Люминесценция
Входы: энергия.
Выходы: световой поток.
Графическая иллюстрация:
Рис. 2.64. Схема квантовых переходов при метастабильной (стимулированной) люминесценции. Для перехода с метастабильного уровня 4 на излучающий уровень 2 атом должен поглотить дополнительную энергию; 1 — основной уровень;
3 — уровень возбуждения
Сущность:
Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым излучением тела, и имеющее длительность, превышающую период световых колебаний. Люминесценция возникает при возбуждении вещества за счет притока энергии, и в отличии от других видов "холодного" свечения (например, излучение Вавилова-Черенкова), продолжается в течении некоторого времени после прекращения возбуждения. По продолжительности после свечения выделяют флуоресценцию (менее 10 сек.) и фосборесценцию. Последнее продолжается большой промежуток времени после снятия возбуждения (от 10 сек. до нескольких часов). Способность люминесцировать обладает большая группа газообразных, жидких и твердых веществ, как органических так и неорганических (люминофоров). Характер процесса люминесценции существенным образом зависит от агрегатного состояния вещества и типа возбуждения. Люминофоры являются своеобразными преобразователями энергии из одного вида в другой. На входе это может быть энергия электромагнитного излучения, энергия ускоренного оттока частиц, энергия химических реакций или механическая энергия – любой вид энергии, кроме тепловой, - на выходе - световое излучение. Отдельные атомы и молекулы люминофора, поглощая один из этих видов энергии, возбуждаются, т.е. переходят на более высокие энергетические уровни по сравнению с равновесным состоянием, и затем самопроизвольно совершают обратный переход, излучая избыток энергии в виде света. Способ возбуждения лежит в основе классификации различных видов люминесценции:
фотолюминесценция — свечение под действием света (видимого и УФ-диапазона). Она, в свою очередь, делится на
флуоресценцию (время жизни 10-9-10-6 с);
фосфоресценцию (10-3-10 с);
хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций;
катодолюминесценция — вызвана облучением быстрыми электронами (катодными лучами);
сонолюминесценция — люминесценция, вызванная звуком высокой частоты;
рентгенолюминесценция — свечение под действием рентгеновских лучей.
радиолюминесценция – при возбуждении вещества γ-излучением;
триболюминесценция - люминесценция, возникающая при растирании, раздавливании или раскалывании люминофоров. Триболюминесценция вызывается электрическим разрядами, происходящими между образовавшимися наэлектризованными частями - свет разряда вызывает фотолюминесценцию люминофора.
Математическое описание:
1) Затухание мономолекулярной люминесценции с квантовым выходом
τ - среднее время жизни возбужденного состояния,
– начальная интенсивность свечения.
2) Кинетика вынужденной люминесценции в случае с одним метастабильным уровнем
,
– константы, характеризующие интенсивность
возбуждения,
τ - среднее время жизни возбужденного состояния.
3) Рекомбинационная люминесценция
,
где
р – коэффициент рекомбинации,
pt – вероятность рекомбинации электронов за единицу времени,
– начальная интенсивность свечения.
Применение.
Фотолюминесценция часто применяется в лампах дневного света. В них свечение люминофора происходит под действием ультрафиолета, которым богато излучение газоразрядной части лампы (в связи с наличием паров ртути).
Основная область применения электролюминесценции - индикаторные устройства, подсветка шкал, преобразователи изображения.
Хемилюминесценция использована для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химически активные вещества.
Анизотропия и свет
Анизотропия - зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления (в противоположность изотропии - независимости свойств от направления).