31.8. Люмінесценція

Крім термодинамічно рівноважного теплового випромінювання існують також нерівноважні випромінювання, одним з видів яких є люмінесценція. По визначенню 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 триває від 10^-10 с до декількох секунд і більше.

По механізму підведення енергії збудження розрізняють такі основні види люмінесценції.

1. Фотолюмінесценція – збудження молекул електромагнітним випромінюванням видимого й ультрафіолетового діапазонів.

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

3. Хемілюмінесценція — виникнення світіння в ході хімічних перетворень, у яких енергія хімічної реакції перетворюється безпосередньо у світлову. Надзвичайно цікавий вид хемілюмінесценції — біолюмінесценція (світіння живих об'єктів (бактерій, світлячків, риб тощо).

4. Електролюмінесценція – світіння, що виникає при внесенні деяких напівпровідників в електричне поле, під дією якого електрони переходять на більш високі енергетичні рівні з наступними переходами на нижчі рівні енергії, що супроводжуються висиланням світлових квантів.

За тривалістю світіння люмінесценція підрозділяється на два види: флуоресценція (час загасання  ~ 10^-8 с) і фосфоресценція ( – до декількох секунд і навіть годин). Поділ люмінесценції на флуоресценцію та фосфоресценцію умовний, оскільки часові інтервали загасання цих видів люмінесценції не мають чітких границь і можуть перекриватися.

Розглянемо основні закономірності флуоресценції, що виникає, як правило, у газах, рідких або твердих розчинах.

Рис. 31.8

При збудженні флуоресценції електромагнітним випромінюванням із частотою _з молекула, поглинувши фотон з енергією h_зб, переходить на коливальний рівень збудженого електронного стану — перехід 1 (рис. 31.8). 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. 31.9

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. 31.9. 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. 31.10). 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. 31.10

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).