Люминесценция: виды и механизмы¶

Люминесценция — это нетепловое излучение вещества, возникающее после поглощения им энергии и представляющее собой избыточное свечение над тепловым (равновесным) излучением тела при данной температуре. В отличие от теплового излучения, люминесценция обычно происходит при низких температурах и имеет длительность, значительно превышающую период световых колебаний. Термин происходит от латинского слова lumen («свет») и был введён в 1888 году немецким физиком Эйльхардом Видеманом.

¶Физическая природа

В основе люминесценции лежит процесс возбуждения атомов, молекул или кристаллов под действием внешнего источника энергии. Поглотив энергию, вещество переходит в возбуждённое состояние, а затем возвращается в основное, испуская кванты света. Важнейшей характеристикой является то, что излучение не является результатом нагрева тела: люминесцентное свечение может наблюдаться даже при температуре жидкого гелия.

Ключевые параметры, описывающие люминесценцию:

Спектр излучения — распределение интенсивности по длинам волн.
Квантовый выход — отношение числа испущенных квантов к числу поглощённых.
Длительность свечения — время затухания после прекращения возбуждения.
Поляризация — ориентация вектора электрического поля излучения.

По длительности различают флуоресценцию (быстрое затухание, порядка 10⁻⁸–10⁻⁹ с) и фосфоресценцию (длительное послесвечение, от миллисекунд до часов). Причина различия — в природе возбуждённых состояний: при флуоресценции излучательный переход разрешён, при фосфоресценции он происходит из метастабильного триплетного состояния, что требует большего времени.

¶Классификация по способу возбуждения

Люминесценцию классифицируют по источнику энергии, вызывающей свечение:

Фотолюминесценция — возбуждение светом (ультрафиолетовым или видимым излучением). Наиболее распространённый вид, используемый в люминесцентных лампах и светодиодах белого света.
Катодолюминесценция — возбуждение потоком электронов. Применяется в электронно-лучевых трубках старых телевизоров и мониторов, а также в растровых электронных микроскопах.
Электролюминесценция — возбуждение электрическим полем или током. Лежит в основе работы светодиодов и органических светодиодных дисплеев (OLED).
Радиолюминесценция — возбуждение ионизирующим излучением (гамма-квантами, рентгеновскими лучами, частицами). Используется в сцинтилляционных детекторах.
Хемилюминесценция — свечение, возникающее при химических реакциях. Пример — «холодный свет» светящихся палочек, используемых туристами и военными.
Биолюминесценция — разновидность хемилюминесценции, протекающая в живых организмах (светлячки, глубоководные рыбы, некоторые грибы и бактерии).
Триболюминесценция — свечение при разрушении или трении кристаллов (например, при разламывании куска сахара в темноте).
Сонолюминесценция — свечение при схлопывании пузырьков в жидкости под действием ультразвука.
Термолюминесценция — высвечивание накопленной энергии при нагреве вещества. Применяется в дозиметрии.

¶Механизмы и материалы

В неорганических кристаллах люминесценция часто связана с наличием центров свечения — примесных ионов (активаторов), таких как марганец, редкоземельные элементы (европий, тербий, церий) или ионы переходных металлов. Кристаллическая решётка-основа называется матрицей или хозяином. Классические люминофоры — сульфид цинка, активированный медью (ZnS:Cu), алюминат стронция, легированный европием и диспрозием (SrAl₂O₄:Eu,Dy), — обладают длительным послесвечением.

В органических соединениях люминесценция возникает в молекулах с развитой системой сопряжённых π-связей (ароматические углеводороды, флуоресцеин, родамины). Органические люминофоры широко применяются в биомедицинской диагностике, лазерной технике и производстве OLED-экранов.

¶Практическое применение

Люминесценция нашла широчайшее применение в технике и науке:

Освещение: люминесцентные лампы (ртутные, с люминофорным покрытием) и светодиоды, где синий кристалл сочетается с жёлтым люминофором для получения белого света.
Экраны и дисплеи: люминофоры в кинескопах, плазменных панелях, OLED-технологии.
Медицина и биология: флуоресцентная микроскопия, иммуноферментный анализ, флуоресцентные маркеры для визуализации опухолей, фотосенсибилизаторы в фотодинамической терапии.
Дозиметрия и радиометрия: термолюминесцентные детекторы для измерения доз ионизирующего излучения.
Криминалистика: обнаружение следов биологических жидкостей с помощью люминола (хемилюминесцентная реакция с гемоглобином).
Безопасность: светящиеся краски для эвакуационных знаков, дорожной разметки, циферблатов приборов.
Сельское хозяйство: люминесцентные лампы для теплиц, ускоряющие фотосинтез растений.
Геология и минералогия: диагностика минералов по характеру свечения в ультрафиолете (например, шеелит светится голубым).

¶История открытия и изучения

Первые описания холодного свечения относятся к древности: Аристотель упоминал светящихся гнилушек, а китайские летописи — светящихся жуков. В 1602 году итальянский сапожник Винченцо Касциароло обнаружил, что нагретый с углём барит (сульфат бария) светится в темноте — это был первый синтетический люминофор (болонский камень).

Научное изучение началось в XIX веке. Джордж Стокс в 1852 году установил правило: длина волны люминесцентного излучения больше длины волны возбуждающего света (правило Стокса). В 1888 году Эйльхард Видеман предложил сам термин «люминесценция». В начале XX века Эрнест Резерфорд использовал сцинтилляции на экране из сульфида цинка для регистрации альфа-частиц, что заложило основы ядерной физики. Современная теория люминесценции развита в работах Сергея Вавилова, который в 1920-х годах исследовал квантовый выход и сформулировал закон Вавилова о постоянстве квантового выхода в спектральной области.

¶Интересные особенности

У некоторых глубоководных кальмаров биолюминесценция служит для маскировки: светящееся брюхо делает животное незаметным на фоне проникающего сверху солнечного света.
Люминесцентные материалы способны накапливать свет днём и излучать его ночью в течение нескольких часов (алюминатные люминофоры).
Сонолюминесценция при схлопывании пузырьков в жидкости может создавать температуры в тысячи градусов, что сопровождается короткими вспышками света.
Флуоресцентные белки (например, зелёный флуоресцентный белок GFP, открытый в 1961 году) стали незаменимым инструментом молекулярной биологии, за что в 2008 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

¶Источники

Левшин В. Л. «Фотолюминесценция жидких и твёрдых веществ». — М.: Гостехиздат, 1951.
Вавилов С. И. «Собрание сочинений. Том 2: Люминесценция». — М.: Издательство АН СССР, 1952.
Гуриков Б. С. «Люминесценция и её применение». — М.: Знание, 1987.
Хайндман К. «Люминесценция: физика и применение» (пер. с англ.). — М.: Мир, 1972.