Материал: Бодунов Е.Н., Семенов А.О.. Исследование люминофоров
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»
(ФГБОУ ВО ПГУПС)
Кафедра «Физика»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНОФОРОВ
Методические указания к лабораторной работе № 346
Санкт-Петербург
2016
Цель работы – исследование зависимости интенсивности излучения (свечения) люминофоров от времени; определение времени затухания свечения и энергии перехода с метастабильного уровня в зону проводимости.
1. КРАТКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ
Вторичное излучение и люминесценция
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом сопро-
вождается испусканием вторичного электромагнитного излучения. Оно может быть вызвано различными процессами: отражением, рассеянием, тепловым излучением, люминесценцией. Все виды вторичного излучения прекращаются после прекращения облучения, кроме люминесценции.
Люминесценция – это процесс излучения света холодными телами, который может продолжаться длительное время (до нескольких часов) после прекращения возбуждающего излучения.
По продолжительности свечения люминесценция делится на флуоресценцию (ее продолжительность мала – 10-9…10-5 с) и фосфоресценцию (ее продолжительность велика – до нескольких часов).
По методу возбуждения люминесценция делится на:
‒фотолюминесценцию (возбуждается светом);
‒электролюминесценцию (возбуждается электрическим полем);
‒радиолюминесценцию (возбуждается радиоактивнымизлучением);
‒рентгенолюминесценцию (возбуждается рентгеновскими лучами);
‒хемилюминесценцию – возникает в химических реакциях;
‒триболюминесценцию – наблюдается при трении.
Вещества, излучающие свет (люминесцирующие) после облучения их светом, рентгеновскими лучами, радиоактивными α-, β-, γ-лучами и т.д.,
называются люминофорами.
Применение люминесценции
Люминесценция находит применение в искусстве, в клинической диагностике и криминологии, при изготовлении денег, для визуализации динамики жидкостей и др. Люминесценция используется в спектральном анализе и в экологии как инструмент для определения структуры и состава
1
веществ и обнаружения микропримесей в окружающей среде. Люминофоры используются в лампах дневного света, в электронно-лучевых трубках и экранах мониторов, как детекторы элементарных частиц, при производстве светящихся красок.
Основные характеристики люминесценции
1. Спектр люминесценции I(λ) или I(ν) – распределение энергии из-
лучения по длине волн λ или частоте ν. Люминофоры могут излучать в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Чаще используются люминофоры, излучающие видимый свет. Спектр люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света; каждое вещество имеет свой особенный спектр люминесценции. Именно поэтому люминесценция используется в спектральном анализе для определения химического состава веществ.
2.Интенсивность люминесценции I – световая энергия, излучаемая люминофором в единицу времени.
3.Длительность люминесценции τ и зависимость интенсивности
люминесценции I(t) от времени t – в простейшем случае после выключения облучающего излучения интенсивность люминесценции убывает по экспоненциальному закону:
I (t) I0e t / ,
где I0 – начальная интенсивность люминесценции; τ – длительность или время затухания люминесценции, т.е. время, в течение которого интенсивность люминесценции уменьшается в е раз.
4. Квантовый выход люминесценции q – отношение числа квантов электромагнитного излучения, испущенных в единицу времени, к числу квантов, поглощенных в единицу времени, определяет эффективность превращения энергии возбуждающего света в энергию люминесценции.
Люминесценция отдельных молекул и твердых тел зависит от структуры их энергетических уровней.
Диаграмма энергетических уровней молекул
Согласно квантовой теории молекула имеет дискретные энергетические состояния (уровни). При поглощении кванта света (фотона) энергия молекулы возрастает и молекула переходит с более низкого на более высо-
кий энергетический уровень. Полная энергия молекулы Е складывается из энергии электронного возбуждения Еэл, энергии колебания ядер Екол и энергии вращения молекулы как целого Евр:
2
Е = Еэл + Екол + Евр.
Из теоретических и экспериментальных оценок известно, что
Еэл > Екол > Евр.
На рис. 1 представлена упрощенная схема энергетических уровней молекулы. Здесь каждому электронному состоянию (на схеме они обозна-
чены символами S0 и S1 слева) соответствует система колебательновращательных уровней (они пронумерованы числами 0, 1, 2 и т. д.). Равно-
весное распределение молекул по колебательно-вращательным уровням |
|
невозбужденного S0 и возбужденного S1 электронных состояний описыва- |
|
ется формулой Больцмана |
|
ni = n0 exp(–Eiкол-вр/kT), |
(1) |
где n0 – общее число молекул; ni – число молекул на i-м |
уровне; |
Eiкол-вр = Екол + Евр – энергия колебательно-вращательного уровня i; k – постоянная Больцмана, T – температура.
S1
Еэл+Екол+Евр
S0
Колебательная релаксация
Поглощение
Излучение (люминесценция) |
Безызлучательный переход |
3
2
1
0
3
2
1
0
Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней молекулы
3
При низких температурах подавляющее большинство молекул находится в соответствии с формулой (1) на нулевых уровнях электронных со-
стояний S0 и S1. Поэтому при этих температурах переходы с поглощением
света в основном происходят с уровня 0 состояния S0 ( на рисунке – широкая стрелка, направленная вверх). Переходы между электронноколебательными уровнями могут сопровождаться не только поглощением, но и испусканием света. В соответствии с правилами отбора Бора частота молекулярных переходов ν определяется изменением энергии системы:
Ehэл Eколh вр ,
где Еэл, Екол-вр – изменения электронной и колебательно-вращательной энергий соответственно при молекулярных переходах.
Молекулы, попавшие на верхние колебательно-вращательные уровни любого электронного состояния, очень быстро теряют избыток колеба- тельно-вращательной энергии и переходят без излучения на нулевой уровень. Этот процесс называется колебательной релаксацией. На рисунке такие переходы обозначены волнистыми стрелками. Таким образом, в результате поглощения кванта света молекула в конечном счете оказывается
на нижнем (нулевом) уровне возбужденного состояния S1.
Переход с нижнего уровня S1 в невозбужденное состояние S0 может осуществляться двумя путями:
1)безызлучательно (на рисунке безызлучательный переход обозначен штриховой стрелкой); в этом процессе электронная энергия переходит
вколебательную или передается другой молекуле в результате, например, столкновения;
2)излучательно (излучательные переходы обозначены сплошными стрелками, направленными вниз) – это и есть люминесценция.
Следует отметить, что:
а) частоты, на которых люминесцирует молекула, меньше частоты возбуждающего света из-за колебательной релаксации в возбужденном S1 и
основном S0 электронных состояниях;
б) спектр люминесценции не зависит от частоты возбуждающего света, так как переходы, дающие вклад в люминесценцию, происходят с
уровня 0 состояния S1.
С точки зрения элементарных процессов люминесценция – это спонтанное (самопроизвольное) излучение, которое происходит после завершения всех релаксационных процессов и установления теплового равновесия в возбужденном электронном состоянии.
4