Люминесценция¶
Люминесценция — излучение света веществом, обусловленное не тепловым движением его частиц, а переходом атомов, молекул или ионов из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией. В отличие от теплового (чёрного) излучения, интенсивность которого определяется температурой, люминесцентное свечение может существенно превосходить по яркости свечение раскалённого тела той же температуры и наблюдаться при комнатной температуре. Термин ввёл физик Георг Георгий Георгиевич Столетов в 1888 году, предложив название по имени римского поэта Лукреция, описавшего свечение некоторых минералов.
¶История
Явление свечения некоторых минералов и органических веществ было известно с античности. В XVI—XVII веках описано свечение фосфора — вещества, открытого в 1667 году немецким алхимиком Геннебрандом. В 1789 году Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолетовое излучение, обнаружив, что хлорид серебра темнеет под его действием. В XIX веке изучение свечения фосфоров и минералов привело к необходимости выделить явление в отдельный класс, не сводимый к тепловому излучению.
В 1888 году русский физик Георгий Георгиевич Столетов, исследуя свечение минералов под действием света, предложил термин «люминесценция» и развил его классификацию. Его работы заложили основы систематического изучения явления в России, где оно получило дальнейшее развитие в трудах С. И. Вавилова, А. Н. Теренина и других учёных.
¶Природа явления
Люминесценция возникает при переходе возбуждённых частиц в состояние с меньшей энергией. Возбуждение может быть вызвано различными факторами: поглощением света, столкновениями с электронами или ионами, химическими реакциями, механическим воздействием, нагревом. При возвращении в основное состояние избыток энергии выделяется в виде кванта света.
По времени задержки свечения после прекращения возбуждения люминесценцию подразделяют на:
- Флуоресценцию — свечение, прекращающееся практически сразу (за время порядка 10⁻⁸ с) после выключения источника возбуждения.
- Фосфоресценцию — свечение с заметной инерцией, сохраняющееся от долей секунды до часов после прекращения возбуждения.
¶Классификация
По характеру возбуждения различают несколько видов люминесценции:
| Вид | Источник возбуждения |
|---|---|
| Фотолюминесценция | Поглощённый свет |
| Электролюминесценция | Электрическое поле, электроны |
| Хемилюминесценция | Химические реакции |
| Биолюминесценция | Биохимические процессы |
| Радиолюминесценция | Ионизирующее излучение |
| Триболюминесценция | Механическое трение |
| Катодолюминесценция | Бомбардировка электронами |
| Сонолюминесценция | Кавитация в жидкости |
Фотолюминесценция, в свою очередь, подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию. Существует также классификация по спектру излучения: если люминесцентное излучение имеет большую длину волны, чем возбуждающее, говорят о нормальной люминесценции; если меньшую — об антистоксовом сдвиге.
¶Характеристики
Основными характеристиками люминесценции являются:
- Спектр — распределение интенсивности излучения по длинам волн.
- Квантовый выход — отношение числа испущенных квантов к числу поглощённых.
- Время жизни возбуждённого состояния — среднее время существования частицы в возбуждённом состоянии.
- Зависимость интенсивности от интенсивности возбуждения — часто линейная, но возможны нелинейные эффекты.
¶Применение
Люминесценция широко используется в технике и науке:
- Осветительная техника — люминесцентные лампы, в которых ультрафиолетовое излучение разряда преобразуется люминофором в видимый свет.
- Электронно-лучевые и плазменные экраны — люминофоры обеспечивают свечение пикселей.
- Светящиеся краски и материалы — на основе сульфида цинка, стронция алюмината и других соединений.
- Медицинская диагностика — флуоресцентная микроскопия, люминесцентный анализ.
- Биология и медицина — зелёный флуоресцентный белок, маркеры клеточных процессов.
- Криминалистика — обнаружение следов под действием ультрафиолета.
- Геология — определение состава минералов по их люминесценции.
¶Интересные факты
Некоторые минералы, например алмазы с примесями азота, обладают собственной люминесценцией, что используется при их сортировке. Свечение морских волн обусловлено биолюминесценцией одноклеточных водорослей. Русский учёный С. И. Вавилов впервые экспериментально показал наличие люминесценции в растворах органических красителей и развил учение о свечении тел.
Источники:
- Столетов Г. Г. «Люминесценция» (1888)
- Вавилов С. И. «Избранные труды»
- Теренин А. Н. «Фотофизические процессы в красителях»
- Гуревич А. М. «Оптика люминесценции»
- «Большая советская энциклопедия», статья «Люминесценция»