Міністерство освіти і науки України

Одеська національна морська академія

Кафедра фізики і хімії

Лабораторна робота № 7.6

Загасання люмінесценції

(учбово-методичний посібник до лабораторного практикуму)

Склав проф. Михайленко В.І

Затверджено на засіданні кафедри,

протокол №4 від 21.02.2011р

Одеса-2011

Лабораторна робота № 7.6

Загасання люмінесценції

1. Теоретична частина

1. Загальна характеристика люмінесценції

Крім термодинамічно рівноважного теплового випромінювання, існують також нерівновагі випромінювання, одним з видів якого є люмінесценція.За визначенням С.І.Вавилова

ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЄЮ НАЗИВАЄТЬСЯ НАДЛИШКОВЕ НАД ТЕПЛОВИМ ВИПРОМІНЮВАННЯ, ЯКЩО ЙОГО ТРИВАЛІСТЬ ПЕРЕВИЩУЄ 10^-10 с.

Це визначення дозволяє відрізнити люмінесценцію, спектр якої, як правило, розташований у видимому діапазоні, від рівноважного теплового випромінювання, яке при кімнатній температурі у видимій частині спектра практично відсутнє. На відміну від відбитого світла, що зникає практично миттєво після перекриття падаючого променя, люмінесценція характеризується певною «інерційністю», тобто після припинення підведення енергії від зовнішнього джерела люмінесценція продовжується від 10^-10 с до декількох секунд і більше.

За механізмом збудження люмінесценції розрізняють наступні її види.

1. Фотолюмінесценція - збудження молекул речовини ультрафіолетовим (або видимим) випромінюванням.

2. Корпускулярна люмінесценція - збудження молекул ударами мікрочастинок (найчастіше електронів).

3. Хемілюмінесценція - виникнення світіння в ході хімічних реакцій, у яких енергія хімічних процесів перетворюється безпосередньо у світлову. Надзвичайно цікавий вид хемілюминесценції - біолюмінесценція - світіння живих об'єктів (бактерій, світлячків, риб тощо).

4. Електролюмінесценція - світіння, що виникає при поміщенні деяких напівпровідників в електричне поле, під дією якого електрони переходять на більш високі енергетичні рівні з наступними переходами на більш низькі рівні енергії, що супроводжуються висиланням світлових квантів. Цей вид люмінесценції широко використовується для відображення інформації (дисплеї, цифрові табло тощо.).

В залежності від механізму світіння акумульованої енергії розрізняють два типи люмінесценції:

• світіння дискретних центрів,

• рекомбінаційне світіння.

Світіння дискретних центрів характерно для ізольованих молекул (гази, розведені рідкі і тверді розчини), Цей тип люмінесценції характерний тим, що всі процеси, починаючи від акта поглинання фотона і закінчуючи випромінюванням фотона люмінесценції, відбуваються в одному й тому ж центрі (атомі, молекулі).

При рекомбінаційному світінні поглинання фотона збуджуючого світла приводить до відриву електрона від атома (внутрішній фотоефект). Далі цей електрон якийсь час переміщається усередині кристала і потім рекомбінує з яким-небудь іоном, випромінюючи надлишок енергії у вигляді фотона люмінесценції.

1. 2 Закономірності світіння дискретних центрів

Розглянемо основні закономірності світіння дискретних центрів.

Рис. 1

При збудженні люмінесценції електромагнітним випромінюванням із частотою _з молекула, поглинувши фотон з енергією h_зб, переходить на коливальний рівень збудженого електронного стану — перехід 1 (рис. 1). Збуджена молекула має надлишок коливальної енергії відносно інших молекул і дуже швидко (за час порядку 10^-12 с) безвипромінювальним шляхом віддає надлишок своєї енергії в навколишнє середовище — перехід 2. Далі, через час  ~ 10^-8 с молекула переходить на деякий коливальний рівень основного електронного стану — перехід 3, випустивши фотон енергії

,

тобто _л < _з. Дістали правило Стокса: світло люмінесценції має меншу частоту в порівнянні із частотою світла, що збуджує люмінесценцію.

Рис. 2

У ряді випадків правило Стокса порушується, тобто може виявитися, що _л > _зб. Люмінесценція, спостережувана в області частот _л > _зб, називається антистоксовою. Механізм виникнення антистоксової люмінесценції показаний на рис. 2. У цьому випадку до енергії збуджуючого кванта додається частина коливальної енергії молекули, у результаті чого квант люмінесценції має енергію

,

тобто _л > _з.

Більш загальним є правило Стокса-Ломмеля: спектр люмінесценції зсунутий в область менших частот у порівнянні зі спектром поглинання (рис. 3). Частота ₀, що відповідає точці перетинання спектрів поглинання й люмінесценції, задовольняє умові , тобто енергія кванта h₀ дорівнює різниці енергії збуджених і основного електронного станів. Ця частота аналогічна граничній частоті фотоефекта.

Рис. 3

Іншими словами, ₀ – найменша частота фотона, здатного перевести молекулу в збуджений електронний стан, тобто викликати перехід :

(4)

При v< v₀ енергії фотона недостатньо для переведення молекули в збуджений електронний стан (однак такий перехід можливий, якщо молекула додасть до енергії фотона h₀ частину коливальної енергії).

Найважливішими характеристиками люмінесценції є квантовий _к та енергетичного _ен вихід люмінесценції.

Квантовий вихід люмінесценції дорівнює відношенню числа фотонів люмінесценції N_л до числа збуджуючих фотонів N_зб:

(5)

Енергетичний вихід люмінесценції дорівнює відношенню енергії люмінесценції W_л до енергії збуджуючого світла W_зб:

(6)

Перший закон Вавілова:

Квантовий вихід люмінесценції залишається постійним при частотах збуджуючого світла >₀ , а при <₀ зі зменшенням частоти швидко падає до нуля (рис. 4).

Другий закон Вавілова:

Енергетичний вихід люмінесценції при v<₀ зростає в міру збільшення частоти, а при частотах >₀ зменшується до нуля (рис.5).

Рис.4

Рис.5

Фотолюмінесценція застосовується для підсвічування шкал приладів, у яких використовуються кристалофосфори і які «підзаряджаються» при денному освітленні й потім висвічуються у темряві; в «трансформаторах» світлової енергії, які дозволяють перетворювати ультрафіолетове випромінювання у видиме (люмінесцентні лампи денного світла). Корпускулярна люмінесценція широко використається для відображення інформації (телевізійні екрани, осцилографи, дисплеї). З цією метою застосовують також пристрої, де використовується явище люмінесценції (світлодіоди, цифрове табло тощо).