгенолюмінесценцію, катодолюмінесценцію,хемолюмінесценцію, кріолюмінесценцію, електролюмінесценцію, триболюмінесценцію та ін.

Фосфоресценція пов'язана з існуванням в кристалі таких електронних станів, з яких можливі тільки заборонені оптичні переходи, що характеризуються великим часом життя. Інша можлива причина затримки випромінювання — захоплення носіїв заряду на пастки. Якщо електрони і дірки захоплюються пастками, то не можуть негайно про рекомбінувати. В такому випадку висвічування відбувається тільки тоді, коли одна із частинок звільниться з пастки за рахунок взаємодії з тепловими коливаннями кристалічної ґратки, знайде іншу частинку й прорекомбінує з нею.

Будь-якому предмету можна надати фосфоресценції, обробивши його фосфоресцентною фарбою.

Швидке негайне (з характерним часом   с) називають флюоресценцією.

Флюоресцеенція — короткотривала (від пікосекунд до мілісекунд)  люмінесценція. Виникає внаслідок: опромінення речовини світлом, іонізуючим промінням, проходження крізь неї електричного струму, при хімічних реакціях, механічному впливі тощо.

Точні кількісні критерії розмежування цих двох явищ визначити важко, проте знання механізму конкретного люмінесцентного процесу дозволяє чітко їх розрізнити – при фосфоресценції відбувається зміна мультиплетності молекули (звичайно це перехід з триплетного стану до синґлетного), при флюоресценції спін, а відтак і мультплетність не змінюються. Проте такий прозорий критерій розрізнення є загально прийнятим лише серед фахівців з молекулярної спектроскопії; науковці, що займаються іншими системами, зокрема атомною спектроскопією, не завжди його притримуються: так, одна з найважливіших для фотохімії лінія випромінювання ртуті 253,7 нм відповідає переходу ³P₁→¹S₀ і за цим критерієм є фосфоресцентною лінією, проте фахівці з атомної спектроскопії так її не називають.

При збудженні речовини тим чи іншим способом, її молекули (у випадку газу чи рідини) переходять у високоенергетичні квантові стани. У випадку напівпровідників електрони переходять із валентної зони у вільні стани зони провідності, залишаючи у валентній зоні дірку. Збуджений стан може випромінювати фотон негайно, повернувшись в основний стан або ж втратити частину енергії в результаті зіткнень. Процеси поступової втрати енергії збудженою частинкою називаються релаксацією. Релаксація продовжується, доки збуджена частка не прийде до стану, коли подальша поступова втрата енергії неможлива. Такі стани характерні для кожної речовини й визначають спектр люмінесценції. Збудження може існувати в такому стані лише певний час, а потім відбувається перехід до основного стану, який супроводжується випромінюваннями кванта світла — фотону. Кожен люмінофор характеризується своїм спектром люмінесценції, на який майже не впливає спосіб збудження.

Згідно з визначенням, яке вперше сформульованим С. І. Вавілов, люмінесценція це світіння, надлишкове над тепловим випромінюванням тіла, якщо це надлишкове випромінювання має скінченну тривалість, що значно перевищує період світлових коливань. Дане визначення відокремлює люмінесценцію від теплового рівноважного випромінювання тіла і дає право віднести її до нерівноважного випромінювання.

Люмінесценція, як будь-яке електромагнітне випромінювання, характеризуєтся інтенсивністю, спектральним складом, поляризацією, когерентністю і тривалістю післясвітіння. І тільки тривалість післясвітіння відрізняє люмінесценцію від усіх інших видів нерівноважного випромінювання, таких як відображення і розсіювання світла, гальмівне випромінювання, випромінювання Вавілова - Черенкова, які практично безінерційні; їх тривалість становить приблизно період світлових коливань ( с). У разі люмінесценції акти поглинання і випромінювання світла розділені проміжними процесами, що і призводить до тривалого існування світіння після припинення збудження.

У твердих тіл розрізняють в основному два види люмінесценції: мономолекулярну і рекомбінаційну.