- •1. Квантовые оптические явления
- •1.1. Фотоны. Энергия, масса и импульс фотонов
- •1.2. Тепловое излучение Понятие о равновесном тепловом излучении
- •Характеристики теплового излучения
- •Законы теплового излучения Закон Кирхгофа
- •Закон Стефана-Больцмана
- •Законы Вина
- •Закон смещения Вина.
- •Формула Рэлея-Джинса
- •Формула Планка
- •1.3. Фотоэффект
- •Основные законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна
- •Внутренний фотоэффект
- •Вентильный фотоэффект
- •1.4. Давление света
- •1.5. Эффект Комптона
- •2. Тормозное рентгеновское излучение
- •Опыт Ботэ
- •2. Физика атома
- •2.1. Спектры. Закономерности в атомных спектрах
- •Модели атома Томсона и Резерфорда
- •Постулаты Бора
- •Применение теории Бора к атому водорода
- •Опыты Франка и Герца
- •Достоинства и недостатки теории Бора
- •2.2. Люминесценция
- •Применение люминесценции
- •3. Физика атомного ядра и элементарных частиц
- •3.1. Состав и характеристики атомного ядра
- •3.2. Дефект массы и энергия связи ядра
- •3.3. Ядерные силы
- •3.4. Радиоактивность
- •3.5. Правила радиоактивного смещения
- •3.6. Закон радиоактивного распада. Активность
- •3.7. Методы регистрации радиоактивного излучения
- •3.8. Ядерные реакции
- •3.9. Термоядерные реакции
- •4. Элементы квантовой механики
- •4.1.Гипотеза Луи де Бройля
- •4.2. Уравнение Шредингера
- •4.3. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками»
- •4.4. Спин электрона. Принцип Паули
- •Рекомендуемая литература
- •Оглавление
- •Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика
2.2. Люминесценция
Люминесценцией называется излучение избыточное над тепловым излучением тела при той же температуре и имеющее длительность, значительно превышающую периоды излучений в оптическом диапазоне спектра. В отличие от равновесного теплового излучения, люминесцентное излучение не имеет равновесного характера.
В зависимости от способов возбуждения различают несколько видов люминесценции: хемилюминесценция – люминесценция, которая происходит за счет энергии химических реакций (например, свечение светлячков, фосфора, гнилых деревьев), электролюминесценция – люминесценция, которая происходит за счет электрического поля, катодолюминесценция – происходит под действием электронов, рентгенолюминесценция – происходит под действием рентгеновского излучения, фотолюминесценция – люминесценция, происходящая под действием света. При этом тело поглощает фотон какой-либо частоты, а затем испускает другой фотон, обычно большей длины волны. Люминесцирующие вещества называются люминофоры.
По длительности свечения условно различают два вида фотолюминесценции: флуоресценция, при которой свечение прекращается практически одновременно с прекращением освещения ( с), и фосфоресценция, при которой имеет место затухающее послесвечение в течение длительного промежутка времени.
При фотолюминесценции энергия поглощенного фотона расходуется частично на энергию излученного фотона и частично остается в веществе. Этот остаток обычно обозначают символом . Согласно закону сохранения энергии
. (25)
Обычно , соответственно и .
Соотношение (25) называется правилом Стокса (установлено в 1852 г.): длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его.
Однако с повышением температуры вещества может наблюдаться и обратное явление – антистоксовое излучение, при котором и . Это означает, что при люминесценции часть люминесцирующего света проходя через толстые слои вещества, может поглощаться этим веществом.
Широкое и тщательное изучение люминесценции было предпринято С.И. Вавиловым и его сотрудниками.
Для характеристики явления люминесценции вводят понятие квантовый выход люминесценции (), т.е. отношение излучаемой энергии к энергии, поглощенной люминесцирующим веществом. Из экспериментальных данных следует, что величина вначале растет с увеличением длины волны возбуждающего света, далее в некотором интервале длин волн остается постоянной, а затем резко падает.
Это общие закономерности люминесценции. Остановимся теперь подробнее на флуоресценции и фосфоресценции.
При флуоресценции процесс поглощения и излучения света проходит внутри поглощающих молекул и поэтому мало зависит от внешних условий. Излучение возникает при переходе электрона из возбужденного состояния, вследствие поглощения фотона падающего света, в обычное, нормальное состояние. При этом длительность послесвечения определяется временем жизни атома или молекулы в возбужденном состоянии. При флуоресценции энергия поглощаемого фотона должна быть в точности равна разности энергетических уровней электрона.
Фотон поглощается, переводя молекулу в возбужденное состояние. Обратный переход осуществляется либо сразу, либо поэтапно.
Изучение спектров флуоресцирующих веществ позволяет разбираться в их свойствах и строении (аналогично оптическим спектрам).
В фосфоресцирующих кристаллах – фосфорах – энергия поглощаемого фотона достаточна, чтобы удалить электрон от оптических центров. Электрон может быть захвачен другим оптическим центром, перейти на низший энергетический уровень и излучить квант света – фотон. Поскольку время жизни электрона в свободном состоянии велико, то и время послесвечения для фосфоров достаточно длительно. Необходимо заметить, что повышение температуры сильно сокращает это время.