ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Еще с доисторических времен людям было известно свечение некоторых насекомых, гнилого дерева, минералов. Оно казалось загадочным. Только современная наука раскрыла природу такого свечения. Заключена она в явлении, называемом люминесценцией. Люминесцентное излучение исходит из сравнительно небольшого числа центров люминесценции — атомов, молекул или ионов, приходящих в возбужденное состояние под действием внешних причин, а затем, при переходе возбужденного центра на более низкий энергетический уровень, испускающих квант люминесцентного излучения (см. рис.). Вещества, в которых происходит люминесценция, называют люминофорами.

Время, затрачиваемое в среднем на переход центра люминесценции из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень,— одна из главных характеристик люминесцентного процесса. Если люминесцентное излучение после отключения его возбудителя прекращается быстро, примерно за одну стомиллионную долю секунды (10^-8 с), то такой вид люминесценции называют флуоресценцией. 10^-8 с — характерное время жизни возбужденного атома. Обычно в среднем такое время атом находится в возбужденном состоянии до перехода в основное, если возбуждены уровни внешней электронной оболочки.

Другой вид люминесценции — фосфоресценция — характеризуется медленным спадом свечения после отключения источника энергии возбуждения. В этом случае центры люминесценции после возбуждения находятся в метастабильных состояниях, из которых переход в состояния с меньшей энергией «запрещен» и совершается за гораздо более длительное время, чем 10^-8 с.

Виды люминесценции различают и по способу ее возбуждения. Так, экран телевизора светится под падающим на него электронным пучком благодаря свечению люминофора, нанесенного на стенку экрана кинескопа. В этом случае центры люминесценции возбуждаются электронным пучком. В начале века электронные пучки называли катодными лучами. Поэтому такой вид люминесценции получил название катодолюминесценции.

Люминесцентные лампы значительно экономичнее ламп накаливания: на каждый ватт мощности они дают световой поток, в несколько раз превышающий световой поток лампы накаливания. Их КПД достигает 20%. В цилиндрическом баллоне такой лампы идет электрический разряд в парах ртути. Возбужденные атомы ртути испускают мощные потоки электромагнитного излучения, основная энергия которого лежит в ультрафиолетовой части спектра. Стенки лампы покрыты люминофорами, светящимися под действием ультрафиолетового излучения разным цветом. Поглощая ультрафиолетовое излучение, смесь люминофоров излучает в видимой области спектра и в достаточной мере воспроизводит спектр дневного света. Такой вид люминесценции, возбуждаемой электромагнитным излучением, называют фотолюминесценцией.

Еще в 1852 г. английский физик Дж. Стокс установил правило: длина волны света, испускаемого люминофором, больше, чем длина волны возбуждающего света. Подмеченная Стоксом закономерность находит простое объяснение на основе представлений квантовой механики. Поглощая фотон с энергией hv, центр люминесценции не может подняться на энергетический уровень Е > hv (см. рис.). Энергия люминесцентного кванта hvn всегда меньше hv. Энергия hvn испускается при переходе на промежуточный уровень Е_п. Часть энергии кванта W может затрачиваться и на другие процессы. И все же нет правил без исключений — в некоторых случаях наблюдают антистоксово излучение, когда hv_л > hv. В этом случае к энергии фотона hv добавляется часть энергии теплового движения частиц люминесцирующего вещества Ет:hv_л = hv + Е_т.

Энергия химических реакций — другой источник возбуждения люминесценции. В организме светлячка химическая энергия переходит в световую с очень большим КПД, приближающимся к 100%. Это в 5 раз больше, чем у люминесцентных ламп. Такой вид люминесценции называют хемилюминесценцией.

Люминесценция используется не только в газоразрядных лампах и кинескопах. Люминесцентное свечение наблюдают при очень малых концентрациях вещества. На этом основан люминесцентный анализ. Исследуя люминесценцию кусочков породы из буровой скважины, нефтяники узнают о близости нефтеносных слоев и даже определяют количество нефти. Методом люминесцентного анализа отличают различные сорта стекол, изучают биологические объекты.