Lüminesans: tipleri, yöntemleri ve uygulamaları. Termal uyarmalı lüminesans - bu nedir?

Lüminesans, nispeten soğuk bir durumda belirli malzemelerin ışığın emisyonudur. Sıcak cisimlerin radyasyonundan farklıdır, örneğin yanan ahşap veya kömür, erimiş demir ve tel, elektrik akımı ile ısıtılır. Lüminesans emisyonu gözlemlenir:

• Neon ve floresan lambalar, televizyonlar, radar ve floroskopların ekranları;
• Ateşböceklerinde luminol veya lüsifer gibi organik maddeler;
• Açıkhava reklamcılığında kullanılan bazı pigmentlerde;
• Yıldırım ve aurora borealis ile.

Bütün bu fenomenlerde, ışık ışınlaması, malzemenin oda sıcaklığının üstünde ısıtılmasının bir sonucu değildir, buna soğuk ışık denir. Lüminesan malzemelerin pratik değeri, görünmez enerji türlerini görünür radyasyona dönüştürme yeteneğidir .

Kaynaklar ve süreç

Lüminesans fenomeni, örneğin ultraviyole veya x ışını ışınımı, elektron ışınları, kimyasal reaksiyonlar vb. Kaynaklardan gelen maddenin enerjiyle emilmesinin bir sonucu olarak oluşur. Bu, maddenin atomlarını heyecanlı bir hale getirir. Kararsız olduğundan, malzeme orijinal durumuna geri döner ve emilen enerji ışık ve / veya ısı formunda serbest bırakılır. Sürece yalnızca dış elektron karışır. Lüminesansın etkinliği, uyarma enerjisinin ışığa dönüşme derecesine bağlıdır. Pratik kullanım için yeterli etkinlikte materyal sayısı nispeten azdır.

Lüminesans ve akkor lamba

Lüminesansın uyarılması, atomların uyarımından kaynaklı değildir. Sıcak malzemeler akkor filamanın bir sonucu olarak parlamaya başladığında, atomları heyecanlı bir haldedir. Zaten oda sıcaklığında titremelerine rağmen, radyasyonun spektrumun uzak kızılötesi bölgesinde meydana gelmesi yeterlidir. Sıcaklık arttıkça, elektromanyetik radyasyonun frekansı görünür bölgeye kayar. Öte yandan, örneğin şok tüplerinde yaratılan çok yüksek sıcaklıklarda, atom çarpışmaları o kadar güçlü ki elektronlar onlardan ayrılacak ve yeniden birleşecek, ışık yayacak. Bu durumda, lüminesans ve akkor lamba ayırt edilemez hale gelir.

Floresan pigmentler ve boyalar

Konvansiyonel pigmentler ve boyalar emici maddeyi tamamlayan spektrumun bir kısmını yansıttığı için renklidirler. Enerjinin küçük bir kısmı ısıya dönüştürülür, ancak belirgin radyasyon görülmez. Bununla birlikte, parlakımsı pigment spektrumun belirli bir bölümünde ışığı emerse, yansıyan pozisyondan farklı fotonlar yayabilir. Bu, boya molekülü ya da pigment içerisindeki işlemlerin bir sonucu olarak ortaya çıkar ve bu sebeple ultraviyole görünür hale getirilebilir, örneğin mavi ışık. Bu tür parlaklık yöntemleri, açık hava reklamcılığı ve toz yıkamada kullanılır. İkinci durumda, "berraklaştırıcı" sadece beyaz yansıtmak için değil aynı zamanda mor ötesi radyasyonu mavi haline getirerek sarılığı telafi etmek ve beyazlığı arttırmak için dokuda kalır.

Erken araştırma

Yıldırım, kuzey ışıkları ve ateşböcekleri ile mantarların parlak ışığı insanlığa her zaman bilinmesine rağmen, ışıldamayla ilgili ilk çalışmalar, 1603'te sentetik bir madde ile başladı. Bologna'dan (İtalya) bir simya ve ayakkabıcı olan Vincenzo Cascariolo, baryum sülfat (barit, Ağır spar) kömür ile. Soğutulduktan sonra elde edilen toz gece mavimsi bir ışıma yaytı ve Cascariolo, tozun güneş ışığına maruz bırakılmasıyla restore edilebileceğini fark etti. Alkhemistler, metalleri altının sembolü olan güneş haline getirebilmelerini umduğu için, madde "lapis solaris" ya da güneş taşı olarak adlandırıldı. Afterglow, dönemin "ışık taşıyıcısı" anlamına gelen "fosfor" da dahil olmak üzere materyal ve diğer isimleri veren birçok bilim adamının ilgisini uyandırdı.

Günümüzde "fosfor" adı sadece bir kimyasal element için, mikrokristalin lüminesan materyallere bir fosfor denir. "Fosfor" Cascario, görünüşe göre, baryum sülfattı. İlk ticari olarak bulunan fosfor (1870), "Balmain'in boyası" - bir kalsiyum sülfür çözeltisi idi. 1866'da, çinko sülfattan çıkan ilk dengeli fosfor tarif edildi - modern teknolojinin en önemli maddelerinden biri.

Ağacın ya da etin ve ateşböceklerinin çürümesinde tezahür eden parlaklığın ilk bilimsel araştırmalarından biri 1672'de İngilizce bilim adamı Robert Boyle tarafından gerçekleştirildi. Bu bilim adamı, bu ışığın biyokimyasal kökenini bilmese de, biyolojik ışıldayan sistemlerin bazı temel özelliklerini ortaya koydu:

• Işık soğuk;
• Alkol, hidroklorik asit ve amonyak gibi kimyasal maddelerle bastırılabilir;
• Radyasyon, havaya erişim gerektirir.

1885-1887'de, Batı-Hint ateşböceklerinden (yangın pul tık fasulye) ve folad yumuşakçalarından elde edilen ham ekstraktların karıştırıldığında ışık ürettiği gözlemlendi.

İlk etkin kemilüminesan malzemeler, 1928'de keşfedilen luminol gibi biyolojik olmayan sentetik bileşiklerdi.

Chemi ve biolüminesans

Kimyasal reaksiyonlarda, özellikle oksidasyon reaksiyonlarında salınan enerjinin çoğu, ısı biçimindedir. Bununla birlikte, bazı reaksiyonlarda bunun bir kısmı, elektronları daha yüksek seviyelere ve floresan moleküllerinde kemilüminesans başlamadan önce uyarmak için kullanılır (CL). Çalışmalar, CL'nin evrensel bir olgu olduğunu, ancak parlaklık yoğunluğunun o kadar küçük olduğunu ve hassas dedektörlerin kullanılmasını gerektirdiğini gösteriyor. Bununla birlikte, parlak bir KL'yi gösteren bazı bileşikler vardır. Bunlardan en ünlü olan luminol, hidrojen peroksit ile oksitlendiğinde güçlü mavi veya mavi-yeşil ışık üretebilir. Diğer güçlü CL-maddeleri lucigenin ve lofin'dir. KL'nin parlaklığına rağmen, hepsi, kimyasal enerjinin ışık haline dönüştürülmesinde etkili değildir, çünkü moleküllerin% 1'den azı ışık yayar. 1960'larda, şiddetli flüoresan aromatik bileşikler varlığında susuz çözücülerde oksalik asit esterlerinin oksitlenmesinin% 23'lük bir verimlilikle parlak ışık yaytığı bulundu.

Biyolüminesans enzimlerin katalize ettiği özel bir CL türüdür. Bu tür reaksiyonların parlaklık verimi% 100'e erişebilir, bu da reaksiyona giren lüsiferanın her bir molekülünün ışıma halini geçirdiği anlamına gelir. Günümüzde bilinen tüm biyolojik parlak reaksiyonlar, havada bulunan oksidasyon reaksiyonları ile katalize edilmektedir.

Termal olarak uyarılan lüminesans

Termolüminesans termal radyasyonu değil, elektronları ısı ile heyecanlandırılan malzemelerin ışık yayılımını artırmak demektir. Termal olarak uyarılan lüminesans, bazı minerallerde ve özellikle ışıkla heyecanlandıktan sonra kristallofosferlerde gözlenir.

fotolüminesans

Maddenin üzerinde bulunan elektromanyetik radyasyonun etkisi altında gerçekleşen fotolüminesans, görünür ışıktan mor ötesi ışınlardan X ışını ve gama ışınlarına kadar olan alanda gerçekleştirilebilir. Fotonlardan kaynaklanan parlaklıkta, yayılan ışığın dalga boyu, kural olarak, heyecan verici (eşit veya daha düşük enerjili) dalga boyundan daha büyük veya eşittir. Bu dalga boyundaki farklılık, gelen enerjinin atomların veya iyonların titreşimlerine dönüşmesinden kaynaklanmaktadır. Bazen, yoğun bir lazer ışını maruziyeti ile, yayılan ışık daha kısa bir dalga boyuna sahip olabilir.

PL'nin ultraviyole radyasyonla heyecanlandırılabilmesi 1801'de Alman fizikçi Johann Ritter tarafından keşfedildi. Fosforların spektrumun menekşe bölümünün arkasındaki görünmeyen bölgede parlak bir şekilde parladığını fark etti ve UV radyasyonunu keşfetti. UV'nin görünür ışığa dönüşmesi pratik anlamda çok önemlidir.

Gamma ve X-ışınları, kristalin fosforları ve diğer malzemeleri bir iyonizasyon işlemi vasıtasıyla lüminesans durumuna getirir, ardından elektron ve iyonların rekombinasyonu, bunun sonucunda lüminesans oluşur. X-ışını teşhisinde kullanılan floroskoplarda ve sintilasyon sayaçlarında kullanım bulmaktadır. İkincisi, foto-çoğaltıcı yüzeyiyle optik temas halinde olan bir fosfor ile kaplanmış bir diske yönelik gama ışınımını algılar ve ölçer.

tribolüminesan

Bazı maddelerin kristalleri, örneğin şeker ezildiğinde, kıvılcımlar görülebilir. Birçok organik ve inorganik maddede de aynı şey gözlemlenir. Bütün bu tür lüminesans pozitif ve negatif elektrik yükleri tarafından üretilir. Bunlar, yüzeylerin mekanik olarak ayrılmasıyla ve kristalleştirme sürecinde üretilir. Işık yayılımı daha sonra bir boşalma ile oluşur - doğrudan, molekül parçaları arasında veya ayrı yüzey yakınındaki atmosferin parlaklığının uyarılması yoluyla.

elektro aydınlatma

Termolüminesans gibi, elektroluminesans (EL) terimi de farklı lüminesans türlerini içerir; bunun ortak özelliği, ışığın gazlar, sıvılar ve katılardaki elektrik boşalmasıyla yayıldığıdır. 1752'de Benjamin Franklin, atmosferdeki elektrik boşalmasının neden olduğu yıldırımın lüminesansını kurdu. 1860 yılında Londra Kraliyet Cemiyeti'nde ilk kez bir deşarj lambası gösterildi. Yüksek voltaj düşük basınçta karbondioksitten boşaltıldığında parlak beyaz ışık üretti. Modern floresan lambalar, bir elektrolüminesans ve fotolüminesans kombinasyonuna dayanır: bir lamba içerisindeki cıva atomları bir elektrik boşalmasıyla uyarıldı, onlardan çıkan morötesi ışınım bir fosfor vasıtasıyla görünür ışık haline dönüştürülür.

Elektroliz sırasında elektrotlarda gözlenen EL iyonunun rekombinasyonundan kaynaklanmaktadır (dolayısıyla bir tür kimyasal ışıklandırma). Lüminesan çinko sülfür hafif katmanlarında bir elektrik alanının etkisi altında, elektroluminesans olarak da adlandırılan ışık yayılır.

Elmas, yakut, kristalin fosfor ve bazı kompleks platin tuzları hızlandırılmış elektronların etkisi altında çok sayıda malzeme parlıyor. Katodolüminesansın ilk pratik uygulaması osiloskondur (1897). Geliştirilmiş kristalin fosforları kullanan benzer ekranlar TV'lerde, radarlarda, osiloskoplarda ve elektron mikroskoplarında kullanılır.

radyonun

Radyoaktif elementler alfa parçacıkları (helyum çekirdeği), elektronlar ve gama ışınları (yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon) yayarlar. Radyasyon lüminesansı, bir radyoaktif madde tarafından uyarılmış bir lüminesanstır. Alfa parçacıkları kristalin fosfor ile bombardıman edildiğinde, minik titreşim mikroskop altında görülür. Bu ilke, İngiliz fizikçi Ernest Rutherford tarafından atomun merkezi bir çekirdeğe sahip olduğunu kanıtlamak için kullanıldı. Saatleri ve diğer aletleri işaretlemek için kullanılan kendinden ışıklı boyalar, radar temelinde çalışır. Bunlar bir fosfor ve bir radyoaktif madde, örneğin trityum veya radyumdan oluşur. Etkileyici doğal lüminesans kuzey ışıklarıdır: Güneş'teki radyoaktif süreçler, geniş kitlelerin elektron ve iyonları mekana attığıdır. Dünya'ya yaklaştıklarında, jeomanyetik alanı onları kutuplara yönlendirir. Atmosferin üst katmanlarındaki gaz boşaltma işlemleri ünlü polar ışıkları yaratır.

Lüminesans: Sürecin fiziği

Görünür ışığın emisyonu (yani, 690 nm ile 400 nm arasındaki dalgaboylu), bir uyarılma enerjisine ihtiyaç duyar ki bu en azından Einstein yasası ile belirlenir. Enerji (E), ışık frekansı (v) ile çarpılan Planck sabitine (h) veya dalga boyuna (λ) bölünen vakumdaki hızına eşittir: E = hν = hc / λ.

Böylece, uyarılma için gereken enerji 40 kilokalori (kırmızı için) ila 60 kilokalori (sarı için) ve 80 kilokalori (mor için) arasında değişir. Elektron voltajı (1 eV = 1.6 × 10-12 ergs) ile enerjiyi 1.8 ila 3.1 eV arasında ifade etmenin başka bir yolu.

Uyarma enerjisi, temel enerji seviyesinden daha yüksek bir enerjiye doğru atlayan parlaklıktan sorumlu elektronlara aktarılır. Bu durumlar, kuantum mekaniği yasaları ile belirlenir. Uyarmanın farklı mekanizmaları, tek atomlarda ve moleküllerde, moleküllerin kombinasyonlarında veya bir kristalde meydana gelmesine bağlıdır. Bunlar, elektronlar, pozitif iyonlar veya fotonlar gibi hızlandırılmış parçacıkların hareketi ile başlatılır.

Çoğu zaman uyarma enerjisi, elektron seviyesini radyasyon seviyesine yükseltmek için gerekli olandan daha yüksektir. Örneğin, televizyon ekranlarındaki fosfor kristallerinin ışığı, ortalama enerjileri 25.000 elektron-volt olan katot elektronları tarafından üretilir. Bununla birlikte, floresan ışığının rengi parçacıkların enerjisinden neredeyse bağımsızdır. Kristalin merkezlerin enerji uyarılmış hal seviyesinden etkilenir.

Floresan lambalar

Lüminesansın ortaya çıktığı parçacıklar, atomların veya moleküllerin dış elektronlarıdır. Floresan lambalarda, örneğin, bir cıva atomu, 6.7 eV veya daha fazla enerjinin etkisi altında heyecanlanır ve iki harici elektrondan birini daha yüksek bir seviyeye yükseltir. Zemin durumuna döndükten sonra, enerji farkı 185 nm dalga boylu ultraviyole ışığı şeklinde yayılır. Başka bir seviye ile tabana geçiş, 254 nm'de morötesi ışınım üretir ve bu da görünür ışık üreten diğer luminoforları uyarabilir.

Bu radyasyon, düşük basınçlı gaz deşarj lambalarında kullanılan düşük cıva buhar basıncında (10 ^-5 atmosfer) çok yoğun. Böylece elektron enerjisinin yaklaşık% 60'ı monokromatik UV ışığına dönüştürülür .

Yüksek basınçlarda frekans artar. Spektrumlar artık 254 nm'lik tek bir spektral çizgiden oluşmuyor ve ışıma enerjisi 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 ve 578 nm'lik farklı elektronik seviyelere tekabül eden spektral çizgiler üzerinde dağıtılıyor. Yüksek basınçlı cıva lambaları aydınlatma için kullanılır, çünkü 405-546 nm görünür mavimsi yeşil ışığa karşılık gelir ve ışınımın bir kısmı bir fosfor yardımı ile kırmızı ışığa dönüştüğünde sonuç beyazdır.

Gaz molekülleri heyecanlandığında, lüminesans spektrumu geniş bantlar gösterir; Sadece elektronlar daha yüksek enerji seviyelerine yükselirler, aynı zamanda atomların titreşimsel ve dönme hareketi genel olarak heyecanlıdır. Bunun nedeni, moleküllerin titreşim ve dönme enerjilerinin geçiş enerjisinden 10 ^-2 ve ^10-4 olması ve bu da bir bant oluşturan biraz daha farklı dalga boyları seti oluşturmak için bir araya toplanmasıdır. Daha büyük moleküllerde, geçiş için her biri birer tane örtüşen bant vardır. Çözeltideki moleküllerin radyasyonu, nispeten çok sayıda uyarılmış moleküllerin çözücü molekülleri ile etkileşiminin neden olduğu şerit benzeri ağırlıklıdır. Moleküllerde, atomlarda olduğu gibi, molekül orbitallerinin dış elektronları da lüminesansa katılırlar.

Floresans ve fosforesans

Bu terimler, parlaklığın süresine değil, aynı zamanda üretilme şekline göre de ayırt edilebilir. Bir elektron, kolayca zemin durumuna geri dönebileceği 10 ^-8 s'lik bir kalma süresi ile bir singlet durumuna getirildiğinde, madde floresan formunda enerjisini yayar. Geçiş sırasında spin değişmez. Taban ve heyecanlı hallerin benzer bir çokluğu vardır.

Bununla birlikte, elektron, spininin ters çevrilmesi ile daha yüksek bir enerji seviyesine ("uyarılmış üçlü durum" olarak adlandırılabilir) yükseltilebilir. Kuantum mekaniğinde, üçlü hallerden tekli hallere geçişler yasaktır ve dolayısıyla ömürleri çok daha uzundur. Bu nedenle, bu durumda lüminesans daha uzun bir zamana sahiptir: fosforesans gözlenmiştir.