Люминесценция реферат по физике

Обновлено: 02.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Природное применение холодного свечения - люминесценция (например, свечение гнилых пней и различных живых существ) наблюдались, конечно, и первобытным человеком, но сознательное описание этих явлений и выяснение их способностей началось лишь около 400 лет назад.

Систематические количественные исследования холодного свечения были начаты 100 лет назад трудами английского физика Э.Беккереля.

Следует отметить, что два величайших открытия конца XIX века: лучей Рентгена и радиоактивности неразрывно связаны с исследованием люминесценции.

Рентгеновские экраны для рентгенографии были одним из первых важнейших применений люминесценции для технических целей. Вскоре люминесцентные вещества стали использоваться для нанесения на экраны осциллографов. Почти одновременно, в 90-х годах прошлого столетия, свечение газов в разрядных трубках было использовано для целей декоративного освещения. С этого времени применение люминесценции в технике непрерывно возрастало, а вместе с тем быстро нарастал и темп научного исследования этих явлений.

Описание явления люминесценции мы начнём сравнением люминесценции с более привычным видом собственного излучения тел- с температурным излучением.

Естественный свет мы получаем от Солнца - раскалённого тела, поверхность которого имеет температуру около 5700 градусов Цельсия. Горящий костёр, пламя керосиновой лампы накаливания- всё это раскалённые источники света.

Однако более внимательное наблюдение явлений природы обнаруживает существование и источников холодного свечения. Вспомним о величественных северных сияниях, о свечение гнилушек в лесу, жуков и других насекомых, бактерий и различных морских животных: каракатиц, рачков, морских звёзд, некоторых рыб и т. д. Температура их светящихся органов близка к температуре окружающей среды.

Рассмотрим теперь свечение раскалённых тел. Частицы нагретого тела обладают большой тепловой энергией, которая при их соударениях может передаваться от одной частицы к другой, а также излучаться в виде электромагнитных волн. Небольшая часть электромагнитного излучения сильно нагретого тела относится к области видимого света т может восприниматься глазом. Доля видимого света в общем, излучении тела возрастает при повышении температуры, однако при температурах, которые можно достичь в лампах накаливания, подавляющая часть электромагнитного излучения всегда приходится на невидимую часть спектра.

Существенно отметить, что температурное излучение возникает в системе огромного числа частиц, энергетическое состояние которых находиться в динамическом равновесии с электромагнитным излучением, даваемым теми же частицами: в любое мгновение столько же частиц системы даёт излучение и переходит в невозбуждённое состояние, сколько поглощает электромагнитную энергию из поля излучения приходит в возбуждённое состояние.

Условия, в которых возбуждаются и светят частицы люминесцентного вещества, совершенно отличны от условий, в которых находятся частицы раскалённого тела. В то время как при нагревании тела увеличивается энергия всех его частиц, при возбуждении люминесценции энергии получают лишь отдельные частицы, остающиеся в окружении огромного числа невозбуждённых частиц.

Наиболее простым способом возбуждения люминесценции является освещение люминесцентного вещества ультрафиолетовыми лучами или коротковолновыми лучами видимого света; при этом в каждый данный момент свет поглощают лишь некоторые частицы люминесцентного вещества, которое и приходят в возбуждённое состояние.

Различие между температурным излучением раскалённых тел и люминесценцией можно пояснить таким мысленным опытом. Если температурный источник света мгновенно отделить от окружающей среды описанной выше зеркальной оболочкой, то излучение внутри его объёма практически не изменяется, и он безгранично долго будет резко изменять своё состояние, и свечение более или менее быстро затухнет.

Температурное излучение дают и тела; в том числе слабое инфракрасное излучение дают и тела, находящиеся при комнатной температуре. Поэтому, строго говоря, для нахождения величины люминесценции из наблюдаемого свечения следует вычитать температурное излучение светящегося тела. Кроме того, как указал академик С.И.Вавилов, важным признаком люминесценции является её заметная длительность по -13 -15

сравнению со световыми колебаниями, имеющими период10 - 10 сек. Свечение Люминесценции продолжается, по крайней мере, десятимиллиардную долю секунды после прекращения возбуждения, т.е. энергия, поглощённая частицами вещества, не излучается мгновенно. Этим люминесценция отличается от других видов свечения, например от излучения поверхностей, отражающих и рассеивающих свет какого-нибудь постороннего источника.

Свечение, возникающее под действием света, называется фотолюминесценцией

При фотолюминесценции вещество, поглотившее свет, обычно преобразует излучение одной длины волны в излучение другой длины волны. Например, если возбуждение производится невидимым ультрафиолетовыми лучами или синими лучами, то люминесценция может быть зелёного или красного цвета. Таким образом, люминесцирующие частицы отдают световую энергию в виде световых лучей другой, обычно большей длинны волны. Такое преобразование световой энергии внутри молекулы протекает большей частью в течение миллиардных долей секунды; однако иногда, вследствие особых свойств люминесцентной среды, этот процесс затягивается на секунды, а в особенно сложных случаях, на которых мы остановимся ниже, даже на целые часы.

Как указывалось выше, люминесценцию можно возбудить не только световыми лучами, но и ударами электронов и других быстро движущихся частиц. Таково происхождение свечения газа в разрядных трубках, которые мы часто наблюдаем в витринах магазинов. Приведённые в быстрое движение электрическим полем электроны, соударяясь с частицами газа, наполняющего трубку, приводят последнее в возбуждённое состояние. Для наполнения разрядных трубок применяются гелий, неон, аргон и пары ртути. Гелий даёт розовое свечение, неон - оранжевое, пары ртути - белое свечение, в котором особенно сильно развиты синяя, зелёная и жёлтая части спектра; аргон светит голубым светом и т. д.

Электроны и другие быстродвижущиеся заряженные частицы могут применяться для возбуждения свечения и многих твёрдых тел, в частности, специальных кристаллических порошков; их свечение, возникающее в разрядной трубке под действием потока быстрых электронов, называется катодолюминесценцией.

Существуют и другие виды возбуждения люминесценции. Так. Свечение, возбуждаемое лучами радиоактивных веществ, называется радиолюминесценцией; свечение, возникающее под действием лучей Рентгена,- рентгенолюминесценцией; свечение, наблюдаемое при химических реакциях,- хемилюминесценцией. Частным случаем хемилюминесценции является упомянутое выше свечение живых существ-биолюминесценция. Свечение, возникающее при механическом трении и раздавливании люминесцентных веществ, называется триболюминесценцией, свечение под действием приложенного электрического поля - электролюминесценцией.

Все вещества при сильном нагревании начинают излучать электромагнитную энергию. Излучение нагретых веществ называют тепловым равновесным излучением. Однако некоторые вещества излучают электромагнитную энергию без нагревания – при комнатной температуре. Такое излучение называют люминесценцией, а люминесцентные вещества – люминофорами. В отличие от теплового, люминесценция является неравновесным излучением.

По В. Л. Левшину, люминесценция – это свечение атомов, молекул, ионов и других более сложных комплексов, возникающее в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное.

Метод молекулярной люминесцентной спектроскопии характеризуется высокой чувствительностью (порядок обнаружения 10 -3 мг/мл), так как относится к силовым – выходной сигнал увеличивается с увеличением интенсивности источника излучения. В идеальных условиях удается достичь пределов обнаружения на уровне пикограммов в миллилитре.

В реферате приведена классификация методов люминесценции по способу возбуждения, механизму и длительности, описаны схемы Яблонского.

2. Классификация методов люминесценции

2.1 По способу возбуждения

Из определения люминесценции следует, что для её возбуждения необходимо подводить энергию извне, так как она теряется при излучении. Поэтому виды люминесценции естественно классифицировать по внешнему источнику возбуждения энергии.

Наиболее часто в аналитической практике используют фотолюминесценцию и хемилюминесценцию.

2.2 По длительности

Тип люминесценции зависит от того, какие переходы осуществляются в молекуле при поглощении ею квантов возбуждающего излучения.
Молекулярная люминесценция по длительности и спектральному составу:

Флуоресценция (Фл)
кратковременная
замедленная
Фосфоресценции (Фс)

Испускание фотонов флуоресценции происходитпри переходе электрона с нулевого колебательного уровня состояния на любой колебательный уровень основного состояния. Флуоресценция является кратковременным излучением с длительностью 10 -10 -10 -7 секунд и наблюдается при комнатной температуре. Энергия фотонов флуоресценции меньше энергии фотонов поглощения.

При определенных условиях (обычно при температуре -196 °С, в отсутствие парамагнитных молекул) для триплетных молекул оказывается возможнымзапрещенный переходс излучением фотонов фосфоресценции. Это излучение имеет значительно большую длительность 10 -4 -10 -2 секунд. Энергия фотонов фосфоресценции меньше энергии фотонов кратковременной флуоресценции.

Помимо флуоресценции и фосфоресценции существует еще один вид люминесценции, который идентичен по спектральному составу флуоресценции, но характеризуется длительностью, свойственной фосфоресценции. Этот вид люминесценции называют замедленной флуоресценцией, поскольку перед излучением фотонов молекула некоторое время находится в триплетном состоянии.Этот тип молекулярной люминесценции наблюдается в весьма ограниченных диапазонах температур, вязкостей и концентраций растворов. По сравнению с флуоресценцией и фосфоресценцией ее интенсивность невелика и достигает максимальных значений при комнатной и более высоких температурах, заметно ослабевая с понижением температуры.

2.3 По механизму свечения

Свечение дискретных центров

резонансная (Рисунок 1а) – квант излучения, испускаемый частицей, равен поглощенному кванту.
спонтанная (Рисунок 1б) – возникает при переходе частицы с возбужденного уровня 2 на основной уровень. Уровень испускания 2 лежит ниже уровня 3, поэтому излучаемый квант оказывается меньше поглощенного.
вынужденная (Рисунок 1в) – возбужденная частица, прежде чем перейти на излучательный уровень 2, оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4, непосредственный переход с которого на основной уровень является запрещенным. Для перехода на излучательный уровень 2 частице необходимо сообщить дополнительную энергию в виде тепла или света.

Рисунок 1. Схемы энергетических уровней и электронных переходов.

1 – основной уровень; 2, 3 – возбужденные уровни; 4 – метастабильный уровень; ↑ – поглощение; ↓ – люминесценция; – безызлучательный переход.

Поглощающими и излучающими центрами являются одни и те же частицы (атомы, ионы или молекулы). Этот вид свечения присущ в основном веществам в газообразном состоянии, органическим и неорганическим веществам в растворах и чистым органическим веществам.

Резонансная люминесценция характерна преимущественно для атомов, простейших молекул, находящихся в газообразном состоянии при низких давлениях, спонтанная — для паров и растворов сложных молекул, вынужденная — для сложных органических молекул, находящихся при низкой температуре или помещенных в вязкие или стеклообразные среды (полимерные пленки, сахарные леденцы).

Рекомбинационное свечение

Акты поглощения и излучения разделены не только во времени, но и пространственно. В процессе возбуждения происходит разделение частицы на две противоположно заряженные. Последовательность их рекомбинации сопровождается выделением энергии. Этот вид свечения является основным в свечении кристаллофосфоров – сложных кристаллических веществ с дефектной структурой.

3. Схемы Яблонского

Поглощение и испускание света хорошо иллюстрирует диаграмма уровней энергии, предложенная Яблонским (Рисунок 2).

Рисунок 2. Диаграмма уровней энергии Яблонского

Основное, первое и второе электронные состояния обозначают S₀, S₁, и S₂ соответственно.
Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных энергетических уровней, обозначаемых 0, 1, 2 и т. д. Влияние растворителя во внимание не принимается.

Переходы между различными электронными уровнями обозначены вертикальными линиями. Такое представление используется, чтобы наглядно показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происходит примерно за 10-15 с, время, слишком короткое для заметного смещения ядер (принцип Франка-Кондона).

В возбуждённых состояниях молекулы находятся очень недолго (в синглетном состоянии обычно значительно меньше, чем в триплетном) и становятся очень реакционноспособными.

В соответствии с распределением Больцмана, при комнатной температуре большинство молекул находятся на самом нижнем колебательном уровне основного синглетного состояния S0. Именно такие молекулы преимущественно и будут поглощать излучение.

Из-за большой разности энергий между уровнями S0 и S1 по существу, ни у каких флуорофоров состояние S1 не может быть заселено термическим путем. Даже малое термически активированное заселение первого возбужденного колебательного состояния молекул можно зарегистрировать, используя различие спектров поглощения при разных температурах.

За поглощением света обычно следует несколько других процессов. Возбуждение флуорофора, как правило, происходит до некоторого высшего колебательного уровня состояний (S1 либо S2).
3а некоторыми редкими исключениями, для молекул в конденсированной фазе характерна быстрая релаксация на самый нижний колебательный уровень состояния S1. Этот процесс называется внутренней конверсией и происходит большей частью за 10 -12 с. Поскольку типичные времена затухания флуоресценции близки к 10 -8 с, внутренняя конверсия обычно полностью заканчивается до процесса испускания. Следовательно, испускание флуоресценции чаще всего осуществляется из термически равновесного возбужденного состояния.

Аналогично поглощению обратный переход электронов на самый нижний электронный уровень также приводит к колебательно возбужденному состоянию. Термическое равновесие достигается за время порядка 10 -12 с. Интересным следствием из такого рассмотрения является то, что спектр поглощения молекулы отражает колебательную структуру возбужденных электронных состояний, а спектр испускания — колебательную структуру основного электронного состояния. В большинстве случаев электронное возбуждение не сильно изменяет расположение колебательных уровней энергии. В результате этого колебательные структуры, проявляющиеся в спектрах поглощения и испускания, сходны.

Молекулы в состоянии S1 могут также подвергаться конверсии в первое триплетное состояние Т1. Испускание из Т1 называемое фосфоресценцией, обычно сдвинуто в сторону больших длин волн (меньших энергий) по сравнению с флуоресценцией. Конверсия из S1 в Т1 называется интеркомбинационной конверсией. Переход из Т1 в основное состояние запрещен, в результате чего константа скорости такого испускания на несколько порядков меньше соответствующей константы для флуоресценции.

На испускание флуоресценции могут влиять и другие факторы, не показанные в явном на диаграмме Яблонского: влияние растворителей, релаксация растворителя, тушение, а также реакции, происходящие в возбужденных состояниях.

4. Заключение

Люминесценция — один из видов излучения вещества, избыточного над тепловым излучением тела при данной температуре. Излучение наблюдается вследствие перехода электронно-возбужденных атомов, молекул, радикалов, ионов — так называемых центров люминесценции, в основное состояние. По длительности процесса излучения различают кратковременную люминесценцию, называемую флуоресценцией и медленную люминесценцию, называемую фосфоресценцией

В 1852 году Джордж Стокс установил, что длина волны фотолюминесценции больше длины волны возбуждающего света (правило Стокса). В 1864 году им предложено использование явления люминесценции для качественного анализа органических веществ. Широкое применение люминесцентные методы анализа получили в 30-е годы XX века благодаря работам Вавилова и его школы.

Процесс люминесценции может происходить в различных веществах, находящихся в разных агрегатных состояниях. Особенности излучения различных люминесцентных центров могут быть использованы в аналитических целях.

Для возбуждения люминесцентного центра могут быть использованы различные источники. Необходимым условием их эффективности является величина энергии излучения, которая должна быть достаточной для возбуждения электронного перехода в исследуемом веществе. Разные виды люминесценции находят применение в различных вариантах метода люминесцентного анализа.

Наиболее универсальный метод возбуждения люминесценции — фотовозбуждение исследуемого вещества. Он используется чаще всего как в атомных, так и в молекулярных методах анализа. При фотовозбуждении легко регулировать длину волны возбуждающего излучения, его интенсивность и поляризацию. При анализе многокомпонентной смеси возможно возбудить электронный переход, сопровождающийся люминесценцией только у одного из компонентов смеси. Таким образом, становится возможным проводить избирательный (селективный) анализ смеси веществ.

Наиболее широкое применение в аналитических целях имеет молекулярная фотолюминесценция для веществ, находящихся в растворе.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Министерство высшего образования Украины

Национальный технический университет Украины

электролюминесценция Выполнил: студент ІI-го курса

ПСФ ПМ-91 Милокостый А. А.

Проверил: Никитин А. К.

Введение__________________________________3Классификация явлений люминесценции_______4Виды люминесценции________________________5Физические характеристики люминесценции___7Кинетика люминесценции____________________7Люминесцирующие вещества__________________9Методы исследования_______________________11Люминофоры________________________________11Список использованной литературы__________14

Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть — признак длительности — введена С. И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения — отражения и рассеяния светла, а также от вынужденного испускания, тормозного излучения заряженных частиц.

Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Для поддержания стационарной люминесценции этот источник должен быть внешним. Нестационарная люминесценция может происходить во время перехода тела в равновесное состояние после предварительного возбуждения (затухание люминесценции). Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам. Элементарные акты возбуждения молекул и испускания света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Из определения люминесценции следует, также, что это понятие применимо только к телам имеющим определенную температуру. В случае сильного отклонения от теплового равновесия говорить о температурном равновесии или люминесценции не имеет смысла.

Признак длительности имеет большое практическое значение и дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. В частности он сыграл важную роль в истории открытия явления Вавилова-Черенкова, позволив установить, что наблюдавшееся свечения нельзя отнести к люминесценции. Вопрос о теоретическом обосновании критерия Вавилова рассматривался Б.И. Степановым и Б. А. Афанасевичем. Согласно им, для классификации вторичного свечения большое значение имеет существование или отсутствие промежуточных процессов между поглощением энергии, возбуждающей люминесценцию, и излучением вторичного свечения (например, переходов между электронными уровнями, изменений колебательной энергии и т.п.). Такие промежуточные процессы характерны для люминесценции ( в частности они имеют место при неоптическом возбуждении люминесценции).

Классификация явлений люминесценции

По типу возбуждения различают: ионолюминесценцию,