10.3 Люминесценция

Люминесценция (холодное свечение) – свечение тел при низкой температуре, так что в тепловом излучении отсутствует излучение в видимом диапазоне. Оно наблюдается после возбуждения атомов и молекул вещества. По продолжительности послесвечения (после прекращения действия внешнего возбуждения) от 10^-9с до нескольких суток. Люминесценция подразделяется на флюоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (длительное), хотя резкой границы между ними нет.

Свечение при люминесценции не прекращается одновременно с вызвавшей его причиной. В зависимости от способа возбуждения различают фото-люминесценцию, рентгено-, радио-, котодо-, электро-, хемилюминесценцию.

Спектры люминесцентного излучения и их максимумы сдвинуты в сторону более длинных волн относительно спектра возбуждающего излучения (правило Стокса).

В соответствии с квантовой теорией излучения, поглотив квант энергии hυ₀, атом переходит в возбужденное состояние и теряет при этом часть полученной энергии. Оставшаяся энергия излучается в виде кванта hυ

. (174)

То есть частота люминесцентного излучения меньше частоты поглощения. Вещества, обладающие ярко выраженной способностью люминесцировать называются люминофорами. Степень преобразования поглощенной энергии ε₀ в энергию люминесценции ε характеризуется энергетическим выходом η=ε/ε₀.

Согласно закону С.И. Вавилова

Квантовый выход возрастает пропорционально длине волны возбуждающего излучения, а затем, достигнут максимума (насыщения), резко уменьшается.

Люминесценция широко используется в технике – люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки, люминесцентный анализ и другие применения. Люминесцентный анализ применяется также в медицине и ветеринарии. Значительная часть органических соединений (кислоты, жиры, красители) при облучении ультрафиолетом люминесцируют. Изучение люминесцентного излучения позволяет анализировать состояние пищевых продуктов, фармакологических веществ, волокон растительного и животного происхождения. Он применяется также при диагностике кожных заболеваний. Наблюдается также сверхслабое свечение биологических объектов – метаболическая люминесценция, характерная для живых организмов.

При люминесценции атомы из возбужденного состояния в устойчивое переходят спонтанно (самопроизвольно), однако эти переходы могут быть инициированы за счет какого либо внешнего воздействия.

Если атомам сообщить дополнительную энергию, они переходят на более высокие энергетические уровни. Возникает неравновесное состояние, для поддержки которого необходимо извне сообщить веществу дополнительную энергию. Этот эффект реализуется в лазерах (квантовых генераторах), которые состоят из возбуждающего источника, рабочего вещества и плоскопараллельных зеркал, расположенных на его торцах (рис.79).

Вследствие вспышки импульсной лампы атомы переводятся в возбужденное состояние.

Если один из атомов испускает фотон, летящий вдоль оси рабочего вещества (кристалла, газа, полупроводника), то он инициирует излучение

Рис.79

других атомов и образуется лавина фотонов. Так как волны, соответствующие этим фотонам совпадают по фазе, то амплитуда излучения непрерывно возрастает. Многократно отражаясь от плоскопараллельных зеркал (правое полупрозрачное), свет усиливается и выходит наружу в виде монохроматического когерентного излучения. Трехуровневая схема генерирования излучения в лазере имеет вид (рис. 80).

(175)

Фотоны, летящие под углом к оси лазера «выходят из обращения» и не участвуют в формировании

Рис.80