Lumineszcencia
Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. április 27-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 13 szerkesztést igényelnek .Lumineszcencia (a lat. lumen , nemzetség esete luminis - fény és -escens - utótag, amely folyamatot vagy állapotot jelent, -ēscō - válni) - egy anyag nem termikus izzása, amely azután lép fel, hogy elnyeli a gerjesztési energiát. A lumineszcenciát először a 18. században írták le .
Kezdetben a lumineszcencia jelenségét világító festékek és úgynevezett foszfor alapú könnyű kompozíciók gyártására használták, sötétben történő használatra szánt műszerek mérlegére történő felvitelre. A lumineszcencia nem keltett nagy figyelmet a Szovjetunióban egészen 1948 -ig , amikor a szovjet tudós, S. I. Vavilov a Legfelsőbb Tanács ülésén javasolta a gazdaságos fénycsövek gyártásának megkezdését és a lumineszcencia alkalmazását a vegyi anyagok elemzésében. A mindennapi életben a lumineszcencia jelenségét leggyakrabban "nappali" fénycsövekben és kineszkópok katódsugárcsöveiben használják . A V. A. Fabrikant munkái által kísérletileg alátámasztott és a kvantumelektronika tudományos-technikai irányvonalát megalapozó fényerősítés jelensége a lumineszcencia jelenségének felhasználásán alapul , különösen fényerősítőkben és stimulált sugárzás generátorokban ( lézerekben ) találva alkalmazását. .
Általános jellemzők
"A test hőmérsékleti sugárzása feletti lumineszcenciatöbbletet abban az esetben nevezzük, ha ennek a többletsugárzásnak véges időtartama körülbelül 10-10 másodperc vagy több." Ezt a lumineszcencia kanonikus definícióját adta meg S. I. Vavilov szovjet tudós 1948 -ban . Ez azt jelenti, hogy egy lumineszcens tárgy fényereje a sugárzási hullámainak spektrális tartományában lényegesen nagyobb, mint egy teljesen fekete test fényessége ugyanabban a spektrumtartományban , amelynek hőmérséklete megegyezik a lumineszcens testével. [egy]
A definíció első része lehetővé teszi a lumineszcencia és a hősugárzás megkülönböztetését , ami különösen fontos magas hőmérsékleten, amikor a hősugárzás intenzívebbé válik. A lumineszcencia fontos jellemzője, hogy sokkal alacsonyabb hőmérsékleten is meg tud nyilvánulni, mivel nem használja fel a sugárzó rendszer hőenergiáját. Ezért a lumineszcenciát gyakran "hideg ragyogásnak" nevezik. A Vavilov által bevezetett időtartam-kritérium lehetővé teszi a lumineszcencia elkülönítését más típusú nem termikus sugárzásoktól: a fény szórása és visszaverődése, Raman-szórás , Cserenkov-sugárzás . Időtartamuk rövidebb, mint a fényhullám rezgési periódusa (azaz <10 −10 s).
A lumineszcencia fizikai természete az atomok vagy molekulák elektronjainak gerjesztett állapotból alapállapotba történő sugárzási átmeneteiből áll. Ebben az esetben különféle tényezők okozhatják kezdeti gerjesztésüket: külső sugárzás, hőmérséklet, kémiai reakciók stb.
A delokalizált elektronokat tartalmazó anyagok (konjugált rendszerek) a legerősebb lumineszcenciával rendelkeznek. Az antracén , a naftalin , az aromás aminosavakat és néhány protetikus csoportot tartalmazó fehérjék , számos növényi pigment és különösen a klorofill, valamint számos gyógyszer kifejezett lumineszcens képességgel rendelkezik. A lumineszcenciaanalízis során gyakran alkalmaznak olyan szerves anyagokat, amelyek képesek lumineszcens komplexeket képezni gyengén lumineszcens szervetlen vegyületekkel. Így a fluoreszcens titrimetriában gyakran használják a fluoreszceint .
Kezdetben a lumineszcencia fogalma csak a látható fényre vonatkozott. Jelenleg infravörös, látható, ultraibolya és röntgensugárzás sugárzására alkalmazzák (lásd az elektromágneses hullámskálát ).
A természetes lumineszcencia számos formáját nagyon régóta ismerik az emberek. Például a rovarok (szentjánosbogarak) izzása, a tengeri halak és a planktonok, az aurórák, az ásványok, a rothadó fa és más bomló szerves anyagok izzása. Jelenleg számos mesterséges lumineszcencia-gerjesztési módszert adnak a természetes formákhoz. A lumineszcenciára képes szilárd és folyékony anyagokat luminoforoknak nevezik (a latin lumen - fény és más görög phoros - hordozó szóból).
Ahhoz , hogy egy anyag lumineszcens tudjon lenni, a spektrumának diszkrétnek kell lennie , azaz energiaszintjeit tiltott energiájú sávokkal kell elválasztani. Ezért a szilárd és folyékony halmazállapotú fémek, amelyek folyamatos energiaspektrummal rendelkeznek, nem adnak lumineszcenciát. A fémekben lévő gerjesztési energia folyamatosan hővé alakul. És csak a rövidhullámú tartományban tapasztalhatnak a fémek röntgenfluoreszcenciát, vagyis a röntgensugárzás hatására másodlagos röntgensugarakat bocsátanak ki .
A lumineszcencia típusai
A testek lumineszcens fényét általában a következő típusokra osztják:
- A fotolumineszcencia olyan izzás, amely gerjesztő sugárzás hatására az optikai vagy ultraibolya hullámhossz-tartományban lép fel. Ez viszont fel van osztva
- fluoreszcencia (a gerjesztett állapot élettartama 10-9-10-6 s ) ;
- foszforeszcencia (a gerjesztett állapot élettartama 10-3-10 s);
- A kemilumineszcencia olyan fény, amely a kémiai reakciók energiáját használja fel;
- Katodolumineszcencia - gyors elektronokkal történő besugárzás okozza (katódsugarak);
- Sonolumineszcencia - a nagyfrekvenciás hang által okozott lumineszcencia;
- Radiolumineszcencia – amikor az anyagot ionizáló sugárzás gerjeszti ;
- Tribolumineszcencia - lumineszcencia, amely a fényporok dörzsölése, zúzása vagy felosztása során jelentkezik. A tribulumineszcenciát a kialakult villamosított részek között fellépő elektromos kisülések okozzák – a kisülési fény a foszfor fotolumineszcenciáját idézi elő .
- A biolumineszcencia az élő szervezetek izzási képessége, amelyet önállóan vagy szimbionták segítségével érnek el.
- Elektrolumineszcencia - akkor fordul elő, amikor elektromos áramot vezetnek át bizonyos típusú foszforokon.
- A kandolumineszcencia egy izzó fény.
- A termolumineszcencia olyan lumineszcens izzás, amely akkor lép fel, amikor egy anyagot melegítenek. A tudományos irodalom gyakran használja a termikusan stimulált lumineszcencia kifejezést , rövidítve TSL , ami ugyanaz.
Jelenleg a fotolumineszcencia a leginkább tanulmányozott.
A szilárd testekben háromféle lumineszcencia létezik:
- monomolekuláris lumineszcencia - a gerjesztés és a fénykibocsátás egyetlen atomon vagy molekulán belül történik;
- metastabil lumineszcencia - a gerjesztés és a fénykibocsátás egyetlen atomon vagy molekulán belül, de egy metastabil állapot részvételével történik;
- rekombinációs lumineszcencia - a gerjesztés és a fénykibocsátás különböző helyeken történik.
Lumineszcencia spektrumok
A lumineszcens spektrum a lumineszcens sugárzás intenzitásának a kibocsátott fény hullámhosszától való függése. A legegyszerűbbek az atomspektrumok, amelyekben a fent jelzett függést csak az atom elektronszerkezete határozza meg. A molekulák spektruma jóval összetettebb abból adódóan, hogy a molekulában különböző deformációs és nyújtási rezgések valósulnak meg. Ultraalacsony hőmérsékletre hűtve egy bizonyos oldószerben oldott szerves vegyületek folytonos lumineszcencia spektruma kvázi lineárissá válik. Ezt a jelenséget Shpolsky-effektusnak nevezik . Ez a kimutatási határ csökkenéséhez és a meghatározások szelektivitásának növekedéséhez, a lumineszcens elemzési módszerrel meghatározható elemek számának bővüléséhez vezet.
Franck-Condon elv
A fényelnyelés és -kibocsátás során keletkező elektronikus energia egy részét a szerkezet rezgésének növelésére kell fordítani, és hővé kell alakítani. A jelenséget az atommagok körüli elektronenergia gradiensének éles változásaként figyeljük meg a gerjesztés és a relaxáció során.
Stokes-Lommel szabály
A lumineszcencia spektrum általában az abszorpciós spektrumhoz képest hosszú hullámhosszok felé tolódik el. Ezt a szabályt általában azzal magyarázzák, hogy a molekulák hőmozgása során elnyelt energia egy része elveszik. Létezik azonban egy Stokes-ellenes fénypor , amely rövidebb hullámhosszú sugárzást bocsát ki, mint a beeső. Általában ugyanaz az anyag képes sugárzást kibocsátani a spektrum Stokes és anti-Stokes tartományában a lumineszcenciát gerjesztő sugárzás frekvenciájához képest.
Kashi szabálya
A gerjesztési módszertől és a gerjesztő fény hullámhosszától függetlenül a lumineszcencia spektrum adott hőmérsékleten változatlan marad. Mivel a lumineszcenciakvantumok emissziója mindig a molekula legalacsonyabb elektronikus gerjesztett szintjétől történik, a lumineszcencia spektrum mindig ugyanaz lesz, függetlenül attól, hogy az elektron melyik energiaszintre esett a foton abszorpciója következtében. Ez a szabály csak akkor érvényes, ha ugyanazt a gerjesztett közeget, a lumineszcens sugárzás detektáló rendszerét használjuk. Az atomban/molekulában megengedett energiaszintek halmaza, valamint a lumineszcencia-gerjesztő források hullámhossz-készlete lehetővé teszi, hogy a használt közeg olyan lumineszcencia spektrumot kapjon a spektrum különböző tartományaiban, amelyek nem ismétlik egymást. .
Levshin tükörszimmetria- szabálya
A frekvenciakoordinátákban az emisszió és abszorpció spektrális vonalai kölcsönös tükör-visszaverődések. A szimmetriatengely helyzete egy tisztán elektronikus átmenet energiáját mutatja. Ezzel a tulajdonsággal főleg a folyékony foszforok rendelkeznek; A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy más aggregációs állapotú médiákra is érvényes lehet.
Lumineszcencia kimenet
A hozam a lumineszcencia egyik legfontosabb jellemzője. A kvantumhozam és az energiahozam kiosztása . A kvantumhozam alatt értsük azt az értéket, amely a kibocsátott fotonok átlagos számának és az elnyelt fotonok számának arányát mutatja:
ahol:
- a kibocsátott kvantumok száma,
- az elnyelt kvantumok száma.
Vavilov kimutatta, hogy az oldatok kvantumhozama nem függ a gerjesztő fény hullámhosszától. Ennek oka a vibrációs relaxáció óriási sebessége, amely során a gerjesztett molekula felesleges energiát ad át az oldószermolekuláknak.
Az energiahozam a kibocsátott fotonok energiájának és az elnyelt fotonok energiájának aránya:
hol a sugárzási frekvencia. A gerjesztő fény hullámhosszának növekedésével az energiahozam először az azt gerjesztő fény hullámhosszával arányosan növekszik, majd állandó marad, majd egy bizonyos határhullámhossz után meredeken lefelé esik (Vavilov-törvény).
Lumineszcencia kioltás
A lumineszcencia hozama egységtől való eltérése az ún. kioltási folyamatok. Létezik koncentrációs, belső, hőmérsékleti, külső statikus és dinamikus kioltás.
A belső kioltás a belső konverzió és a rotációs-vibrációs relaxáció nem sugárzó átmeneteinek köszönhető. Legvilágosabban a nagyszámú konjugált kötést tartalmazó szimmetrikus struktúrákban, konformációsan nem merev struktúrákban nyilvánul meg.
A hőmérsékleti kioltás egyfajta belső. A hőmérséklet hatására megnő a molekula deformációs képessége, és ennek következtében nő a nem sugárzó átmenetek valószínűsége.
A külső statikus kioltás egy lumineszcens vegyület és egy másik molekula kölcsönhatásán és egy nem sugárzó termék képződésén alapul.
Dinamikus kioltás akkor következik be, amikor egy gerjesztett foszformolekula külső reakcióba lép, és elveszti tulajdonságait.
A koncentráció kioltása az anyag molekulái általi belső sugárzás elnyelésének eredménye.
Lásd még
- Fluoreszcencia
- Foszforeszcencia
- biolumineszcencia
- Kemilumineszcencia
- Szonolumineszcencia
- Elektrofoszforeszcencia
- luminoszkóp
- termolumineszcencia
Irodalom
- Shpolsky E. V. Atomfizika (2 kötetben). - M.1984 .: Tudomány, 1984.
- Landsberg G.S. Optika. - 6. kiadás, sztereó. - M. : FIZMATLIT, 2003. - 647 p.
- Lakovich J. A fluoreszcencia spektroszkópia alapjai. — M .: Mir, 1986. — 496 p.
- Harvey D. Modern analitikai kémia. - Boston, 2000. - 798 p.
- Stolyarov KP, Grigoriev NN Bevezetés a szervetlen anyagok lumineszcens elemzésébe. - L. , 1967. - 364 p.
- Zakharov IA, Timofeev VN Lumineszcens elemzési módszerek. - L. , 1978. - 95 p.
Linkek
Jegyzetek
- ↑ Landsberg G.S. Optika. - 6. kiadás, sztereó. — M.: FIZMATLIT, 2003. — 848 p.