Основні теоретичні відомості

Люмінесценція – це випромінювання, надлишкове над тепловим випромінюванням при даній температурі, яке збуджується різними факторами (при електричному розряді в газах, хімічних процесах, опроміненні речовин ультрафіолетовим, рентгенівським та іншими видами випромінювання) і яке продовжується протягом часу, що значно перевищує період світлових хвиль.

На відміну від теплового люмінесцентне випромінювання не має рівноважного характеру, воно припиняється, як тільки витрачається енергія того процесу, яким люмінесценція викликана.

Через те, що люмінесценція може спостерігатись при довільній температурі, зокрема, при кімнатній, вона часто називається холодним свіченням.

Друга частина визначення люмінесценції (ознака тривалості) введена С.І. Вавіловим для того, щоб відмежувати люмінесценцію від різних видів розсіяння і відбивання світла, гальмівного і деяких інших видів випромінювання. При люмінесценції між поглинанням і випромінюванням відбуваються проміжні процеси, тривалість яких більша за період світлової хвилі. Залежно від факторів, що збуджують люмінесценцію, розрізняють:

Фотолюмінісценцію (збуджується дією на речовину випромінюванням в оптичному діапазоні хвиль);

Катодолюмінісценцію (збуджується швидкими електронами (катодними променями)

Рентгенолюмінесценцію (збуджується рентгенівськими променями);

Радіолюмінісценцію (збуджується радіоактивним випромінюванням - α-, β-, γ-, - променями);

Хемілюмінесценцію (збуджується внаслідок хімічних реакцій);

Біолюмінесценцію (збуджується внаслідок біологічних процесів);

Триболюмінесценцію (виникає при терті або розжарюванні кристалів).

При будь-якому виді люмінесценції атоми або іони речовини поглинають кванти енергії і переходять у збуджений стан.

Центрами люмінесценції в твердому тілі є іони або їх групи, що перебувають біля того місця кристалічної гратки, де правильність її структури порушена включенням активатора – атома іншої речовини або вакансії. Повертання збудженого центра люмінесценції у нормальний або менш збуджений стан супроводжується випромінюванням люмінесцентного світла.

Тривалість світіння обумовлена тривалістю збудженого стану. Люмінесценцію з часом згасання 10^-9…10^–8 с називають, звичайно, флюоресценцією. Такий час згасання характерний для фотолюмінісценції багатьох речовин, в основному, рідин і газів.

Люмінесценція, яка спостерігається тривалий час після припинення дії збуджувача світіння, називається фосфоресценцією. Така тривалість світіння спостерігається у деяких твердих тіл, що здатні давати люмінесценцію.

Поділ люмінесценції на флюоресценцію і фосфоресценцію умовний, через те, що встановити точну часову межу між ними неможливо. Але, звичайно, якщо світіння припиняється менше ніж через 10^–7 с, то його називають флюоресценцією, а якщо тривалість післясвітіння більша ніж 10^-7с (іноді вона досягає кілька секунд, хвилин і навіть годин), - фосфоресценцією.

Відомий фізик ХХ століття С.І.Вавілов встановив, що спектральний склад і інтенсивність люмінесцентного випромінювання залежать не від факторів, що збуджують люмінесценцію, а від природи і концентрації речовини – люмінофора. На цьому положенні ґрунтуються якісні та кількісні методи люмінесцентного аналізу, що широко використовуються в науці і техніці. Чутливість люмінесцентного аналізу настільки велика, що найнезначніші кількості речовини-люмінофора дозволяють виявити її в пробі.

Фотолюмінесценція збуджується звичайно електромагнітним випромінюванням видимого або ультрафіолетового діапазону. Фотолюмінесцентна речовина випромінює, як правило, світло з більшою довжиною хвилі, ніж випромінювання, яке збуджує люмінесценцію. Це положення називається правилом Стокса. Воно легко пояснюється квантовою теорією. Припустимо, що фотон світла, який збуджує фотолюмінесценцію, має енергію h . За законом збереження енергії ця енергія фотона частково витрачається на створення фотона з енергією h _люм люмінесцентного випромінювання, а решта буде використана на різні неоптичні процеси, що можна виразити формулою

h = h _люм+ w. (6.1)

Звідси бачимо, що > _люм, а отже, λ<λ_люм, що й стверджується правилом Стокса.

Іноді фотолюмінесцентне випромінювання має довжину хвилі меншу, ніж довжина хвилі збуджуючого світла (так зване антистоксове випромінювання). Це явище пояснюється тим, що до енергії h фотона збуджуючого випромінювання додається енергія теплового руху атомів або іонів люмінесцентної речовини, що можна виразити за формулою.

h + а kT= h _люм, (6.2)

де а – коефіцієнт, що залежить від природи люмінесцентної речовини; k – стала Больцмана; T – абсолютна температура.

Після припинення дії збудника при люмінесценції інтенсивність люмінесцентного випромінювання з часом зменшується за експоненціальним законом:

І = І₀ e ^{– в t}, (6.3)

де І_о, І – інтенсивність випромінювання відповідно в початковий момент часу t=0 і в момент часу t після припинення дії збуджуючого фактору; в – стала величина, що залежить від роду люмінесцентної речовини.

Залежність (6.3) є аналітичним виразом закону згасання люмінесценції. У випадку фосфоресценції закон згасання можна подати у вигляді:

І = І₀ (1+ рt)^-2,

(6.4)

це так званий гіперболічний закон згасання. Сталу р можна знайти експериментально. Для цього формулу (6.4) приводять до вигляду:

. (6.5)

З (6.5) видно, що залежність величини F = від часу t лінійна. Отже, величину р можна визначити як тангенс кута нахилу прямої, побудованої в координатах F і t.

У лабораторній роботі використовується набір фосфорів. Інтенсивність фосфоресценції вимірюється за допомогою фоторезистора, що перетворює світловий сигнал у електричний, причому отриманий електричний струм пропорційний інтенсивності фосфоресценції. Пропорційність забезпечується використанням лінійної частини світлової характеристики фоторезистора.

Вимірювальна камера – це циліндр, у дні якого встановлено фоторезистор і мікроперемикач, а на кришці – набір фосфорів.

До фоторезистора прикладається напруга 200 В від випрямляча. В електричне коло крім випрямляча і фоторезистора входить мікроамперметр і мікроперемикач. Усі елементи схеми з’єднуються послідовно.

Мікроперемикач увімкнений у схему для того, щоб електричне коло було замкнене тільки при закритій камері.

Коло замикається при натисканні на кнопку мікроперемикача кришки камери.

Потрібне устаткування: вимірювальна камера, що включає джерело фосфоресценції, приймач світла (фоторезистор) і елементи автоматики, джерело світла, джерело живлення, мікроамперметр, ключ, підвідні провідники, секундомір або годинник із секундною стрілкою.