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Lumineszenz: Typen, Methoden und Anwendungen. Thermisch stimulierter Lumineszenz – was ist das?

Luminescence – ist die Emission von Licht, das von bestimmten Materialien in einem relativ kalten Zustand. Sie unterscheidet sich von der Strahlung der Glühkörper wie das Verbrennen von Holz oder Kohle, einer Eisenschmelze und einem durch einen elektrischen Strom erhitzt Draht. Lumineszenzemission wird beobachtet:

  • in Neon und Fluoreszenzlampen, Fernsehgeräten, Radarschirmen und Fluoroskope;
  • in organischen Substanzen, wie Luminol oder Luciferin in Glühwürmchen;
  • in bestimmten Pigmenten in der Außenwerbung verwendet werden;
  • mit Blitz und Aurora.

In all diesen Erscheinungen wird die Lichtemission durch Erwärmen des Materials über der Raumtemperatur nicht verursacht, so wird es kalt Licht. Der praktische Wert der Leuchtstoffe ist ihre Fähigkeit , die unsichtbare Energieform in einem verwandeln sichtbares Licht.

Quellen und Verfahren

Lumineszenz-Phänomen tritt als Folge des Energieabsorptionsmaterials, beispielsweise aus einer Quelle für ultraviolette oder Röntgenstrahlen, Elektronenstrahlen, chemische Reaktionen, und so weiter. d. Dies führt zu den Stoffatom in einen angeregten Zustand. Da es instabil ist, wird das Material wieder in den ursprünglichen Zustand, und die absorbierte Energie als Licht und / oder Wärme freigesetzt. Der Prozess umfasst nur die äußeren Elektronen. Lumineszenzeffizienz hängt von dem Grad der Umwandlung von Anregungsenergie in Licht um. Die Anzahl von Materialien, die eine ausreichende Leistung für den praktischen Einsatz haben, ist relativ klein.

Lumineszenz und Weißglut

Lumineszenzanregung ist nicht auf die Anregung der Atome bezogen. Wenn heiße Materialien beginnen als Ergebnis Glühbirnen zum Leuchten sind ihre Atome in einem angeregten Zustand. Obwohl sie bereits bei Raumtemperatur schwingt, ist es ausreichend, dass die Strahlung im fernen Infrarot-Spektralbereich aufgetreten. Mit steigender Temperatur verschiebt sich die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im sichtbaren Bereich. Auf der anderen Seite, bei sehr hohen Temperaturen, die beispielsweise erzeugt werden, in Zündschläuchen kann Atomkollisionen so stark sein, dass die Elektronen von ihnen getrennt werden und rekombinieren, Licht emittiert. In diesem Fall Lumineszenz und Glühlampen ununterscheidbar.

Fluoreszierende Pigmente und Farbstoffe,

Herkömmliche Pigmente und Farbstoffe haben Farbe, wie sie jenen Teil des Spektrums reflektieren, die absorbiert komplementär ist. Ein kleiner Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt, sondern eine signifikante Emission auftritt. Wenn jedoch das Leuchtstoffpigment Licht im Bereich von einem bestimmten Bereich absorbiert, können sie Photonen aussenden, die sie von Reflexion. Dies geschieht als Folge der Prozesse innerhalb des Farbstoff- oder Pigmentmoleküls, mit dem UV-Licht in sichtbares kann umgewandelt werden, beispielsweise blaues Licht. Solche Lumineszenzmethoden sind in der Außenwerbung und in Waschmitteln verwendet. Im letzteren Fall bleiben die „Klärbecken“ im Gewebe nicht nur die weißen zu reflektieren, sondern auch UV-Strahlung in blau, gelb kompensieren und die Verbesserung der Weiß zu konvertieren.

frühe Studien

Obwohl Blitz aurora und stumpf glow von Glühwürmchen und Pilzen haben immer den Menschen bekannt sind, begannen die ersten Leucht Studien mit dem Kunststoffmaterial, wenn Vincenzo Kaskariolo alchemist und Schuster von Bologna (Italien), 1603 g. Erhitzte Mischung aus Bariumsulfat (Baryt in der Form, Schwerspat) mit Kohle. Das erhaltene Pulver nach dem Abkühlen, Nacht blaue Lumineszenz emittiert wird, und Kaskariolo bemerkt, dass es, indem man das Pulver Sonnenlicht wieder hergestellt werden kann. Die Substanz wurde „solaris Lapislazuli“ genannt oder sunstone, weil Alchemisten zu hoffen, dass es in der Lage ist, unedle Metalle in Gold zu verwandeln, das Symbol von dem die Sonne. Afterglow hat das Interesse vieler Wissenschaftler der Zeit, was Materialien und andere Namen verursacht werden, einschließlich „Phosphor“, die „Lichtträger“ bedeutet.

Heute steht der Name „Phosphor“ wird nur für das chemische Element verwendet, während die mikrokristalline Lumineszenzmaterial einen Leuchtstoff genannt. „Phosphor“ Kaskariolo war offenbar Bariumsulfid. Der erste kommerziell erhältliche Phosphor (1870) wurde eine „maler Balmain“ – Lösung von Calciumsulfid. eine der wichtigsten in der modernen Technik – Im Jahr 1866 wurde es in der ersten stabilen Zinksulfid-Phosphor von beschrieben.

Eine der ersten wissenschaftlichen Studien der Lumineszenz, die an verrottenden Holz oder Fleisch und Glühwürmchen manifestieren, im Jahr 1672 von dem englischen Wissenschaftler Robert Boyle wurde durchgeführt, die, obwohl er nicht über den biochemischen Ursprung dieses Lichts nicht kannte, noch einige der grundlegenden Eigenschaften von Biolumineszenz-Systemen festgelegt:

  • Glow Kälte;
  • es kann durch chemische Mittel wie Alkohol, Salzsäure und Ammoniak unterdrückt werden;
  • Strahlung erfordert den Zugriff auf die Luft.

In den Jahren 1885-1887 wurde beobachtet, dass Rohextrakten von Glühwürmchen West Indian (Pyrophorus) und Muschel Foladi wenn produzieren Licht gemischt.

Die ersten wirksamen chemolumineszierende Materialien waren nicht-biologische synthetische Verbindungen wie Luminol, in 1928 Jahren entdeckt.

Chemi- und Biolumineszenz

Der größte Teil der Energie in den chemischen Reaktionen freigesetzt, insbesondere Oxidationen, hat die Form von Wärme. In einigen Reaktionen, sondern ein Teil verwendet, um Elektronen zu erregen, bis zu höheren Ebenen und in fluoreszierenden Molekülen vor der Chemilumineszenz (CL). Studien zeigen, dass CL ein universelles Phänomen ist, aber die Lumineszenz-Intensität ist so klein, dass sie die Verwendung von empfindlichen Detektoren erfordern. Es gibt jedoch einige der Verbindungen, die lebendige CL aufweisen. Die bekanntesten von ihnen ist Luminol, die mit Wasserstoffperoxid bei der Oxidation ein starkes blaues oder blau-grünes Licht ergeben können. Weitere Stärken von CL-Stoffe – und Lucigenin lofin. Trotz ihrer Helligkeit CL, nicht alle von ihnen sind wirksam bei der chemischen Energie in Licht umwandelt, das heißt. K. Weniger als 1% des Moleküls emittieren Licht. In den 1960er Jahren wurde festgestellt, daß die Ester von Oxalsäure, oxidiertes in wasserfreien Lösungsmitteln in Gegenwart von stark fluoreszierenden aromatischen Verbindungen helle Licht mit einem Wirkungsgrad von 23% emittieren.

Biolumineszenz ist eine spezielle Art von Chemilumineszenz durch Enzyme katalysiert wird. Die Lumineszenzausbeute dieser Reaktionen kann 100% erreichen, was bedeutet, daß jedes Molekül von Luciferin Reaktant Zustand eintritt aussendet. Alle heute bekannten Biolumineszenzreaktion katalysierten Oxidationsreaktionen in Gegenwart von Luft erfolgt.

thermisch stimulierte Lumineszenz

Thermolumineszenz bedeutet, dass keine Wärmestrahlung, sondern die Lichtemissionsmaterialien zu stärken, um die Elektronen, die durch Wärme angeregt werden. Thermisch Lumineszenz in einigen Mineralien und vor allem in Kristall Phosphore beobachtet stimuliert, nachdem sie durch Licht angeregt worden war.

Photolumineszenz

Photolumineszenz, die auf dem Material unter der Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung, stattfindet, kann im Bereich des sichtbaren Lichts durch die ultraviolette bis Röntgen- und Gammastrahlung erfolgen. In Lumineszenz, induziert durch Photonen, die Wellenlänge des emittierten Lichts ist in der Regel gleich oder größer als die Wellenlänge des Anregungs (m. E. gleich oder weniger Leistung). Dieser Unterschied in der Wellenlänge, die durch die Umwandlung der eintretenden Energie in Schwingungen von Atomen oder Ionen verursacht wird. Manchmal mit intensiver Laserstrahl, emittiert Licht, das eine kürzere Wellenlänge haben.

Die Tatsache, dass die PL kann durch UV-Strahlung angeregt werden, von dem deutschen Physiker Johann Ritter im Jahr 1801 entdeckt wurde, bemerkte er, dass die Phosphore im unsichtbaren Bereich des violetten Teils des Spektrums leuchten hell und öffnete somit die UV-Strahlung. Die Umwandlung von UV bis sichtbares Licht ist von großer praktischer Bedeutung.

Gamma- und Röntgenstrahlen erregen Phosphore und andere kristalline Materialien in den Lumineszenz Zustand durch Ionisierung durch Rekombination von Elektronen und Ionen an, wobei Lumineszenz auftritt. Die Verwendung ist es in der Durchleuchtung in der Radiologie verwendet, und Szintillationszähler. Die letzte Platte und Messen der Gammastrahlung auf einer Platte mit einem Leuchtstoff beschichtet gerichtet, die mit der Oberfläche des Photovervielfachers in optischem Kontakt ist.

Tribolumineszenz

Wenn die Kristalle einiger Substanzen, wie Zucker, crushed, sichtbare Funken. Das gleiche ist in vielen organischen und anorganischen Substanzen beobachtet. Alle diese Arten von Lumineszenz, die durch die positive und negative elektrische Ladungen. Recent durch mechanische Trennflächen im Kristallisationsverfahren hergestellt. Die Lichtemission erfolgt dann durch Entladen – entweder direkt zwischen den Einheiten der Moleküle, entweder durch Anregung der Lumineszenz von der Atmosphäre in der Nähe der Oberfläche getrennt.

Elektrolumineszenz

Als Thermolumineszenz, Elektrolumineszenz (EL), der Begriff unterschiedliche Lumineszenz- gemeinsamen Merkmal von denen ist, dass Licht emittiert wird, wenn eine elektrische Entladung in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen. 1752 etablierte Bendzhamin Franklin die Lumineszenz von blitzinduzierten elektrischen Entladung durch die Atmosphäre. Im Jahr 1860 wurde die erste Entladungslampe in der Royal Society of London unter Beweis gestellt. Sie produzierte ein helles weißes Licht mit einer Hochspannungsentladung durch das Kohlendioxid bei niedrigem Druck. Moderne Leuchtstofflampen auf einer Kombination von Elektrolumineszenz und Photolumineszenz Quecksilberatom durch elektrische Entladungslampe angeregt basieren, die ultraviolette Strahlung, die von ihr emittiert wird, in sichtbares Licht durch den Leuchtstoff umgewandelt.

EL an den Elektroden während der Elektrolyse beobachtet aufgrund der Rekombination von Ionen (und damit eine Art von Chemilumineszenz). Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes in den dünnen Schichten von lumineszenten Zinksulfid-Emission von Licht stattfindet, das auch als Elektrolumineszenz bezeichnet wird.

Eine große Anzahl von Materialien emittiert Lumineszenz unter dem Einfluss der beschleunigten Elektronen – Diamant, Rubin, Kristall Phosphor und bestimmten komplexen Platinsalz. Die erste praktische Anwendung von Kathodolumineszenz – Oszilloskope (1897). Ähnliche Bildschirm verbesserte kristalline Leuchtstoffe verwenden, sind in Fernsehgeräten, Radargeräten, Oszilloskope und Elektronenmikroskope verwendet.

von Radio

Radioaktive Elemente können Alphateilchen (Heliumkerne), Elektronen und gamma-Strahlen (ein hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung) emittiert. Strahlungs Lumineszenz – ein Glühen durch die radioaktive Substanz angeregt wird. Wenn Alphateilchen bombardieren kristallinen Leuchtstoff, unter dem Mikroskop sichtbar winzigen flackern. Dieses Prinzip englischen Physiker Ernest Rutherford, zu beweisen , dass das Atom einen zentralen Kern hat. Selbstleuchtende Farbe verwendet zur Kennzeichnung von Uhren und andere Werkzeuge sind auf der RL basiert. Sie bestehen aus dem Phosphor und der radioaktiven Substanz, beispielsweise Tritium oder Radium. Beeindruckende Natur Lumineszenz – ist die Aurora borealis: radioaktive Prozesse auf der Sonne strahlen in den Raum große Massen von Elektronen und Ionen. Als sie die Erde nähern, leitet sie ihre Erdmagnetfeld zu den Polen. Gasentladungs-Prozesse in den oberen Schichten der Atmosphäre und eine berühmte Aurora erstellen.

Lumineszenz: Physik des Prozesses

Emission von sichtbarem Licht (d. E. Bei Wellenlängen zwischen 690 nm und 400 nm) Anregung erfordert Energie, die zumindest Einstein Gesetz bestimmt wird. Energie (E) gleich der Planckschen Konstante (h), von der Frequenz des Lichts multipliziert (ν) oder seine Geschwindigkeit im Vakuum (c), dividiert durch die Wellenlänge (λ): E = h & ngr; = hc / λ.

Somit wird die Energie für die Anregung benötigten im Bereich von 40 Kilokalorien (für rot) bis 60 kcal (für Gelb), und 80 Kalorien (zu purpur) pro Mol der Substanz. Eine weitere Möglichkeit , Energie auszudrücken – in Elektronenvolt (1 eV = 1,6 × 10 -12 erg) – 1,8 bis 3,1 eV.

Die Anregungsenergie wird an Elektronen, die für die Lumineszenz überführt, die auf einen höheren, von seinem Boden springen. Diese Bedingungen werden durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt. Verschiedene Mechanismen der Anregung hängt davon ab, ob kommt es in einzelne Atome und Moleküle, oder in Kombinationen von Molekülen im Kristall. Sie werden durch die Wirkung der beschleunigten Teilchen, wie Elektronen, positive Ionen oder Photonen initiiert.

Oft ist die Anregungsenergie deutlich höher als ein Elektron an Strahlung erhöhen erforderlich. Zum Beispiel Leuchtstofflumineszenz-Fernsehbildschirm, die Kathode Elektronen mit mittleren Energien von 25.000 Volt erzeugt. Nichtsdestotrotz ist die Farbe von fluoreszierendem Licht nahezu unabhängig von der Teilchenenergie. Es wird von der Ebene des angeregten Zustands der Kristallenergiezentren beeinflusst.

Leuchtstofflampen

Die Partikel, durch die Lumineszenz auftritt – diese äußere Elektronen von Atomen oder Molekülen. In Leuchtstofflampen, wie Quecksilberatom unter dem Einfluss von Energie 6,7 eV oder mehr, angetrieben auf eine höhere Ebene einer der beiden äußeren Elektronen anheben. Nach seiner Rückkehr in den Grundzustand wird die Differenz in der Energie, wie ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 185 nm emittiert. Der Übergang zwischen der Basis und einem anderen Niveau erzeugt ultraviolette Strahlung bei 254 nm, die wiederum anderen Phosphorerzeugungs sichtbares Licht anregen können.

Diese Strahlung ist besonders intensiv im Niederdruck – Quecksilberdampf (10 -5 atm) verwendete in Gasentladungslampen mit niedrigem Druck. So etwa 60% der Elektronenenergie umgewandelt wird in ein monochromatisches UV – Licht.

Bei hohem Druck, erhöht die Frequenz. nicht länger Spektren einer Spektrallinie von 254 nm besteht, und die Strahlungsenergie aus den Spektrallinien entsprechend unterschiedlichen elektronischen Ebenen verteilt ist: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 und 578 nm. Quecksilber-Hochdrucklampen sind für die Beleuchtung, da die sichtbare 405-546 nm blau-grünes Licht verwendet, während der Strahlung in dem roten Licht unter Verwendung eines Phosphors als ein Ergebnis weiß wird die Umwandlung Teil.

Wenn Gasmoleküle angeregt werden, zeigen ihre Lumineszenspektren breiten Bändern; nicht nur Elektronen werden auf das Niveau höherer Energie, aber gleichzeitig angeregt Schwingungs- und Rotationsbewegung der Atome im Großen und Ganzen erhöht. Dies liegt daran , Schwingungs- und Rotationsenergie der Moleküle 10 -2 und 10 -4 der Übergangsenergien, die eine Vielzahl von leicht unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten einer einzelnen Bande definieren aufaddieren. Die größeren Moleküle haben mehr überlappenden Streifen, eine für jede Art des Übergangs. Strahlungsmoleküle in Lösung in vorteilhafter Weise binden dass durch das Zusammenwirken von einer relativ großen Anzahl von angeregten Molekülen und Lösungsmittelmolekülen verursacht. In den Molekülen, wie sie in den beteiligten Atome in die Lumineszenz äußeren Elektronen von Molekülorbitalen.

Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Diese Begriffe können unterschieden werden nicht nur auf der Grundlage der Dauer der Lumineszenz, sondern auch durch ihr Herstellungsverfahren. Wenn ein Elektron zu einem Singulett – Zustand mit tenure darin 10 -8 s angeregt wird, aus dem sie leicht auf den Boden zurückbringen können, emittiert die Substanz seine Energie als Fluoreszenz. Während des Übergangs wird der Spin nicht ändern. Basic und angeregte Zustände haben eine ähnliche Vielfalt.

Electron, kann jedoch auf ein höheres Energieniveau angehoben werden (so genannten „ein angeregter Triplett-Zustand“) mit dem Rücken Behandlung. In der Quantenmechanik verboten die Übergänge aus dem Triplett-Zustand in den Singulett, und daher wird die Zeit ihres Lebens viel mehr. Daher ist die Lumineszenz in diesem Fall viel mehr langfristig: Es Phosphoreszenz ist.