ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ
ОПТИКА І КВАНТОВА ФІЗИКА
РОЗДІЛ. 4 Хвильова і квантова оптика
§ 40. ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ
Усі без винятку тіла, температура яких не дорівнює абсолютному нулю, є джерелами електромагнітного випромінювання. Воно обумовлене тепловим рухом частинок речовини і тому називається тепловим. Інтенсивність теплового випромінювання дуже швидко зростає з підвищенням температури. Поряд з тепловим випромінюванням у природі існує випромінювання тіл, що не залежить від їх температури. Воно виникає за рахунок будь-якого виду енергії мимоволі. Мимовільне
Залежно від процесів, при яких виникає холодне свічення, розрізняють кілька видів люмінесценції. Цілий ряд хімічних реакцій супроводжується холодним свіченням речовин, що беруть участь у них. Так, жовтий фосфор, поволі окиснюючись у повітрі, інтенсивно випускає холодне світло. Хімічні процеси викликають і холодне свічення багатьох біологічних об’єктів – біолюмінесценцію, що спостерігається у комах, морських риб і дрібних тварин, деяких сортів грибів, шматків гниючої деревини, багатьох
При проходженні струму через розріджені гази виникає яскраве холодне свічення різного кольору залежно від природи газу. Холодне свічення, що спричинюється електричним струмом, називається електролюмінесценцією.
Люмінесценція виникає і при опроміненні багатьох речовин – сульфіду цинку, платиноціаната барію, гасу, ряду органічних барвників – рентгенівськими, ультрафіолетовими або видимими променями. Холодне свічення, що викликається різними променями електромагнітного спектра, називається фотолюмінесценцією.
Розрізняють два види фотолюмінесценції: флюоресценція і фосфоресценція.
Флюоресценція – це свічення тіл, що відбувається тільки в процесі їх опромінення. Фосфоресценція – це свічення тіл, що відбувається як під час опромінення, так і після його припинення.
Тривалість післясвічення при флюоресценції не перевищує 10-3 с, а при фосфоресценції післясвічення може продовжуватися годинами, цілодобово і навіть місяцями. Принципової відмінності між цими видами люмінесценції немає. Фосфоресценція відрізняється від флюоресценції тільки тривалістю післясвічення.
Речовини, здатні випускати світло при їх опроміненні, називаються люмінофорами.
Усі спроби пояснити холодне свічення тіл, виходячи з електромагнітної теорії світла, виявилися невдалими. Квантова теорія світла це явище пояснює таким чином.
Припустимо, що молекула або атом люмінофора має п’ять енергетичних рівнів. При поглинанні фотона молекула переходить у збуджений стан. Проте цей стан нестійкий і молекула повертається в стійкіший стан, випромінюючи при цьому надлишок енергії у вигляді світлового кванта. Так виникає холодне свічення тіл. Процес випромінювання холодного світла може відбуватися прямо: електрони відразу переходять із збудженого стану в нормальний. У цьому випадку молекула люмінофора випромінює такий же квант енергії, який вона поглинула. У деяких люмінофорів процес випромінювання може мати каскадний характер: електрони переходять з найбільш високого енергетичного рівня в нормальний стан через ряд проміжних рівнів. Тоді енергія випромінюваних квантів буде меншою за енергію поглиненого кванта, але загальна сума енергій випромінюваних квантів (згідно з законом збереження енергії) може бути або меншою, або, в крайньому випадку, дорівнювати тій енергії, яку поглинає молекула: ∆Ев≤ ∆Еп або hvв ≤ hvп звідки: vв< vп або
Таким чином, довжина хвилі світла, що випускається люмінесціюючою речовиною, завжди більша або дорівнює довжині світлової хвилі, падаючої на речовину.
Цей закон був встановлений експериментально англійським фізиком Дж. Стоксом і носить його ім’я – закон Стокса. У більшості випадків деяка частина енергії квантів світла, що поглинаються, перетворюється на внутрішню енергію тіл і тому, як правило, атоми і молекули люмінофора випромінюють кванти світла меншої енергії, ніж поглинають.
Явище люмінесценції покладене в основу будови люмінесцентних ламп. Люмінесцентна лампа є скляною трубкою, в яку з обох кінців упаяні вольфрамові електроди у вигляді спіралей. Внутрішня поверхня трубки покрита тонким шаром люмінофора. З трубки ретельно відкачують повітря. Потім її наповнюють під невеликим тиском аргоном і вводять кілька крапельок ртуті.
При включенні лампи в мережу змінного струму вольфрамові електроди розжарюються і з них вилітають електрони. Під дією електричного поля електрони набувають великої швидкості і, стикаючись з нейтральними атомами Аргону, йонізують їх. У аргоні виникає тліючий розряд, при цьому газ нагрівається, ртуть випаровується і пара ртуті випускає ультрафіолетові промені. Ультрафіолетові промені поглинаються атомами люмінофора і він випромінює видиме світло. Експериментально добирають такий склад люмінофора, який випромінює світло, за спектральним складом близьке до денного.
Спектральний склад люмінесцентного випромінювання є характерним для кожної речовини, і тому явище люмінесценції використовується для визначення хімічного складу різних речовин (люмінесцентний аналіз). При вивченні складу речовини методом люмінесцентного аналізу речовину опромінюють ультрафіолетовими променями. Спектр холодного світла, що вивчається при цьому, вивчають за допомогою спеціального люмінесцентного мікроскопа (мікроаналіз) або просто спостерігають неозброєним оком (макроаналіз) залежно від розміру досліджуваного об’єкта. Люмінесцентний аналіз отримав широке застосування в медико-біологічних дослідженнях, у гігієні і судовій медичній експертизі.
Під дією ультрафіолетових променів люмінесціюють різні тканини (нігті, зуби, склера, кришталик і ін.) і багато мікроорганізмів (бактерії прокази, дифтерії, туберкульозна паличка і т. д.). Це дає змогу проводити за допомогою люмінесцентного аналізу ряд важливих мікробіологічних досліджень, якщо звичайна мікроскопія виявляється менш ефективною. За допомогою люмінесцентного аналізу визначають ступінь придатності багатьох харчових продуктів: овочів, фруктів, яєць, муки, масла, риби, м’яса і ін. Цим же методом визначають ступінь чистоти лікарських препаратів, наявність вітамінів або отрут у харчових продуктах.
