Люмінесценція

З точки зору квантової механіки випромінювання тіл зумовлене переходами атомів (молекул, кристалу) із збудженого стану в основний чи нижчий енергетичний стан. Характер випромінювання визначається способом переведення атомів (молекул, кристалу) в збуджений стан. Якщо збудження здійснюється тепловим шляхом, тобто нагріванням тіл, то випромінювання називається тепловим (рівноважним, температурним). Усі інші види збуджень супроводжуються випромінюванням, яке називається люмінесценцією. За С. Вавіловим, люмінесценція – це оптичне випромінювання тіла, що є надлишковим над тепловим при цій же температурі в даному спектральному діапазоні; при цьому тривалість свічення t перевищує 10^-10 с, тобто не припиняється зразу ж після вимкнення збудження. Розрізняють два види люмінесценції: флуоресценцію, коли t =10^-9¸10^-8 с, і фосфоресценцію, коли t > 10^-8с.

Крім того, залежно від способу збудження, розрізняють такі види люмінесценції:

- фотолюмінесценція, що виникає при поглинанні речовиною світла;

- електролюмінесценція, що виникає в неоднорідних середовищах під дією сильного електричного поля;

- катодолюмінесценція, що виникає при бомбардуванні речовини електронами;

- хемілюмінесценція, що зумовлена хімічними реакціями в середовищах.

Серед усіх видів люмінесценції найважливішою є фотолюмінесценція, яка збуджується як видимим світлом, так і більш короткохвильовим. Стокс встановив, що довжини хвиль люмінесцентного випромінювання, як правило, більші від довжин хвиль збуджуючого випромінювання. Дійсно, енергія збуджуючого фотона hn_зб витрачається на створення «люмінесцентного» фотона з енергією hn_люм і на різні процеси (в т. ч. теплові) неоптичного походження, тобто

,

звідси: n_зб > n_люм і l_зб < l_люм.

Важливою характеристикою фотолюмінесценції є квантовий вихід, як відношення числа N_л фотонів люмінесцентного випромінювання до числа N_з збуджуючих фотонів, тобто

Як правило, значення В_к залишаються постійними (і дещо меншим від одиниці) при малих довжинах хвиль збуджуючого випромінювання і різко падають до нуля, коли енергія збуджуючих фотонів стає недостатньою для переведення атомів речовини в збуджений стан (рис. 7.21). На вказаному рисунку також приведена спектральна залежність енергетичного виходу фотолюмінесценції B_e – відношення енергії люмінесцентного випромінювання до енергії збуджуючого світла, тобто

. (7.72)

Якщо припустити, що В_к = 1, то формула (7.72) запишеться як , з якої випливає лінійна залежність енергетичного виходу від довжини хвилі збуджуючого світла при малих l_зб.

Фотолюмінесценція та інші види люмінесценції спостерігаються в газах, рідинах і твердих тілах. Зокрема, штучні кристали (ZnS, CdS тощо), леговані певними домішками – активаторами, які мають високий квантовий і енергетичний вихід люмінесценції, називаються кристалофосфорами (люмінофорами). В лампах денного світла реалізуються одночасно як катодолюмінесценція, так і фотолюмінесценція. Перший процес відбувається в газовому середовищі (пари руті) за рахунок бомбардування атомів електронами, прискореними електричним полем; при цьому виникає свічення як видимого, так і ультрафіолетового (переважно) діапазонів. Стінки лампи покриті шаром люмінофору, який люмінесціює під впливом УФ-випромінювання. При цьому спектральний склад фотолюмінесцентного випромінювання близький до випромінювання Сонця.