§ 63. Понятие о люминесценции

Определения и обозначения

Люминесценция — свечение вещества, возникающее не вследствие его нагревания до высокой температуры. В отличие от теплового излучения, оно появляется благодаря энергии, полученной веществом извне. Это определение помогает не путать светящийся люминофор с раскалённым телом.

Люминофор — вещество, способное светиться под действием внешнего источника энергии. Получив энергию, его частицы могут испустить свет, когда переходят в менее возбуждённое состояние. Термин нужен, чтобы обозначать не источник возбуждения, а само вещество, которое излучает свет.

Флуоресценция — разновидность люминесценции, которая прекращается практически одновременно с прекращением возбуждения. Иначе говоря, свечение наблюдается, пока на вещество действует источник, и почти сразу исчезает после его отключения. По этому признаку флуоресценцию отличают от свечения с заметным послесвечением.

Фосфоресценция — разновидность люминесценции, продолжающаяся некоторое время после прекращения возбуждения. Полученная энергия высвобождается не мгновенно, поэтому материал продолжает испускать свет. Это понятие описывает длительность свечения, а не обязательный химический состав вещества.

Как это устроено

Люминесцентное свечение начинается, когда вещество получает энергию извне. В тепловом излучении причина свечения — высокая температура тела, а здесь нагревать материал до раскалённого состояния не требуется. Поэтому люминофор может светиться и тогда, когда его температура почти не отличается от температуры окружающей среды. Различие связано с тем, каким способом энергия попадает в вещество.

Внешний источник передаёт энергию атомам или молекулам люминофора. Например, фотон поглощается частицей, и её внутренняя энергия увеличивается: частица переходит в возбуждённое состояние. Возбуждение означает, что частица получила энергию сверх своего обычного состояния, но такая ситуация обычно не сохраняется бесконечно. Без передачи энергии извне частица в итоге может перейти в состояние с меньшей энергией.

При возвращении частицы в менее возбуждённое состояние разность энергий может выделиться в виде светового излучения. Поэтому люминофор не просто перенаправляет падающий свет, как отражающая поверхность, а сам испускает новые световые волны. Часть энергии возбуждения может перейти в другие формы, например в тепло, так что свет не обязательно уносит её всю. Именно превращение полученной энергии в излучение лежит в основе люминесценции.

Свечение бывает разной длительности после прекращения воздействия. При флуоресценции частицы испускают свет практически только во время возбуждения, поэтому после выключения источника свечение быстро исчезает. При фосфоресценции переходы, сопровождающиеся излучением, могут происходить и позже. Из-за этого люминофор продолжает светиться некоторое время, хотя источник уже выключен.

Возбуждать люминесценцию можно разными способами: освещать вещество ультрафиолетом, пропускать через него электрический разряд или запускать химическую реакцию. В каждом случае источник передаёт энергию частицам материала, но способ передачи различается. Люминофоры применяют в лампах, индикаторах и светящихся покрытиях. Подбирая материал и источник возбуждения, можно получить нужный режим свечения.

Сравнение видов люминесценции

Сравнивайте прежде всего поведение материала после выключения источника, а не яркость свечения. Если свечение почти сразу исчезает, это флуоресценция; если сохраняется — фосфоресценция. В обоих случаях вещество получает энергию извне и само испускает свет.

Разбор задач

Задача 1. Ультрафиолетовая лампа освещает экран, покрытый люминофором. Нужно определить явление и источник возбуждения. Сначала выясним, откуда экран получает энергию для свечения.

1. Экран покрыт веществом, которое испускает свет после получения энергии, то есть люминофором.
2. На него падает ультрафиолетовое излучение лампы, поэтому именно оно передаёт энергию частицам экрана.
3. Свечение, вызванное таким возбуждением, относится к люминесценции; без сведений о послесвечении уточнять его вид нельзя.

Ответ: наблюдается люминесценция, а источник возбуждения — ультрафиолетовое излучение лампы. Экран не просто отражает ультрафиолет, а сам испускает видимый свет. Это происходит после передачи энергии его люминофору.

Задача 2. После выключения источника один материал гаснет почти сразу, а другой продолжает светиться. Определим вид свечения каждого. Решающий признак здесь — длительность послесвечения.

1. Первый материал перестаёт светиться практически одновременно с прекращением возбуждения.
2. Такое поведение соответствует флуоресценции, для которой характерно быстрое прекращение свечения.
3. Второй материал продолжает светиться после выключения источника, значит, это фосфоресценция.

Ответ: первый материал демонстрирует флуоресценцию, второй — фосфоресценцию. Для вывода не требуется сравнивать их яркость или цвет. Достаточно установить, сохраняется ли свечение после прекращения возбуждения.

Задача 3. Сравните свет раскалённой нити лампы и люминофора, светящегося без заметного нагрева. Нужно классифицировать оба случая. Для этого выясним причину каждого свечения.

1. Нить сильно нагрета электрическим током, и её высокая температура вызывает излучение.
2. Такое свечение является тепловым, даже если лампа также получает энергию от электрического источника.
3. Люминофор почти не нагревается, а начинает светиться после возбуждения; это люминесценция.

Ответ: нить испускает тепловое излучение, а люминофор — люминесцентное. Наличие внешнего источника само по себе не определяет вид свечения. Важно, обусловлено ли оно сильным нагревом или возбуждением частиц вещества.

Типичные ошибки

Ошибка — считать люминесценцией любое свечение. Её допускают, потому что в обоих случаях видно свет, но раскалённое тело светится из-за высокой температуры. Проверьте себя вопросом: сильно ли нагрето тело и является ли нагрев причиной излучения?

Ошибка — принимать люминесценцию за отражение света. Падающий свет действительно может попадать на люминофор, поэтому эти явления легко спутать. Но люминофор после получения энергии сам испускает свет; для проверки спросите, возникло ли собственное свечение вещества, а не только отражение падающих лучей.

Ошибка — ожидать от флуоресценции длительного послесвечения. Путаница возникает из-за того, что некоторые светящиеся материалы остаются видимыми после выключения источника. Однако флуоресценция прекращается практически сразу, поэтому проверьте, продолжается ли свечение без возбуждения.

Ошибка — думать, что фосфоресцирующее вещество обязательно содержит химический элемент фосфор. Такое предположение провоцирует сходство слов, но название обозначает вид свечения, а не состав материала. Чтобы проверить себя, классифицируйте явление по наличию послесвечения, а состав рассматривайте отдельно.

Связь с другими темами

Для понимания люминесценции нужны представления об излучении и поглощении света: вещество получает энергию, а затем может испустить свет. Также важно знать, что атомы и молекулы могут находиться в возбуждённом состоянии. Эта тема связывает школьные знания о свете с квантовыми представлениями о строении вещества и взаимодействии света с ним. На практике люминесценцию используют в источниках света, индикаторах и светящихся материалах.

Что запомнить

• Люминесценция — свечение, не обусловленное сильным нагреванием тела.
• Люминофор излучает свет после получения энергии извне.
• Энергия возбуждения при люминесценции может превращаться в энергию светового излучения.
• Флуоресценция прекращается практически сразу после прекращения возбуждения.
• Фосфоресценция продолжается некоторое время после прекращения возбуждения.