Luminescens

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 27. april 2021; checks kræver 13 redigeringer .

Luminescens (fra lat. lumen , slægtstilfælde luminis - lys og -escens - et suffiks, der betyder en proces eller tilstand, fra -ēscō - at blive) - en ikke-termisk glød af et stof, der opstår, efter at det absorberer excitationsenergi. Luminescens blev først beskrevet i det 18. århundrede .

Oprindeligt blev fænomenet luminescens brugt til fremstilling af lysende maling og lyssammensætninger baseret på den såkaldte fosfor, til påføring på skalaerne af instrumenter beregnet til brug i mørke. Luminescens tiltrak ikke megen opmærksomhed i USSR indtil 1948 , da den sovjetiske videnskabsmand S. I. Vavilov på en session i det øverste råd foreslog at begynde at fremstille økonomiske fluorescerende lamper og bruge luminescens i analysen af kemikalier. I hverdagen bruges fænomenet luminescens oftest i "dagslys" fluorescerende lamper og katodestrålerør af kineskoper . Fænomenet lysforstærkning , eksperimentelt bekræftet af V. A. Fabrikantens værker og som ligger til grund for kvanteelektronikkens videnskabelige og tekniske retning, er baseret på brugen af fænomenet luminescens , der specifikt finder dets anvendelse i lysforstærkere og stimulerede strålingsgeneratorer ( lasere ) .

Generelle karakteristika

"Vi vil kalde luminescensoverskuddet i forhold til kroppens temperaturstråling i tilfælde af, at denne overskydende stråling har en endelig varighed på cirka 10-10 sekunder eller mere." Dette er den kanoniske definition af luminescens givet af den sovjetiske videnskabsmand S. I. Vavilov i 1948 . Det betyder, at lysstyrken af et selvlysende objekt i spektralområdet for dets strålingsbølger er væsentligt større end lysstyrken af et absolut sort legeme i det samme spektralområde , som har samme temperatur som det selvlysende legeme. [en]

Den første del af definitionen gør det muligt at skelne luminescens fra termisk stråling , hvilket er særligt vigtigt ved høje temperaturer, når termisk stråling bliver mere intens. Et vigtigt træk ved luminescens er, at det kan manifestere sig ved meget lavere temperaturer, da det ikke bruger den termiske energi fra det udstrålende system. Til dette kaldes luminescens ofte "kold glød". Varighedskriteriet introduceret af Vavilov gør det muligt at adskille luminescens fra andre typer ikke-termisk stråling: spredning og refleksion af lys, Raman-spredning , Cherenkov-stråling . Deres varighed er mindre end lysbølgens oscillationsperiode (det vil sige <10 −10 s).

Den fysiske natur af luminescens består i de strålingsovergange af elektroner fra atomer eller molekyler fra en exciteret tilstand til grundtilstanden. I dette tilfælde kan forskellige faktorer tjene som årsagen til deres indledende excitation: ekstern stråling, temperatur, kemiske reaktioner osv.

Stoffer med delokaliserede elektroner (konjugerede systemer) har den stærkeste luminescens. Anthracen , naphthalen , proteiner indeholdende aromatiske aminosyrer og nogle protesegrupper, mange plantepigmenter og især klorofyl samt en række lægemidler har en udtalt evne til at luminescere. Organiske stoffer, der er i stand til at danne luminescerende komplekser med svagt luminescerende uorganiske forbindelser, bruges ofte til luminescensanalyse. I fluorescerende titrimetri bruges stoffet fluorescein således ofte .

Oprindeligt refererede begrebet luminescens kun til synligt lys. Det anvendes i øjeblikket på stråling i de infrarøde, synlige, ultraviolette og røntgenstråler (se elektromagnetisk bølgeskala ).

Mange former for naturlig luminescens har været kendt af folk i meget lang tid. For eksempel gløden fra insekter (ildfluer), gløden fra havfisk og plankton, nordlys, glød af mineraler, rådnende træ og andet forrådnende organisk materiale. På nuværende tidspunkt er mange kunstige metoder til excitation af luminescens blevet tilføjet til naturlige former. Faste og flydende stoffer, der er i stand til luminescens, kaldes luminophorer (fra latin lumen - lys og andre græske phoros - bærer).

For at et stof skal være i stand til at lyse, skal dets spektre være diskrete , det vil sige, at dets energiniveauer skal være adskilt af bånd af forbudte energier. Derfor giver metaller i fast og flydende tilstand, som har et kontinuerligt energispektrum, ikke luminescens. Excitationsenergi i metaller omdannes kontinuerligt til varme. Og kun i kortbølgeområdet kan metaller opleve røntgenfluorescens, det vil sige under påvirkning af røntgenstråler udsende sekundære røntgenstråler .

Typer af luminescens

Den selvlysende glød af kroppe er normalt opdelt i følgende typer:

Fotoluminescens er en glød, der opstår under påvirkning af spændende stråling i det optiske eller ultraviolette bølgelængdeområde. Det er til gengæld opdelt i
- fluorescens (levetiden for den exciterede tilstand er 10-9-10-6 s ) ;
- phosphorescens (levetiden for den exciterede tilstand er 10-3-10 s);
Kemiluminescens er en glød, der bruger energien fra kemiske reaktioner;
Katodoluminescens - forårsaget af bestråling med hurtige elektroner (katodestråler);
Sonoluminescens - luminescens forårsaget af højfrekvent lyd;
Radioluminescens - når et stof exciteres af ioniserende stråling ;
Triboluminescens - luminescens, der opstår ved gnidning, knusning eller spaltning af fosfor. Triboluminescens er forårsaget af elektriske udladninger, der forekommer mellem de dannede elektrificerede dele - udladningslyset forårsager fotoluminescens af fosforen .
Bioluminescens er levende organismers evne til at gløde, opnået uafhængigt eller ved hjælp af symbionter.
Elektroluminescens - opstår, når en elektrisk strøm føres gennem visse typer fosfor.
Candoluminescens er en glødende glød.
Termoluminescens er en selvlysende glød, der opstår, når et stof opvarmes. Den videnskabelige litteratur bruger ofte udtrykket Termisk stimuleret luminescens , forkortet til TSL , hvilket er det samme.

På nuværende tidspunkt er fotoluminescens den mest undersøgte.

Der er tre typer luminescens i faste stoffer:

monomolekylær luminescens - handlinger af excitation og emission af lys forekommer inden for et enkelt atom eller molekyle;
metastabil luminescens - handlinger af excitation og emission af lys forekommer inden for et enkelt atom eller molekyle, men med deltagelse af en metastabil tilstand;
rekombination luminescens - handlinger af excitation og emission af lys forekommer forskellige steder.

Luminescensspektre

Luminescensspektret er afhængigheden af intensiteten af luminescerende stråling af bølgelængden af det udsendte lys. De enkleste er atomspektre, hvor den ovenfor angivne afhængighed kun bestemmes af atomets elektroniske struktur. Molekylernes spektre er meget mere komplekse på grund af det faktum, at forskellige deformations- og strækkevibrationer realiseres i molekylet. Når de afkøles til ultralave temperaturer, bliver kontinuerlige luminescensspektre af organiske forbindelser opløst i et bestemt opløsningsmiddel til kvasi-lineære. Dette fænomen kaldes Shpolsky-effekten . Dette fører til et fald i detektionsgrænsen og en stigning i selektiviteten af bestemmelser, en udvidelse af antallet af elementer, der kan bestemmes ved den luminescerende analysemetode.

Franck-Condon princip

En del af den elektroniske energi under absorption og emission af lys skal bruges på at øge strukturens svingninger og omdannes til varme. Fænomenet observeres som et resultat af en skarp ændring i gradienten af elektronenergi omkring kerner under excitation og afslapning.

Stokes-Lommel- reglen

Luminescensspektret forskydes som regel i forhold til absorptionsspektret mod lange bølgelængder. Denne regel forklares normalt ved tabet af en del af den absorberede energi til molekylers termiske bevægelse. Der er dog en anti-Stokes-phosphor , der udsender kortere bølgelængdestråling end den indfaldende. Som regel er det samme stof i stand til at udsende stråling i både Stokes- og anti-Stokes-regionerne af spektret i forhold til frekvensen af den stråling, der exciterer luminescens.

Kashis regel

Uanset excitationsmetoden og bølgelængden af det exciterende lys forbliver luminescensspektret uændret ved en given temperatur. Da emissionen af luminescenskvanter altid sker fra det laveste elektronisk exciterede niveau af molekylet, vil luminescensspektret altid være det samme, uanset hvilket energiniveau elektronen faldt til som følge af absorptionen af en foton. Denne regel er kun gyldig i tilfælde af brug af det samme exciterede medium, systemet til detektering af luminescensstråling. Sættet af tilladte energiniveauer i et atom/molekyle, såvel som sættet af bølgelængder af luminescensexcitationskilder, gør det muligt for det anvendte medium at opnå et sæt luminescensspektre i forskellige områder af spektret, som ikke gentager hinanden .

Levshins regel om spejlsymmetri

De spektrale linjer for emission og absorption i frekvenskoordinater er gensidige spejlrefleksioner. Positionen af symmetriaksen viser energien af en rent elektronisk overgang. Denne egenskab er hovedsagelig besat af flydende fosfor; Nylige undersøgelser har vist, at det også kan være gyldigt for medier i andre aggregeringstilstande.

Luminescens output

Udbytte er en af de vigtigste egenskaber ved luminescens. Tildel kvanteudbytte og energiudbytte. Under kvanteudbyttet forstå værdien, der viser forholdet mellem det gennemsnitlige antal udsendte fotoner og antallet af absorberede:

\varphi=N_\mathrm{i}/N_\mathrm{p},

hvor:

$N_\mathrm{i}$ er antallet af udsendte kvanter,
$N_\mathrm{p}$ er antallet af absorberede kvanter.

Vavilov viste, at kvanteudbyttet i opløsninger ikke afhænger af bølgelængden af det spændende lys. Dette skyldes den enorme hastighed af vibrationsafslapning, hvorunder det exciterede molekyle overfører overskydende energi til opløsningsmiddelmolekyler.

Energiudbytte er forholdet mellem energien af udsendte fotoner og energien af absorberede fotoner:

B_\mathrm{en}=N_\mathrm{i}E_\mathrm{i}/N_\mathrm{p}E_\mathrm{p}=\varphi\cdot\nu_\mathrm{i}/\nu_\mathrm{ p},

hvor er strålingsfrekvensen. Når bølgelængden af det spændende lys øges, vokser energiudbyttet først proportionalt med bølgelængden af det lys, der exciterer det, forbliver derefter konstant, og falder efter en vis begrænsende bølgelængde kraftigt nedad (Vavilovs lov). $\nu$

Luminescensslukning

Forskellen i luminescensudbyttet fra enhed skyldes den såkaldte. slukningsprocesser. Der er koncentration, intern, temperatur, ekstern statisk og dynamisk quenching.

Intern quenching skyldes ikke-strålingsovergange af intern konvertering og rotations-vibrationsrelaksation. Det viser sig tydeligst i symmetriske strukturer med et stort antal konjugerede bindinger, konformationelt ikke-stive strukturer.

Temperaturslukning er en slags intern. Under påvirkning af temperatur øges et molekyles evne til at deformere, og som følge heraf øges sandsynligheden for ikke-strålende overgange.

Ekstern statisk quenching er baseret på interaktionen af en selvlysende forbindelse med et andet molekyle og dannelsen af et ikke-udstrålende produkt.

Dynamisk quenching opstår, når et exciteret fosformolekyle indgår i en ekstern reaktion og mister sine egenskaber.

Koncentrationsslukning er resultatet af absorptionen af iboende stråling af et stofs molekyler.

Se også

Litteratur

Shpolsky E. V. Atomfysik (i 2 bind). - M.1984 .: Videnskab, 1984.
Landsberg G.S. Optik. - 6. udgave, stereo. - M. : FIZMATLIT, 2003. - 647 s.
Lakovich J. Fundamentals of fluorescensspektroskopi. — M .: Mir, 1986. — 496 s.
Harvey D. Moderne analytisk kemi. - Boston, 2000. - 798 s.
Stolyarov KP, Grigoriev NN Introduktion til luminescensanalyse af uorganiske stoffer. - L. , 1967. - 364 s.
Zakharov IA, Timofeev VN Luminescerende analysemetoder. - L. , 1978. - 95 s.

Noter

↑ Landsberg G.S. Optik. - 6. udgave, stereo. — M.: FIZMATLIT, 2003. — 848 s.