 | Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )
|
Фосфоресценция - это тип фотолюминесценции, связанный с флуоресценцией . При воздействии света (излучения) с более короткой длиной волны фосфоресцирующее вещество будет светиться, поглощая свет и повторно излучая его с большей длиной волны. В отличие от флуоресценции, фосфоресцирующий материал не сразу переизлучает поглощаемое им излучение. Вместо этого фосфоресцирующий материал поглощает часть энергии излучения и повторно излучает ее в течение гораздо более длительного времени после удаления источника излучения.
В общем или разговорном смысле не существует четкой границы между временами излучения флуоресценции и фосфоресценции (то есть: если вещество светится черным светом, оно обычно считается флуоресцентным, а если оно светится в темноте, его часто просто называют фосфоресцентным. ). [1] В современном научном смысле явления обычно можно классифицировать по трем различным механизмам, которые производят свет, и типичным временным шкалам, в течение которых эти механизмы излучают свет. В то время как флуоресцентные материалы перестают излучать свет в течение наносекунд (миллиардных долей секунды) после удаления возбуждающего излучения, фосфоресцентные материалы могут продолжать излучать послесвечение в диапазоне от нескольких микросекунд до многих часов после снятия возбуждения. [2]
Есть два отдельных механизма, которые могут вызывать фосфоресценцию, называемые триплетной фосфоресценцией (или просто фосфоресценцией) и стойкой фосфоресценцией (или стойкой люминесценцией ). Триплетная фосфоресценция происходит, когда атом поглощает фотон с высокой энергией, и энергия становится заблокированной в множественности спинов электронов, обычно переходя из флуоресцентного «синглетного состояния» в «триплетное состояние» с более медленным испусканием. Более медленные временные рамки переизлучения связаны с " запрещенными " переходами энергетических состояний в квантовой механике.. Поскольку в некоторых материалах эти переходы происходят относительно медленно, поглощенное излучение повторно излучается с меньшей интенсивностью, в диапазоне от нескольких микросекунд до одной секунды после того, как возбуждение снято. С другой стороны, постоянные фосфоресценции происходит при высокой энергии фотонов поглощается атомом и его электрон оказывается в ловушке дефекта в решетке из кристаллического или аморфного материала. Дефект, такой как отсутствующий атом ( дефект вакансии ), может ловить электрон как ловушку., сохраняя энергию этого электрона до тех пор, пока не высвободится случайным всплеском тепловой (колебательной) энергии. Такое вещество затем будет излучать свет постепенно уменьшающейся интенсивности в диапазоне от нескольких секунд до нескольких часов после первоначального возбуждения. [3]
Повседневные примеры фосфоресцирующих материалов - светящиеся в темноте игрушки, наклейки, краски, наручные часы и циферблаты часов, которые светятся после зарядки ярким светом, например, при обычном освещении для чтения или в комнате. Обычно свечение медленно гаснет, иногда в течение нескольких минут или до нескольких часов в темной комнате. [4]
Около 1604 года Винченцо Кашароло обнаружил « лазурит » недалеко от Болоньи, Италия. После нагревания в печи , богатой кислородом , он затем поглощал солнечный свет и светился в темноте. Изучение фосфоресцирующих материалов привело к открытию радиоактивного распада .
Пояснения [ править ]
Простой [ править ]
Проще говоря, фосфоресценция - это процесс, при котором энергия, поглощенная веществом, относительно медленно выделяется в виде света. В некоторых случаях это механизм, используемый для светящихся в темноте материалов, которые «заряжаются» под воздействием света. В отличие от относительно быстрых реакций флуоресценции, таких как те, которые наблюдаются в лазерных средах, таких как обычный рубин , фосфоресцентные материалы «хранят» поглощенную энергию в течение более длительного времени, так как процессы, необходимые для повторного излучения энергии, происходят реже.
Когда запасенная энергия блокируется спином атомных электронов , может возникнуть триплетное состояние , замедляющее испускание света, иногда на несколько порядков. Поскольку атомы обычно начинаются в синглетном состоянии спина, благоприятствующем флуоресценции, эти типы люминофоров обычно производят оба типа излучения во время освещения, а затем более тусклое послесвечение строго фосфоресцентного света, которое обычно длится менее секунды после выключения освещения. Обычные примеры включают люминофорные покрытия, используемые в люминесцентных лампах, или жидкие красители, используемые в маркерах и лазерах на красителях . [5]
И наоборот, когда запасенная энергия обусловлена стойкой фосфоресценцией, совершенно другой процесс происходит без предшественника флуоресценции. Когда электроны попадают в ловушку дефекта в атомной или молекулярной решетке, предотвращается повторное излучение света до тех пор, пока электрон не сможет уйти. Чтобы вырваться, электрону требуется усиление тепловой энергии, чтобы помочь ему выбраться из ловушки и вернуться на орбиту вокруг атома. Только тогда атом может испустить фотон. Таким образом, стойкая фосфоресценция сильно зависит от температуры материала. [6]
Триплетная фосфоресценция [ править ]
Большинство фотолюминесцентных событий, в которых химический субстрат поглощает, а затем повторно излучает фотон света, происходят быстро, порядка 10 наносекунд . Свет поглощается и излучается в этих быстрых временных масштабах в случаях, когда энергия задействованных фотонов совпадает с доступными энергетическими состояниями и разрешенными переходами подложки. В частном случае фосфоресценции электрон, который поглотил фотон (энергию), претерпевает необычный межсистемный переход в энергетическое состояние с другой (обычно более высокой) спиновой кратностью ( см. Символ термина ), обычно в триплетное состояние . В результате возбужденный электрон может попасть в триплетное состояние всего заДоступны «запрещенные» переходы для возврата в синглетное состояние с более низкой энергией. Эти переходы, хотя и «запрещены», все же будут происходить в квантовой механике, но кинетически невыгодны и, таким образом , будут происходить в значительно более медленных временных масштабах. Большинство фосфоресцирующих соединений по-прежнему являются относительно быстрыми эмиттерами, с триплетными временами жизни порядка миллисекунд.
Уравнение [ править ]
где S - синглет, а T - триплет , нижние индексы которого обозначают состояния (0 - основное состояние, а 1 - возбужденное состояние). Переходы также могут происходить на более высокие уровни энергии, но первое возбужденное состояние обозначено для простоты.
Стойкая фосфоресценция [ править ]
Твердые материалы обычно бывают двух основных типов: кристаллические и аморфные. В любом случае образуется решетка или сеть из атомов и молекул . В кристаллах решетка представляет собой очень аккуратную и однородную сборку. Однако почти все кристаллы имеют дефекты в последовательности расположения этих молекул и атомов. Вакансионный дефект, когда атом просто отсутствует на своем месте, оставляя пустую «дыру», является одним из типов дефектов. Иногда атомы могут перемещаться с места на место внутри решетки, создавая дефекты Шоттки или дефекты Френкеля.. Другие дефекты могут возникать из-за примесей в решетке. Например, когда нормальный атом заменяется другим атомом гораздо большего или меньшего размера, возникает дефект замещения, в то время как межузельный дефект возникает, когда гораздо меньший атом оказывается в ловушке в «промежутках» или промежутках между атомами. Напротив, аморфные материалы не имеют «дальнего порядка» (за пределами пространства нескольких атомов в любом направлении), поэтому по определению заполнены дефектами.
Когда возникает дефект, в зависимости от типа и материала, он может образовывать дыру или «ловушку». Например, недостающий атом кислорода в соединении оксида цинка создает дыру в решетке, окруженную несвязанными атомами цинка. Это создает чистую силу или притяжение, которое можно измерить в электрон-вольтах . Когда фотон высокой энергииударяется об один из атомов цинка, его электрон поглощает фотон и выбрасывается на более высокую орбиту. Затем электрон может попасть в ловушку и удерживаться на месте (со своей нормальной орбиты) притяжением. Чтобы вызвать высвобождение энергии, необходим случайный всплеск тепловой энергии достаточной величины, чтобы вывести электрон из ловушки и вернуться на его нормальную орбиту. Оказавшись на орбите, энергия электрона может вернуться к нормальному (основному состоянию), что приведет к высвобождению фотона. [7]
Выделение энергии таким образом - совершенно случайный процесс, который в основном определяется средней температурой материала в зависимости от «глубины» ловушки или количеством электрон-вольт, которое она создает. Ловушка глубиной 2,0 электронвольта потребует большого количества тепловой энергии (очень высоких температур), чтобы преодолеть притяжение, в то время как на глубине 0,1 электронвольта требуется очень мало тепла (очень низкие температуры) для ловушка, чтобы удерживать электрон. Более высокие температуры могут вызвать более быстрое высвобождение энергии, что приведет к более яркому, но непродолжительному излучению, в то время как более низкие температуры могут вызвать более тусклое, но более продолжительное свечение. Слишком высокая или низкая температура, в зависимости от вещества, может вообще не допускать накопления или высвобождения энергии.Идеальная глубина ловушки для стойкой фосфоресценции при комнатной температуре обычно составляет от 0,6 до 0,7 электрон-вольт.[8] Если квантовый выход фосфоресценциивысок, то есть если вещество имеет большое количество ловушек правильной глубины, эти вещества будут выделять значительное количество света в течение длительного времени, создавая так называемое «свечение в темноте». "материалы.
Устойчивая фосфоресценция - это механизм всего, что обычно называют свечением в темноте. Типичное использование включает игрушки, летающие тарелки и мячи, знаки безопасности, краски и маркировку, макияж, искусство и декор, а также множество других применений.
Хемилюминесценция [ править ]
Некоторые примеры светящихся в темноте материалов не светятся фосфоресценцией. Например, светящиеся палочки светятся из-за хемилюминесцентного процесса, который обычно ошибочно принимают за фосфоресценцию. В хемилюминесценции возбужденное состояние создается посредством химической реакции. Излучение света отслеживает кинетический прогресс основной химической реакции. Возбужденное состояние затем перейдет к молекуле красителя, также известной как сенсибилизатор или фторофор , и впоследствии флуоресцирует обратно в основное состояние.
Материалы [ править ]
Общие пигменты, используемые в фосфоресцирующих материалах, включают сульфид цинка и алюминат стронция . Использование сульфида цинка для продуктов, связанных с безопасностью, датируется 1930-ми годами. Однако разработка алюмината стронция, яркость которого примерно в 10 раз выше, чем у сульфида цинка, отнесла большинство продуктов на основе сульфида цинка к категории новинок. Пигменты на основе алюмината стронция в настоящее время используются в знаках выхода, маркировке путей и других обозначениях, связанных с безопасностью. [9]
Сульфид цинка (слева) и алюминат стронция (справа) в видимом свете, в темноте и через 4 минуты в темноте.
Сульфид кальция (слева) и силикат металл-земля (справа) фосфоресцируют красным и синим цветом соответственно.
Использует [ редактировать ]
В 1974 году Бекки Шредер стала одной из самых молодых женщин, получивших патент США на изобретение «Glow Sheet», в котором фосфоресцирующие линии использовались под писчей бумагой, чтобы помочь людям писать в условиях низкой освещенности. [10]
Светящийся в темноте материал добавляется к пластиковой смеси, используемой в формах для литья под давлением, для изготовления некоторых дисков для гольфа, которые позволяют играть в игру ночью.
Стена теней [ править ]
Теневая стена создается, когда свет падает на человека или объект перед фосфоресцирующим экраном, который временно захватывает тень. Экран или стена окрашены светящимся в темноте продуктом, который содержит фосфоресцирующие соединения. [11] Публично эти теневые стены можно найти в некоторых научных музеях. [12] [13]
Перед изображением захвата тени на фосфоресцирующей стене.
После изображения захвата тени на фосфоресцирующей стене.
См. Также [ править ]
- Светящиеся драгоценные камни
- Светящаяся краска
- Микросфера
- Стойкое свечение
- Люминофор
- Фосфороскоп
- Тритий
Ссылки [ править ]
- ^ Светотехника - Светотехническое общество 1954, стр. 228
- ^ Стойкие фосфоры: от основ к применению Цзяньжун Цю, Ян Ли, Юнчао Цзя - Elsevier 2020, стр. 1-25
- ^ Стойкие фосфоры: от основ к применению Цзяньжун Цю, Ян Ли, Юнчао Цзя - Elsevier 2020, стр. 1-25
- ^ Карл А. Франц, Вольфганг Г. Кер, Альфред Siggel, Юрген Wieczoreck и Waldemar Adam «Люминесцентные материалы» в энциклопедии Ульмана промышленной химии 2002, Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a15_519
- ^ Светотехника - Светотехническое общество 1954, стр. 228
- ^ Стойкие фосфоры: от основ к применению Цзяньжун Цю, Ян Ли, Юнчао Цзя - Elsevier 2020, стр. 1-25
- ^ Практическое применение люминофоров Уильям М. Йен, Шигео Шионоя, Хадзиме Ямамото - CRC Press 2018, стр. 453-474
- ^ Стойкие фосфоры: от основ к применению Цзяньжун Цю, Ян Ли, Юнчао Цзя - Elsevier 2020, стр. 1-25
- ^ Zitoun, D .; Bernaud, L .; Мантегетти, А. Микроволновый синтез долговечного люминофора. J. Chem. Educ. 2009, 86, 72-75. DOI : 10.1021 / ed086p72
- ^ Times, Стейси В. Джонс Специально для Нью-Йорка (1974-08-17). «Девушка находит способ писать в темноте» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 16 августа 2020 .
- ^ http://www.discoveriescience.com/Phosphorescence_Expoalration.pdf
- ^ https://www.exploratorium.edu/exhibits/shadow-box
- ^ http://glow.glowinc.com/shadow-wall/
Внешние ссылки [ править ]
 | Поищите фосфоресценцию или свечение в Викисловаре, бесплатном словаре. |
