Реферат по физике на тему Люминисценция. Реферат по физике на тему Люминисценция в ыполнил студент Руководитель к ф. м н. доцент Л. Н
 Скачать 104.45 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГБОУ ВО ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Физика» Реферат по физике на тему Люминисценция Выполнил студент Руководитель: к.ф.м.н. доцент Л.Н. Туманова Пенза 2019 СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 1 Определение люминисценции 4 2 Классификация явлений люминесценции 5 2.1 По типу возбуждения 5 2.2 По длительности 5 2.3 В зависимости от характера элементарных процессов 5 3 Спектры люминесценции 8 4 Выход люминесценции 9 5 Применение люминесценции 10 Список использованных Источников 12 Введение Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке. Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфоров, для нанесения на шкалы приборов, предназначенных для использования в темноте. Особого внимания в СССР люминесценция не привлекала вплоть до 1948 года, когда советский учёный С. И. Вавилов на сессии Верховного совета предложил начать изготовление экономичных люминесцентных ламп и использовать люминесценцию в анализе химических веществ. В быту явление люминесценции используется чаще всего в люминесцентных лампах «дневного света» и электронно-лучевых трубках кинескопов. На использовании явления люминесценции основано явление усиления света, экспериментально подтверждённое работами В. А. Фабриканта и лежащее в основе научно-технического направления квантовой электроники, конкретно находящее своё применение в усилителях света и генераторах стимулированного излучения (лазерах). Определение люминисценции Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть — признак длительности — введена С. И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения — отражения и рассеяния светла, а также от вынужденного испускания, тормозного излучения заряженных частиц. Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Для поддержания стационарной люминесценции этот источник должен быть внешним. Нестационарная люминесценция может происходить во время перехода тела в равновесное состояние после предварительного возбуждения (затухание люминесценции). Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам. Элементарные акты возбуждения молекул и испускания света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Из определения люминесценции следует, также, что это понятие применимо только к телам имеющим определённую температуру. В случае сильного отклонения от теплового равновесия говорить о температурном равновесии или люминесценции не имеет смысла. Классификация явлений люминесценции По типу возбуждения В зависимости от способа возбуждения вещества выделяют различные виды люминисценции: фотолюминесценция – возникает при возбуждении вещества оптическим излучением (обычно УФ-диапазона); электролюминесценция – при возбуждении электрическим полем; рентгенолюминесценция – при возбуждении рентгеновскими лучами; катодолюминесценция – при возбуждении потоками электронов; ионолюминесценция – при возбуждении пучком ионов; радиолюминесценция – при возбуждении радиоактивным излучением; хемилюминесценция – в результате химических реакций (хемилюминесценцию живых организмов называют биолюминесценцией). Известны многие другие виды люминесценции. По длительности По длительности люминесценции различают: флуоресценцию (короткое свечение, время жизни 10−9 − 10−6 с); фосфоресценцию (длительное свечение, 10−3−10 с). В зависимости от характера элементарных процессов Резонансная люминесценция (чаще называется резонансной флуоресценцией) наблюдается в атомных парах (ртути, натрия и др.) у некоторых простых молекул и, иногда, в более сложных системах. Излучение имеет спонтанный характер и происходит с того же энергетического уровня, которые достигаются при поглощении энергии возбуждающего света. При повышении плотности паров резонансная люминесценция переходит в резонансное рассеяние. С квантовой точки зрения для атомного резонанса необходимо, чтобы энергия падающего фотона совпала с энергией одного из уровней атома, рисунок 1.  Резонансная флуоресценция Спонтанная люминесценция состоит в том, что под воздействием источника люминесценции вначале происходит возбуждение атомов (молекул или ионов) на промежуточные возбуждённые энергетические уровни - далее с этих уровней происходят излучательные, а чаще безызлучательные переходы на уровни, с которых излучается люминесцентное свечение. Такой вид люминесценции наблюдается у сложных молекул в парах и растворах, у примесных центров в твёрдых телах. Вынужденная (метастабильная) люминесценция характерна тем, что под действием источника люминесценции происходит переход на метастабильный уровень, а затем следует переход на уровень люминесцентного излучения. Примером является фосфоресценция органических веществ. Схема метастабильной люминесценции показана на рисунке 2.  Схема квантовых переходов при метастабильной люминесценции Метастабильное состояние квантовых систем – это возбуждённое состояние атомных систем (атомов, молекул), которые могут существовать длительное время и, т. о., стабильны. Атомы и молекулы в метастабильном состоянии квантовых систем играют важную роль в элементарных процессах, например в разрежённых газах: энергия возбуждения может длительное время сохраняться частицами, находящимися в метастабильном состоянии квантовых систем, и затем передаваться другим частицам при столкновении, что вызывает послесвечение. Рекомбинационная люминесценция происходит в результате воссоединения частиц, разделившихся при поглощении возбуждающей энергии. В газах может происходить рекомбинация радикалов или ионов, в результате которой возникает молекула в возбуждённом состоянии. Последующий переход в основное состояние может сопровождаться люминесценцией. В твёрдых кристаллических телах рекомбинационная люминесценция возникает в результате появления неравновесных носителей заряда (электронов или дырок) под действием какого-либо источника энергии. Различают рекомбинационную люминесценцию при переходах «зона – зона» и люминесценцию дефектных или примесных центров (т. н. центров люминесценции). Во всех случаях процесс люминесценции может включать захват носителей на ловушках с их последующим освобождением тепловым или оптическим путём, т. е. включать элементарный процесс, характерный для метастабильной люминесценции. В случае люминесценции центров, рекомбинация состоит в захвате дырок на основной уровень центра и электронов на возбуждённый уровень. Излучение происходит в результате перехода центра из возбуждённого состояния в основное. Рекомбинационная люминесценция наблюдается в кристаллофосфорах и типичных полупроводниках, например германии и кремнии. Независимо от механизма элементарного процесса, ведущего к люминесценции, излучение, в конечном случае, происходит при спонтанном переходе из одного энергетического состояния в другое. Спектры люминесценции Спектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины волны испускаемого света. Наиболее простые — атомные спектры, в которых указанная выше зависимость определяется только электронным строением атома. Спектры молекул гораздо более сложные вследствие того, что в молекуле реализуются различные деформационные и валентные колебания. При охлаждении до сверхнизких температур сплошные спектры люминесценции органических соединений, растворённых в определённом растворителе, превращаются в квазилинейчатые. Это явление получило название эффекта Шпольского. Принцип Франка-Кондона Часть электронной энергии при поглощении и испускании света должна расходоваться на увеличение колебаний структуры, превращаться в тепло. Явление наблюдается в результате резкого изменения градиента электронной энергии около ядер при возбуждении и релаксации. Правило Стокса-Ломмеля Спектр люминесценции, как правило, сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Данное правило принято объяснять потерей некоторой части поглощённой энергии на тепловое движение молекул. Отметим, что существует антистоксовский люминофор излучающий более коротковолновое излучение чем падающее. Как правило одно и тоже вещество способно испускать излучение как в стоксовой, так и в антистоксовой областях спектра, относительно частоты возбуждающего люминесценцию излучения. Постоянство спектра люминесценции Независимо от способа возбуждения и длины волны возбуждающего света спектр люминесценции остаётся неизменным при данной температуре. Данное правило справедливо только в случае использования одного и того же источника возбуждения, возбуждаемой среды, системы регистрации излучения люминесценции. Множество разрешённых энергетических уровней в атоме/молекуле, а также множество длин волн источников возбуждения люминесценции позволяет для используемой среды получать множество спектров люминесценции в разных областях спектра и не повторяющих друг друга. Правило зеркальной симметрии (Левшина) Спектральные линии испускания и поглощения в координатах частоты являются взаимным зеркальным отражением. Положение оси симметрии показывает энергию чисто электронного перехода. Данным свойством обладают в основном жидкие люминофоры; исследования последних лет показали, что оно может быть справедливо и для сред в иных агрегатных состояниях. Выход люминесценции Выход — одна из важнейших характеристик люминесценции. Выделяют квантовый выход и энергетический выход. Под квантовым выходом понимают величину, показывающую отношение среднего числа излучённых квантов на один поглощённый:  где: Nизл – число излучённых квантов, Nп – число поглощённых квантов. Вавиловым было показано, что квантовый выход в растворах не зависит от длины волны возбуждающего света. Это связано с огромной скоростью колебательной релаксации, в ходе которой возбуждённая молекула передаёт избыток энергии молекулам растворителя. Энергетический выход — отношение энергии излучённых квантов к энергии поглощённых:  где ν — частота излучения. Энергетический выход с ростом длины волны возбуждающего света сначала растёт пропорционально длине волны возбуждающего её света, затем остаётся постоянным и после некоторой граничной длины волны резко падает вниз (закон Вавилова). Применение люминесценции Сильная зависимость характеристик люминисценции от состава вещества и условий его возбуждения существенно осложняет её исследование и применение. Однако именно это свойство люминисценции даёт более глубокое понимание природы физических явлений. Чувствительность характеристик люминисценции к небольшим изменениям состава и строения вещества лежит в основе методов люминесцентного анализа. Исследования люминисценции способствуют разработке новых лазерных сред, в том числе перспективных пар рабочих ионов (например, ионов хрома и неодима), обеспечивающих увеличение КПД лазерного излучения. Ещё в 1930 С. И. Вавиловым были предложены люминесцентные лампы, современная модификации которых используются и в 21 в. Большой практический интерес представляет электролюминесценция, позволяющая создавать малогабаритные экономичные источники света с рабочим напряжением всего 3–4 В. Активно используются светоизлучающие диоды на основе полупроводниковых соединений, в т. ч. металлоорганических, представляющие собой многослойные тонкоплёночные структуры, толщина слоёв которых доходит до 10–100 нм. Люминофоры с высокой инерционностью люминисценции используются, например, для аварийного освещения различных помещений. Люминофоры с коротким послесвечением применяются в сцинтилляционных счётчиках радиоактивных излучений, в которых удаётся регистрировать одиночные α-, β- и γ-частицы. Различные виды люминисценции используются для визуализации изображений. Список использованных Источников Тимофеев Ю. П. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ // Большая российская энциклопедия. Электронная версия (2017); https://bigenc.ru/physics/text/2162586 Дата обращения: 25.12.2019 Ландсберг Г.С. Оптика / Ландсберг Г.С. – М.: Наука, 1976. Шпольский Э.В. Атомная физика. Т.1 и Т.2. / Шпольский Э.В. – М.: Лань-Пресс, 2010 Столяров К.П. Введение в люминесцентный анализ неорганических веществ / Столяров К.П., Григорьев Н.Н. — Л., Химия. Ленингр. отд-ние, 1967 |