From Wikipedia, the free encyclopedia
Luminiscence ir spontāna elektromagnētiskā starojuma emisija, kuru neizsauc melna ķermeņa starojums, bet gan enerģijas atbrīvošanās, elektroniem pārejot no ierosināta stāvokļa uz pamatstāvokli. Luminiscences ilgums ievērojami pārsniedz gaismas svārstību periodu 10−15 s.[1]
Luminiscences emitētais starojums novērojams elektromagnētisko viļņu skalas optiskajā diapazonā, ietverot daļu ultravioletā starojuma un tuvo infrasarkano starojumu. Luminiscenci dēvē arī par auksto gaismu. Svarīgi saprast, ka luminiscence fundamentāli atšķiras no kvēles jeb sakarsēta melna ķermeņa starojuma. Kvēli izsauc augsta materiāla temperatūra un novērojama visiem elementiem, kuri nemaina agregātstāvokli augstajā temperatūrā.[2] Kvēli tipiski novēro no 550 °C līdz 1300 °C , bet luminiscence vispārīgā gadījumā nav atkarīga no materiāla temperatūras un novērojama no 3 K līdz agregātstāvokļa maiņas robežai.
Interese par luminiscenci aizsākās 1602. gadā, kad tika atklāts izteikti spīdošais Boloņas akmens, kas pēc ķīmiskā sastāva ir BaSO4 ar piejaukumiem. Cilvēki mēģināja paši radīt šādus spīdošus materiālus, bieži vien izmantojot radioaktīvus elementus. Luminiscences pētījumu popularitāte strauji pieauga, sākot ar 1996. gadu, kad tika iegūts ilgi spīdošs stroncija alumināts, aktivēts ar eiropiju un disproziju. Šobrīd ir labi izpētīti zaļās un zilās krāsas luminofori, taču pēdējos gados pieaugusi interese par sarkaniem un infrasarkaniem luminiscējošiem materiāliem, īpaši tādēļ, ka tos varētu potenciāli izmantot medicīnā.[3]
Luminiscenci var novērot materiālos ar defektiem vai apzināti pievienotiem aktivatoru joniem. Šādiem materiāliem, absorbējot pietiekami lielu enerģiju, elektroni no pamatstāvokļa nonāk ierosinātā stāvoklī. Elektroniem, nonākot atpakaļ pamatstāvoklī, tiek izstaroti fotoni. Materiāli daļu enerģijas var zaudēt bezizstarojuma pārejās, tādēļ gaismas veidā emitētā enerģija visbiežāk ir mazāka par absorbētā starojuma enerģiju un attiecīgi izstarotā starojuma viļņa garums ir lielāks par ierosmes viļņa garumu. Šo enerģijas starpību sauc par Stoksa nobīdi. Iespējami arī gadījumi, kad absorbētā enerģija ir mazāka par emitēto, piemēram, augšuppārveidotās luminiscences procesos.
Luminiscences procesu skaidrošanai tiek izmantota cietvielu enerģijas līmeņu zonu shēma, kuru veido valences, vadītspējas un aizliegtā zona. Valences zonā visi enerģijas līmeņi ir aizpildīti un lādiņu kustība nenotiek. Savukārt vadītspējas enerģijas līmeņi ir tukši un, ja šajā zonā nokļūst elektroni, tie netraucēti pārvietojas. Luminiscentos materiālos starp vadītspējas un valences zonu atrodas aizliegtā zonā, kur ideālam materiālam nav enerģijas līmeņu, tātad nav arī lādiņu. Ievietojot kristālā piejaukumus, aizliegtajā zonā iebūvējas enerģijas līmeņi, kas kalpo kā luminiscences centri. Materiālā var rasties arī ķērājcentru līmeņi, kuri uzkrāj absorbēto enerģiju.
Ja luminiscents materiāls absorbē enerģiju, kura lielāka vai vienāda ar aizliegtās zonas platumu, lādiņš no valences zonas var nonākt vadītspējas zonā. No vadītspējas zonas tas, izstarojot termisko enerģiju, nonāk uz luminiscences centra līmeņiem. Pārejot no luminiscences centra līmeņiem uz pamatstāvokli, tiek izstaroti fotoni un tiek novērota luminiscence.
Luminiscentus materiālus raksturo to spīdēšanas intensitāte, ilgums un izstarotās gaismas viļņa garums.[4]
Luminiscenci iedala šādos tipos:
Ja luminiscence pēc ierosmes starojuma pārtraukšanas novērojama minūtes vai stundas, to dēvē par ilgspīdošo luminiscenci. Ilgspīdošā luminiscence tiek dēvēta arī par ilgi spīdošo fosforescenci vai ilgu pēcspīdēšanu, no angļu valodas: persistent luminescence, long-lasting phosphorescence, persistent phosphorescence, afterglow. Ilgspīdošas luminiscences procesos svarīga loma ir ķērājcentriem. Pievienojot materiālam aktivatorus, tie var aizliegtajā zonā radīt ne tikai luminiscences centra līmeņus, bet arī elektronu vai caurumu ķērājcentrus, kuros lādiņi var uzkavēties relatīvi ilgi un, lēnām atbrīvojoties, nodrošināt ilgspīdēšanu. Jo dziļāki ķērājcentri, jo lielāks spīdēšanas laiks, bet luminiscences intensitāte vājāka.[3][7][8]
Ilspīdošu materiālu pētījumiem bieži vien izmanto dzišanas kinētiku mērījumus un termostimulētās luminiscences metodes.
Ierosinot luminiscentu materiālu, daļa no absorbētās enerģijas uzkrājas ķērājcentros. Sildot materiālu, uzkrāto enerģiju iespējams atbrīvot, kā rezultātā novērojama termoluminiscence pie temperatūras, kas lielāka par istabas temperatūru. Noskaidrojot temperatūru pie kuras novērojams luminiscences starojuma intensitātes pieaugums, iespējams noteikt ķērājcentru dziļumu.
Vienkārša, bet plaši izmantota metode aptuvenu ķērājcentru dziļumu noteikšanai:
E=Tm/500
Tm — temperatūra(K), pie luminiscences intensitātes maksimuma
E — ķērājcentra dziļums (ev)
Dziļāki centri atbrīvosies pie lielākas temperatūras.[9]
Visbiežāk luminiscenti materiāli ir neorganiski, cieti savienojumi ar pašvielas defektiem vai pievienotiem piejaukumiem. Materiāla pamatmatricas var būt sulfīdi, silikāti, alumināti, gallāti, germanāti nitrīdi un daudzi citi dažādi ķīmiski savienojumi, kuriem iespējams pievienot dažādus piejaukumus, retzemju elementus, pārejas metālus vai citus ķīmiskos elementus. Piejaukumus bieži vien dēvē arī par aktivatoriem. Aktivatorus matricās pievieno zemās koncentrācijas, dažus mol%. Palielinot piejaukumu koncentrāciju, var sākt notikt enerģijas pārnese star to joniem, kā rezultātā enerģija izkliedējas un samazinās luminiscences intensitāte. Populārākie ilgspīdēšanai izmantojamie retzemju elementi: Eu2+, Eu3+, Tb3+, Dy3+, Tm2+, Yb2+, Yb3+, visbiežāk izmantotie pārejas metāli: Mn2+, Mn4+, Cr3+, Ti4+ un pamatgrupas elementi: Bi3+ un Pb2+.
Luminiscentiem materiāliem ir daudz dažādu pielietojumu gan ikdienā, gan zinātnē. Ar luminiscences mehānisma palīdzību var pārveidot vienu starojuma veidu citā, piemēram, UV starojumu pārvērst IR starojumā vai redzamajā gaismā. Šāds efekts tiek izmantots spuldzēs, displejos un mikroskopijā.[10]
Katram luminiscences tipam ir savs pielietojums.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.