Luminescence: jenis, metode, dan aplikasi. Termal dirangsang pendaran - apa ini?

Luminescence - adalah emisi cahaya oleh bahan-bahan tertentu dalam keadaan yang relatif dingin. Ini berbeda dari radiasi tubuh pijar, seperti membakar kayu atau batu bara, besi cair dan kawat dipanaskan oleh arus listrik. emisi pendaran diamati:

• di neon dan neon lampu, televisi, layar radar dan fluoroscopes;
• dalam zat organik seperti luminol atau luciferin di kunang-kunang;
• dalam pigmen tertentu yang digunakan dalam iklan luar ruangan;
• dengan petir dan aurora.

Dalam semua fenomena ini emisi cahaya tidak disebabkan oleh pemanasan bahan di atas suhu kamar, sehingga disebut cahaya dingin. Nilai praktis dari bahan luminescent adalah kemampuan mereka untuk mengubah bentuk tak terlihat energi ke cahaya tampak.

Sumber dan proses

Fenomena luminescence terjadi sebagai akibat dari bahan penyerapan energi, misalnya, dari sumber ultraviolet atau sinar-X, sinar elektron, reaksi kimia, dan sebagainya. d. Hal ini menyebabkan atom substansi untuk keadaan tereksitasi. Karena tidak stabil, kembali materi ke keadaan semula, dan energi yang diserap dilepaskan sebagai cahaya dan / atau panas. Proses ini melibatkan hanya elektron terluar. efisiensi luminescence tergantung pada tingkat konversi energi eksitasi ke dalam cahaya. Jumlah material yang memiliki kinerja yang cukup untuk penggunaan praktis, relatif kecil.

Luminescence dan pijaran

luminescence eksitasi tidak berhubungan dengan eksitasi atom. Ketika bahan panas mulai bersinar sebagai akibat dari lampu, atom mereka dalam keadaan gembira. Meskipun mereka bergetar bahkan pada suhu kamar, itu sudah cukup bahwa radiasi terjadi di wilayah spektral inframerah jauh. Dengan meningkatnya suhu menggeser frekuensi radiasi elektromagnetik di wilayah terlihat. Di sisi lain, pada suhu yang sangat tinggi yang dihasilkan, misalnya, dalam tabung shock, tabrakan atom bisa begitu kuat bahwa elektron dipisahkan dari mereka dan bergabung kembali, memancarkan cahaya. Dalam hal ini, luminescence dan pijar menjadi tidak bisa dibedakan.

pigmen fluorescent dan pewarna,

pigmen konvensional dan pewarna memiliki warna saat mereka mencerminkan bahwa bagian dari spektrum yang saling melengkapi diserap. Sebagian kecil dari energi diubah menjadi panas, tapi emisi yang signifikan terjadi. Namun, jika pigmen fluorescent menyerap cahaya di kisaran daerah tertentu, dapat memancarkan foton, yang berbeda dari refleksi. Hal ini terjadi sebagai akibat dari proses dalam pewarna atau pigmen molekul, dimana sinar ultraviolet dapat dikonversi menjadi terlihat, misalnya, cahaya biru. Metode luminescence tersebut digunakan dalam iklan outdoor dan di cuci bubuk. Dalam kasus terakhir, "clarifier" tetap dalam jaringan tidak hanya untuk mencerminkan putih, tetapi juga untuk mengkonversi radiasi ultraviolet menjadi biru, kuning kompensasi dan meningkatkan keputihan.

studi awal

Meskipun petir aurora dan cahaya kusam kunang-kunang dan jamur selalu dikenal manusia, studi pendaran pertama dimulai dengan bahan sintetis, ketika Vincenzo Kaskariolo alkemis dan pembuat sepatu dari Bologna (Italia), pada tahun 1603 g. Campuran dipanaskan barium sulfat (barit dalam bentuk, spar berat) dengan batu bara. Serbuk yang diperoleh setelah pendinginan, malam luminescence biru yang dipancarkan, dan Kaskariolo menyadari bahwa hal itu dapat dikembalikan dengan menundukkan bubuk sinar matahari. Zat itu bernama "lapis solaris" atau sunstone, karena alkemis berharap bahwa ia mampu mengubah logam dasar menjadi emas, simbol dari yang matahari. Perasaan Senang telah menyebabkan minat banyak ilmuwan periode, bahan memberi dan nama-nama lainnya, termasuk "fosfor", yang berarti "pembawa cahaya".

Hari ini nama "fosfor" hanya digunakan untuk unsur kimia, sedangkan material mikrokristalin luminescent disebut fosfor. "Fosfor" Kaskariolo, tampaknya, adalah sulfida barium. Pertama fosfor tersedia secara komersial (1870) menjadi "cat Balmain" - solusi kalsium sulfida. Pada tahun 1866, hal itu dijelaskan dalam pertama fosfor stabil seng sulfida dari - salah satu yang paling penting dalam teknologi modern.

Salah satu studi ilmiah pertama dari luminescence, yang diwujudkan pada kayu busuk atau daging dan kunang-kunang, dilakukan pada tahun 1672 oleh ilmuwan Inggris Robert Boyle, yang, meskipun ia tidak tahu tentang asal-usul biokimia cahaya ini, namun mengatur beberapa sifat dasar dari sistem bercahaya:

• Cahaya dingin;
• dapat ditekan oleh agen kimia seperti alkohol, asam klorida dan amonia;
• radiasi membutuhkan akses ke udara.

Pada tahun-tahun 1885-1887, ia mengamati bahwa ekstrak minyak mentah dari kunang-kunang West Indian (pyrophorus) dan kerang Foladi bila dicampur cahaya menghasilkan.

Bahan chemiluminescent pertama yang efektif adalah senyawa sintetis nonbiological seperti luminol, ditemukan pada tahun 1928 tahun.

Chemi- dan bioluminescence

Sebagian besar energi yang dilepaskan dalam reaksi kimia, khususnya reaksi oksidasi, memiliki bentuk panas. Dalam beberapa reaksi, tetapi sebagian digunakan untuk membangkitkan elektron sampai ke tingkat yang lebih tinggi, dan dalam molekul neon sebelum chemiluminescence (CL). Studi menunjukkan bahwa CL adalah fenomena universal, tetapi intensitas pendaran sangat kecil sehingga memerlukan penggunaan detektor sensitif. , Namun ada beberapa senyawa yang menunjukkan hidup CL. Yang paling dikenal dari ini adalah luminol, yang setelah oksidasi dengan hidrogen peroksida dapat menghasilkan cahaya biru atau biru-hijau yang kuat. kekuatan lain dari CL-zat - dan lofin lucigenin. Meskipun CL kecerahan mereka, tidak semua dari mereka adalah efektif dalam mengkonversi energi kimia menjadi cahaya, yaitu. K. dari 1% dari molekul memancarkan cahaya Kurang. Pada tahun 1960 ditemukan bahwa ester asam oksalat, teroksidasi dalam pelarut anhidrat di hadapan senyawa aromatik yang sangat neon memancarkan cahaya terang dengan efisiensi 23%.

Bioluminescence adalah tipe khusus dari chemiluminescence dikatalisasi oleh enzim. Output pendaran dari reaksi ini bisa mencapai 100%, yang berarti bahwa setiap molekul luciferin reaktan memasuki memancarkan negara. Semua dikenal saat ini reaksi bioluminescent dikatalisis reaksi oksidasi terjadi di hadapan udara.

luminescence dirangsang termal

Thermoluminescence berarti tidak ada radiasi termal tetapi memperkuat bahan emisi cahaya, elektron yang gembira dengan panas. Termal dirangsang pendaran diamati pada beberapa mineral dan terutama di fosfor kristal setelah mereka telah gembira dengan cahaya.

fotoluminesen

Fotoluminesen yang terjadi di bawah tindakan insiden radiasi elektromagnetik pada materi, dapat dibuat di kisaran cahaya tampak melalui ultraviolet untuk x-ray dan radiasi gamma. Dalam luminescence, yang disebabkan oleh foton, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan umumnya sama atau lebih besar dari panjang gelombang yang menarik (m. E. Sama dengan atau kurang daya). Perbedaan ini dalam panjang gelombang yang disebabkan oleh transformasi energi yang masuk ke dalam getaran atom atau ion. Kadang-kadang, dengan sinar laser intensif, cahaya yang dipancarkan dapat memiliki panjang gelombang yang lebih pendek.

Fakta bahwa PL bisa senang dengan radiasi ultraviolet, ditemukan oleh fisikawan Jerman Johann Ritter pada tahun 1801, ia melihat bahwa fosfor bersinar terang di wilayah tak terlihat dari bagian ungu spektrum, dan dengan demikian membuka radiasi UV. Konversi UV untuk cahaya tampak sangat penting praktis yang besar.

Gamma dan sinar-x membangkitkan fosfor, dan bahan kristal lain untuk negara pendaran oleh proses ionisasi diikuti oleh rekombinasi elektron dan ion, dimana luminescence terjadi. Penggunaan itu di fluoroscopy digunakan dalam radiologi, dan counter kilau. Catatan terakhir dan mengukur radiasi gamma diarahkan pada disk dilapisi dengan fosfor, yang bersentuhan optik dengan permukaan photomultiplier.

triboluminescence

Ketika kristal dari beberapa zat, seperti gula, hancur, percikan terlihat. Hal yang sama diamati di banyak zat organik dan anorganik. Semua jenis pendaran yang dihasilkan oleh muatan listrik positif dan negatif. Baru-baru ini diproduksi oleh permukaan pemisahan mekanis dalam proses kristalisasi. emisi cahaya kemudian berlangsung dengan pemakaian - baik secara langsung antara gugus molekul, baik melalui eksitasi dari pendaran dari atmosfer di dekat permukaan dipisahkan.

electroluminescence

Sebagai thermoluminescence, electroluminescence (EL), istilah mencakup berbagai jenis fitur pendaran umum yang cahaya yang dipancarkan ketika mengalirkan listrik gas, cairan dan bahan padat. Pada tahun 1752 Bendzhamin Franklin didirikan pendaran debit listrik petir yang diinduksi melalui atmosfer. Pada tahun 1860, lampu discharge pertama kali ditunjukkan dalam Royal Society of London. Dia menghasilkan cahaya putih terang dengan debit tegangan tinggi melalui karbon dioksida pada tekanan rendah. lampu neon modern didasarkan pada kombinasi electroluminescence dan Photoluminecence merkuri atom gembira dengan lampu discharge listrik, radiasi ultraviolet yang dipancarkan oleh mereka diubah menjadi cahaya tampak melalui fosfor.

EL diamati pada elektroda selama elektrolisis karena rekombinasi ion (dan dengan demikian semacam chemiluminescence). Di bawah pengaruh medan listrik di lapisan tipis emisi sulfida luminescent seng cahaya terjadi, yang juga disebut sebagai electroluminescence.

Sejumlah besar bahan memancarkan pendaran bawah pengaruh elektron dipercepat - berlian, ruby, fosfor kristal dan kompleks garam platinum tertentu. Aplikasi ini pertama praktis cathodoluminescence - Oscilloscope (1897). layar serupa dengan menggunakan ditingkatkan fosfor kristal yang digunakan dalam televisi, radar, osiloskop dan mikroskop elektron.

radio

unsur-unsur radioaktif dapat memancarkan partikel alpha (helium inti), elektron dan sinar gamma (radiasi elektromagnetik energi tinggi). Radiasi luminescence - cahaya gembira dengan zat radioaktif. Ketika partikel alfa membombardir kristal fosfor, terlihat di bawah mikroskop flicker kecil. Prinsip ini menggunakan fisikawan Inggris Ernest Rutherford, untuk membuktikan bahwa atom memiliki inti pusat. cat bercahaya diri yang digunakan untuk menandai jam tangan dan alat-alat lain didasarkan pada RL. Mereka terdiri dari fosfor dan zat radioaktif, misalnya tritium atau radium. Mengesankan luminescence alami - adalah aurora borealis: proses radioaktif di matahari memancarkan ke ruang angkasa massa besar dari elektron dan ion. Ketika mereka mendekati Bumi, medan geomagnetik yang mengarahkan mereka ke kutub. proses gas-discharge di lapisan atas atmosfer dan menciptakan aurora yang terkenal.

Pendaran: fisika dari proses

Emisi cahaya tampak (mis. E. Dengan panjang gelombang antara 690 nm dan 400 nm) eksitasi membutuhkan energi, yang ditentukan pada hukum Einstein setidaknya. Energi (E) sama dengan konstanta Planck (h), dikalikan dengan frekuensi cahaya (ν) atau kecepatan dalam vakum (c), dibagi dengan panjang gelombang (λ): E = hν = hc / λ.

Dengan demikian, energi yang dibutuhkan untuk eksitasi berkisar dari 40 kilokalori (untuk merah) ke 60 kkal (untuk kuning), dan 80 kalori (untuk ungu) per mol zat. cara lain untuk mengekspresikan energi - dalam volt elektron (1 eV = 1,6 × 10 ^-12 erg) - 1,8-3,1 eV.

Energi eksitasi ditransfer ke elektron bertanggung jawab atas pendaran yang melompat dari permukaan tanah untuk satu lebih tinggi. Kondisi ini ditentukan oleh hukum mekanika kuantum. Berbagai mekanisme eksitasi tergantung pada apakah itu terjadi di atom tunggal dan molekul, atau kombinasi dari molekul dalam kristal. Mereka diprakarsai oleh aksi partikel dipercepat, seperti elektron, ion positif atau foton.

Seringkali, energi eksitasi secara signifikan lebih tinggi dari yang dibutuhkan untuk menaikkan elektron radiasi. Sebagai contoh, fosfor pendaran layar televisi kristal, elektron katoda diproduksi dengan energi rata-rata 25.000 volt. Namun demikian, warna lampu neon hampir independen dari energi partikel. Hal ini dipengaruhi oleh tingkat keadaan tereksitasi dari pusat energi kristal.

lampu neon

Partikel, karena yang pendaran terjadi - ini elektron terluar dari atom atau molekul. Dalam lampu neon, seperti atom merkuri didorong di bawah pengaruh energi 6,7 eV atau lebih, mengangkat salah satu dari dua elektron terluar ke tingkat yang lebih tinggi. Setelah kembalinya ke keadaan dasar perbedaan energi yang dipancarkan sebagai cahaya ultraviolet dengan panjang gelombang 185 nm. Transisi antara dasar dan tingkat lain menghasilkan radiasi ultraviolet pada 254 nm, yang pada gilirannya, dapat membangkitkan pembangkit fosfor lainnya cahaya tampak.

radiasi ini sangat intens pada uap merkuri tekanan rendah (10 ^-5 suasana) yang digunakan dalam lampu discharge gas tekanan rendah. Jadi sekitar 60% dari energi elektron diubah menjadi cahaya UV monokromatik.

Pada tekanan tinggi, frekuensi meningkat. Spectra tidak lagi terdiri dari satu garis spektral dari 254 nm, dan energi radiasi didistribusikan dari garis spektrum yang sesuai dengan tingkat elektronik yang berbeda: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 dan 578 nm. tekanan tinggi lampu merkuri digunakan untuk penerangan, sejak 405-546 nm cahaya biru-hijau terlihat, sementara mengubah bagian dari radiasi di lampu merah menggunakan fosfor sebagai hasilnya berubah menjadi putih.

Ketika molekul gas sangat antusias, spektrum luminescence mereka menunjukkan band yang luas; tidak hanya elektron diangkat ke tingkat energi yang lebih tinggi tetapi gerak vibrasi dan rotasi bersemangat secara bersamaan dari atom secara keseluruhan. Hal ini karena energi vibrasi dan rotasi dari molekul adalah 10 ^-2 dan 10 ^-4 dari energi transisi, yang menambahkan hingga mendefinisikan pluralitas komponen panjang gelombang yang sedikit berbeda dari single band. Molekul-molekul yang lebih besar memiliki beberapa strip tumpang tindih, satu untuk setiap jenis transisi. molekul radiasi dalam larutan menguntungkan seperti pita yang disebabkan oleh interaksi dari jumlah yang relatif besar molekul bersemangat dan molekul pelarut. Dalam molekul, seperti dalam atom yang terlibat dalam pendaran elektron terluar orbital molekul.

Fluoresensi dan pendar

Istilah-istilah ini dapat dibedakan tidak hanya didasarkan pada durasi luminescence, tetapi juga dengan metode produksinya. Ketika sebuah elektron bersemangat untuk keadaan singlet dengan masa dalamnya 10 ^-8 s, dari mana ia dapat dengan mudah kembali ke tanah, substansi memancarkan energi sebagai fluoresensi. Selama transisi, spin tidak berubah. Dasar dan bersemangat negara memiliki keragaman yang sama.

Elektron, bagaimanapun, dapat diangkat ke tingkat energi yang lebih tinggi (disebut "negara triplet bersemangat") dengan pengobatan punggungnya. Dalam mekanika kuantum, transisi dari negara triplet untuk singlet yang dilarang, dan karena itu, waktu hidup mereka jauh lebih. Oleh karena itu, pendaran dalam hal ini jauh lebih jangka panjang: ada pendar.