§ 6.3. Люминесценция

Определения и обозначения

Люминесценция — свечение вещества, не обусловленное его нагреванием до высокой температуры. В отличие от теплового излучения раскалённого тела, она появляется благодаря энергии, переданной веществу другим способом. Это различие позволяет понять, почему светиться могут и холодные на ощупь материалы.

Люминофор — вещество, способное излучать свет при получении энергии от внешнего источника. Энергия может поступать, например, с излучением или при электрическом воздействии, а затем превращаться в энергию света. Понятие помогает назвать материал, который используется в светящихся покрытиях и приборах.

Флуоресценция — люминесценция, прекращающаяся практически сразу после окончания возбуждения. Возбуждением называют передачу веществу энергии, из-за которой его частицы переходят в состояния с большей энергией. Поэтому термин нужен, чтобы описать свечение, существующее в основном лишь при действующем источнике.

Фосфоресценция — люминесценция, продолжающаяся некоторое время после прекращения возбуждения. После выключения источника часть энергии ещё некоторое время сохраняется в возбуждённых состояниях вещества. Это определение отличает послесвечение от свечения, которое исчезает почти одновременно с воздействием.

Как это устроено

Чтобы вещество начало люминесцировать, его частицы должны получить энергию. Её может передать поглощённое излучение, нагревание, электрическое поле или химическая реакция. Получив энергию, частица переходит из обычного состояния в возбуждённое, то есть состояние с большей энергией. Само поступление энергии ещё не означает, что она вся будет излучена в виде видимого света.

Возбуждённое состояние обычно неустойчиво, поэтому частица со временем переходит в состояние с меньшей энергией. Разность энергий при таком переходе может выделиться в виде фотона — порции электромагнитного излучения. Если фотон попадает в видимую область спектра, мы воспринимаем переход как свечение. Часть энергии в некоторых случаях может перейти в другие формы, например в тепловое движение частиц.

Энергия испущенного фотона равна разности энергий начального и конечного состояний частицы. Для фотона справедливы соотношения E = hν и E = hc/λ, где h — постоянная Планка, ν — частота, c — скорость света, λ — длина волны. Чем больше разность энергий, тем выше частота и тем короче длина волны излучения. Поэтому энергетические уровни вещества связаны с частотой и цветом его свечения.

При флуоресценции переход из возбуждённого состояния происходит быстро, поэтому свечение почти сразу исчезает после прекращения подачи энергии. При фосфоресценции часть частиц может задерживаться в возбуждённых состояниях, из которых переход происходит не так быстро. Их постепенное возвращение к меньшей энергии поддерживает свечение уже после выключения источника. Именно различие в длительности свечения, а не его цвет, позволяет различать эти явления.

Возбуждать люминофор можно светом, в том числе ультрафиолетовым, электрическим воздействием, нагреванием или химической реакцией. Принцип используют в светящихся покрытиях, лампах, экранах и индикаторах; в оптическом анализе свечение помогает исследовать свойства и состав веществ. Например, экран под ультрафиолетовой лампой может преобразовать невидимое излучение в видимый свет. Для практического применения важно подобрать материал, который излучает свет нужного цвета и с подходящей длительностью.

Сравнение флуоресценции и фосфоресценции

Сравнивайте прежде всего поведение материала после выключения источника: это главный признак, различающий два вида свечения. Если свечение почти сразу исчезло, наблюдается флуоресценция; если сохраняется — фосфоресценция. Примеры применения типичны, но точный вид свечения определяют по его поведению, а не только по назначению изделия.

Разбор задач

Задача 1. Ультрафиолетовая лампа освещает экран, который светится, но перестаёт светиться почти сразу после выключения лампы. Определите вид свечения. Нужно установить, сохраняется ли свечение после прекращения возбуждения. Ультрафиолет здесь передаёт экрану энергию, а момент выключения лампы позволяет проверить наличие послесвечения.

1. Сопоставим наблюдение с определениями: флуоресценция почти сразу прекращается после окончания возбуждения.
2. После выключения лампы экран практически сразу гаснет, то есть длительного послесвечения нет.
3. Следовательно, наблюдается флуоресценция, а не фосфоресценция.

Ответ: флуоресценция.

Задача 2. Люминофор излучает свет с длиной волны 600 нм. Найдите энергию фотона. Длина волны задана, поэтому используем связь энергии фотона с длиной волны: E = hc/λ. Возьмём h ≈ 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с и c ≈ 3,00 · 10⁸ м/с.

1. Переведём длину волны в метры: λ = 600 нм = 6,00 · 10⁻⁷ м.
2. Подставим значения: E = (6,63 · 10⁻³⁴ · 3,00 · 10⁸)/(6,00 · 10⁻⁷) Дж.
3. Вычислим: E ≈ 3,3 · 10⁻¹⁹ Дж. При делении важно не оставить длину волны в нанометрах: в формуле величины должны быть выражены в согласованных единицах.

Ответ: энергия фотона примерно равна 3,3 · 10⁻¹⁹ Дж.

Задача 3. Два образца после прекращения облучения светятся разное время. Объясните различие и определите, какой образец проявляет фосфоресценцию. Сравним не яркость и не цвет, а длительность свечения после выключения источника. Условие не сообщает точное время, поэтому вывод будет качественным.

1. Вещество, которое почти сразу перестало светиться, проявляет флуоресценцию.
2. Образец, продолжающий светиться некоторое время, сохраняет возбуждённые состояния, из которых частицы переходят к меньшей энергии с задержкой.
3. Такое продолжительное послесвечение является фосфоресценцией; различие образцов связано с механизмом и длительностью переходов в них.

Ответ: фосфоресценцию проявляет образец, который продолжает светиться после прекращения облучения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любое свечение люминесценцией. Раскалённое тело светится из-за высокой температуры, поэтому его излучение является тепловым. Путаница возникает из-за того, что в обоих случаях мы видим свет. Проверьте, вызвано ли свечение нагреванием до высокой температуры или иной передачей энергии.

Ошибка: путать флуоресценцию и фосфоресценцию. Их различают не по цвету, а по тому, как долго сохраняется свечение после окончания возбуждения. Цвет может быть одинаковым у материалов с разным послесвечением. Для проверки выключите источник и проследите, исчезает ли свет почти сразу или сохраняется.

Ошибка: полагать, что люминесценция возникает без поступления энергии. Без источника энергии частицы не перейдут в возбуждённое состояние, необходимое для последующего излучения. Ошибку поддерживает наблюдение послесвечения уже после выключения лампы: кажется, будто свет возникает сам по себе. Проверьте, было ли вещество предварительно облучено, нагрето или подвергнуто другому воздействию.

Ошибка: считать, что энергия фотона определяется только способом возбуждения. Энергия фотона связана с частотой формулой E = hν, а также с длиной волны формулой E = hc/λ. Способ возбуждения сообщает веществу энергию, но не задаёт сам по себе энергию каждого испущенного фотона. Проверяя ответ, используйте частоту или длину волны излучения.

Связь с другими темами

Для объяснения люминесценции нужны знания об энергетических уровнях атомов и молекул, переходах между ними и фотонах. Связь E = hν = hc/λ помогает понять, как разность энергий задаёт частоту, длину волны и воспринимаемый цвет света. Люминесценция применяется в источниках света, экранах и световых индикаторах. Изучение излучения также лежит в основе оптических методов анализа веществ.

Что запомнить

• Люминесценция не связана с нагреванием тела до высокой температуры.
• Для возникновения люминесценции вещество должно получить энергию.
• При переходе в состояние с меньшей энергией вещество может испустить фотон.
• Флуоресценция прекращается практически сразу после окончания возбуждения.
• Фосфоресценция продолжается некоторое время после прекращения возбуждения.
• Энергия испущенного фотона определяется его частотой: E = hν.