Фосфоресценция

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Фосфоресценция
Фосфоресцентный порошок при облучении видимым светом, ультрафиолетовым светом и в полной темноте.

Фосфоресценция — это особый тип фотолюминесценции. В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает поглощённую энергию не сразу. Большее время реэмиссии связано с «запрещёнными» энергетическими переходами в квантовой механике. Поскольку такие переходы наблюдаются реже в обычных материалах, реэмиссия поглощенного излучения проходит с более низкой интенсивностью, и в течение длительного времени (до нескольких часов).

Изучение фосфоресцентных веществ началось примерно со времени открытия радиоактивности (1896 год).

Механизмы фосфоресценции[править | править вики-текст]

Говоря простым языком, в отличие от флуоресценции, фосфоресценция — это процесс, в котором энергия, поглощенная веществом, высвобождается в виде света относительно медленно.

Фосфоресценция кристаллов[править | править вики-текст]

Люминесценция кристаллов зависит от наличия в них примесей, энергетические уровни которых могут служить уровнями поглощения, промежуточными или излучательными уровнями. Роль этих уровней могут выполнять также энергетические зоны (валентная и проводимости). Кристаллы, обладающие способностью к люминесценции, называются кристаллофосфорами. Возбуждение светом, электрическим током или пучком частиц создаёт в них свободные электроны, дырки и экситоны. Они могут захватываться ловушками – атомами примесей или оседать на дефектах кристаллической решётки. В этом случае рекомбинация (а значит, и свечение) электронов и дырок наступают не мгновенно, а спустя достаточно длительное время, что будет соответствовать длительности фосфоресценции. Для ускорения освобождения электронов из ловушек можно приложить дополнительную энергию, например, использовать нагрев. Примеси и дефекты кристаллической решетки выступают также и в роли тушителя люминесценции, «забирая» у электронов энергию возбуждения.

Фосфоресценция органических молекул[править | править вики-текст]

Фосфоресценция органических молекул связана с запрещенными переходами между энергетическими уровнями разной мультиплетности. Электронные переходы в молекулах удобно описывать с помощью диаграммы Яблонского. При поглощении энергии молекула переходит из основного синглетного состояния S0 в возбуждённое синглетное S1. В таком возбуждённом состоянии молекула может пребывать порядка нескольких наносекунд, и сразу же освобождается от лишней энергии, которая либо уходит в тепло, либо испускается в виде света – так называемая быстрая флуоресценция.

Но у некоторых молекул запрет между переходами разной мультиплетности частично снимается за счёт наличия в них тяжелых атомов, например, атомы йода позволяют молекулам эритрозина хорошо переходить из возбуждённого синглетного состояния S1 в возбуждённое триплетное T1. Такой переход называют интеркомбинационной конверсией. Находясь в T1-состоянии, молекулы уже не могут быстро вернуться в основное состояния S0, т.к. такой переход запрещён, поэтому свечение, обусловленное такими переходами, достаточно продолжительное – несколько микросекунд и дольше. Так как уровень T1 лежит ниже по энергии, чем S1, фосфоресценция всегда смещена от флуоресценции в длинноволновую область.

Fluo-phosopho.jpg
S_0 + h\nu \to S_1 \to T_1 \to S_0 + h\nu^\prime

где S - синглетное состояние, T - триплетное состояние, индексы обозначают наличие возбуждения (0 для основного, 1 для возбужденного состояния). Поскольку синглет-триплетные переходы имеют квантово-механический запрет, время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10−2−10−4 с, в отличие от флуоресценции, для которой время жизни возбужденного состояния составляет 10−7−10−8 с.

Возможна и ситуация, когда молекула обратно переходит из T1-состояния в S1-состояние, получив дополнительную энергию за счет нагрева, либо прореагировав с другими молекулами. Тогда будет наблюдаться флуоресценция, но с продолжительностью свечения фосфоресценции. Такое свечение называют замедленной (длительной) флуоресценцией, и оно фосфоресценцией, несмотря на критерий длительности, не считается.

Отличия от других видов люминесценции[править | править вики-текст]

Некоторые из «светящихся в темноте» материалов светятся не из-за того, что они фосфоресцентны. Например, «светящиеся палочки» светятся за счет хемилюминесцентного процесса, который иногда ошибочно принимают за фосфоресценцию. В хемилюминесценции вещество переходит в возбужденное состояние за счет химической реакции (а не за счет поглощения света как в фосфоресценции). Энергия возбужденного состояния передается затем молекуле красителя, называемого (сенсибилизатором или флюорофором), которая затем флуоресцирует, переходя в основное состояние.

Любопытно, что хорошо известное свечение белого фосфора при контакте с воздухом, давшее название самому явлению фосфоресценции, также является не фосфоресценцией, а хемилюминесценцией, сопровождающей процесс окисления фосфора.

Не следует также путать фосфоресценцию с радиолюминесценцией — свечением люминофора под воздействием радиоактивных изотопов, которые применялись в военной технике прежних лет для нанесения светящегося в темноте покрытия на циферблаты и стрелки часов, шкалы и стрелки приборов и т. п.

Фосфоресцентные материалы[править | править вики-текст]

Наиболее распространёнными фосфоресцентными материалами являются сульфид цинка и алюминат стронция. Сульфид цинка применялся ещё в 1930-х годах. Сейчас в основном используются пигменты на основе алюмината стронция (торговые марки Super-LumiNova[1][2] и NoctiLumina[3]), поскольку они примерно в 10 раз ярче сульфидно-цинковых и обладают длительностью послесвечения до нескольких часов против примерно получаса у сульфида цинка.

Применение[править | править вики-текст]

Главная сфера применения фосфоресцентных материалов — изделия для использования в чрезвычайных ситуациях (аварийные указатели выхода, маркировка направления движения и т. д.), продолжающие светиться после отключения электроэнергии. Фосфоресцентные материалы нередко наносят на циферблаты и стрелки часов, шкалы и стрелки приборов, что позволяет считывать их показания в темноте, разумеется, пока накопленная люминофором энергия не иссякнет. Фосфоресцирующие пигменты также иногда применяют для раскраски ёлочных игрушек и нанесения на одежду изображений светящихся в темноте.


См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «glowing»