ЯВЛЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Тела испускают электромагнитное излучение не только в результате нагревания. Это может происходить и по другим причинам, например, при электрическом разряде в газах, некоторых биохимических процессах (свечение светлячков), гниение органических веществ, окислении фосфора и т.д. Если при этом испускаются волны оптического диапазона – то это явление люминесценции.

Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением и независимо от него. С.И. Вавилов определил явление люминесценции следующим образом: люминесценция есть излучение телом электромагнитных волн в оптическом диапазоне, представляющее собой избыток над тепловым излучением при данной температуре тела и имеющее длительность, значительно превышающую период колебаний световых волн (10^-15с).Последняя часть этого определения позволяет отделить люминесцентное излучение от других видов неравновесных, избыточных над тепловым излучений.

Люминесценция, как и тепловое излучение, происходит в результате сообщения атому или молекуле дополнительной энергии, из-за чего они переходят в возбужденное состояние. При возвращении атома (молекулы) в основное состояние испускается фотон. Однако люминесцентное излучение, в отличие от теплового, не может стать равновесным и прекращается, как только будет исчерпан запас энергии процесса, порождающего люминесценцию.

Люминесценцию классифицируют:

а) по виду процессов, которые вызывают возбуждение атомов и молекул:

1. биолюминесценция – свечение живых организмов (светлячки,

бактерии, грибы);

2. электролюминесценция – свечение газов при электрическом разряде;

3. радиолюминесценция – вызывается радиактивным излучением;

4. хемилюминесценция – свечение при экзотермических химических реакциях;

5. фотолюминесценция – вызывается коротковолновой частью оптического спектра.

б) по длительности свечения люминесценция делится на флуоресценцию, когда послесвечение длится до 10^-3с, и фосфоресценцию, время

послесвечения составляет от 10^-3с до нескольких минут и даже часов.

в) по механизму элементарных процессов, протекающих в люмине-сцирующих атомах и молекулах:

 

1. Резонансная:

При возбуждении атом или молекула, поглощая энергию, переходят с основного уровня S₀, на возбужденный уровень S^*, обратный переход с S^* на S₀ вызывает появление кванта люминесцентного излучения hν_изл = hν_пгл , т.е. λ_изл = λ._пгл (рис.2). Такой механизм имеет место в парах некоторых простых молекул (Hg, Na, Ca), а люминесценция называется резонансной. Такое свечение возникает через 10^-8 с после возбуждения и потому не является обычным рассеянием.

2. Спонтанная:

В некоторых случаях атом (молекула), поглотивший энергию hν_пгл, переходит с основного уровня S₀, на возбужденный S₃^* (рис.3). При взаимодействии с другими частицами они передают им часть полученной энергии и переходят на возбужденный уровень S₂^*. Излучательный переход с S₂^* на S₀ и образует люминесцентное свечение, которое в этом случае называется спонтанным. Переход с уровня S₃^* на уровень S₂^* не сопровождается испусканием кванта электромагнитного излучения и потому называется безизлучательным. Энергия этого перехода пополняет запас внутренней энергии тела.

3. Индуцированная (метастабильная):

У некоторых веществ имеются энергетические уровни (S_м.ст), переход с которых в основное состояние маловероятен. Поэтому атомы, находящиеся на этом уровне в возбужденном состоянии могут существовать относительно долго (до нескольких часов) (рис.4). Такие уровни называются метастабильными. Ускорить переход в основное состояние можно, сообщив атому дополнительную энергию, которая переводит атом на излучательный уровень S₂^*. Такая люминесценция называется метастабильной (вынужденной или индуцированной). Многие органические вещества в качестве метастабильного имеют триплетный уровень, например, тиразин.

4. Рекомбинационная люминесценция – является результатом рекомбинационных процессов – электронов и дырок в полупроводниках, электронов и ионов в газах.