Основні положення. Класифікація

Всі речовини при сильному нагріванні починають світитися. Світіння нагрітих тіл називають тепловим рівноважним випромінюванням. Але деякі речовини світяться без нагрівання - при кімнатній температурі. Таке випромінювання називають люмінесценцією. На відміну від теплового випромінювання люмінесценція є нерівноважним випромінюванням.

Найбільш вдалим визначенням люмінесценції, яке характеризує суть явища, є визначення В.Л. Левшина:

Люмінесценція — це світіння атомів, молекул, іонів та інших більш складних комплексів, яке виникає в результаті електронного переходу в цих частинках, при їх повертанні зі збудженого стану в нормальний.

Речовини, які здатні люмінесціювати, називають люмінофорами.

l Неорганічні люмінофори називають просто люмінофорами.

l Органічні люмінофори називають органолюмінофорами.

l Складні неорганічні кристалічні люмінофори з дефектною структурою, яка визвана втіленням в їх кристалічну гратку іонів важких металів (активаторів) називають кристалофосфорами.

Датою народження люмінесцентного методу аналізу є 4 березня 1864 року, коли відомий англійський фізик Стокс зробив доповідь у Королівському товаристві і звернув увагу на можливість використання люмінесценції для аналізу органічних сполук.

В розробку теорії люмінесценції великий внесок зробив радянський вчений С.І.Вавілов.

Бібліографічна довідка:

Серге́й Ива́нович Вави́лов (12 (24) марта 1891, Москва — 25 января 1951, Москва) — советский физик, основатель научной школы физической оптики в СССР, академик (1932) и президент Академии наук СССР (с 1945), лауреат Сталинской премии. Младший брат Н. И. Вавилова, русского учёного-генетика.

Основным направлением в науке для Сергея Вавилова было исследование оптики, в частности явления люминесценции.

Великий внесок в розвиток хемілюмінесцентного аналізу зробив Анатолій Кирилович Бабко та співробітники його школи.

Бібліографічна довідка:
Закінчив Київський політехнічний інститут, вважається учнем академіка Н.А.Тананаєва, доктор хімічних наук, професор Київського університета, академік АН УРСР.

Люмінесценція виникає в наслідок поглинання речовиною квантів hν₀ електромагнітного випромінювання і збудження молекул або атомів. Молекула або атом речовини переходить в збуджений стан В і через деякий час (≈ 10^-12 с) повертається в основний стан А, при цьому випромінює енергію у вигляді квантів. Частина енергії випромінюється спочатку у вигляді кванта теплової енергії.

Розрізнюють основний синглетний (S₀) та збуджені синглетний (S_n)та триплетний (T_n) електронні рівні молекули. На кожний електронний рівень накладаються коливальні підрівні з квантовими числами 0, 1, 2, 3 і т.д..

При поглинанні кванта світла електрон переходить з основного рівня на більш високий, який відповідає збудженим синглетному (антипаралельні спіни) і триплетному (паралельні спіни) станам.

Прямий перехід з основного синглетного в збуджений триплетний стан заборонений за спіном і практично не спостерігається.

Енергія триплетного стану дещо менше, ніж синглетного. Триплетні рівні можуть заповнюватися за рахунок інтеркомбінаційної конверсії S₁ → T₁ (хвиляста горизонтальна стрілка).

Стадія1.

При кімнатній температурі молекули звичайно знаходяться в основному стані і майже всі електронні переходи при поглинанні світла відбуваються з нижнього основного коливального підрівня на різні коливальні підрівні збудженого синглетного стану.

Стадія2

Збуджена молекула за рахунок коливальної релаксації при стиканні з оточуючими молекулами дуже швидко втрачає надлишкову коливальну енергію і переходить на основний коливальний рівень збудженого синглетного електронного стану.

Стадія3а.

Далі відбувається випромінювальний перехід з основного коливального рівня збудженого синглетного стану на будь-який коливальний підрівень основного синглетного стану: S₁ → S_0. – флуоресценція. Тривалість флуоресценції – τ(тау) - 10^-8 – 10^-7 с.

Стадія3б.

випромінювальний перехід між двома електронними станами різної мультиплетності: Т₁ → S₀, де Т₁ – перший збуджений триплетний стан. Тривалість фосфоресценції – τ(тау) - 10^-3 – 10 с (фосфоресценцію спостерігають при низьких температурах, зменшується ймовірність безвипромінювального переходу.)

Існують такі види класифікації люмінесценції:

Ø За зовнішнім джерелом збудження;

Ø За тривалістю світіння;

Ø За механізмом світіння.

Для збудження люмінесценції необхідно підводити енергію ззовні в зв'язку з тим, що вона втрачається при випромінюванні. Тому види люмінесценції класифікують за зовнішнім джерелом збудження енергії

№п/п	Джерело збудження	Вид люмінесценції
	Електромагнітне випромінювання УФ та видимого спектрального діапазону	Фотолюмінесценція
	Потік електронів	Катодолюмінесценція
	Потік іонів лужних металів у вакуумі	Іонолюмінесценція
	Рентгенівське випромінювання	Рентгенолюмінесценція
	Радіоактивне випромінювання	Радіолюмінесценція
	Теплова енергія	Термолюмінесценція (або кандолюмінесценція)
	Ультразвук	Сонолюмінесценція
	Механічна дія	Триболюмінесценція
	Енергія хімічних реакцій	Хемілюмінесценція

За тривалістю світіння люмінесценцію розділяють на флуоресценцію (короткотривала, 10^-8 – 10^-7 с)та фосфоресценцію (довготривала, 10^-4 – 10² с), суть яких розглянемо пізніше.

За механізмом світіння розрізнюють:

Ø світіння дискретних центрів;

Ø рекомбінаційне світіння.

В першому випадку і поглинають, і випромінюють одні і ті ж частинки — атоми і молекули. Цей вид світіння характерний для речовин в газуватому стані, розчинам неорганічних і органічних речовин, чистим органічним розчинникам.

Рекомбінаційне світіння спостерігають у тих випадках, коли процеси поглинання та випромінювання розділені як в часі, так і у просторі. Тут в процесі збудження відбувається розподіл частинки речовини на 2 частини — іони і радикали. Наступна їх рекомбінація супроводжується виділенням енергії. Ця енергія переводить частинку в збуджений стан. Повертаючись в основний стан, частинка випромінює квант світла.

Рекомбінаційна люмінесценція характерна для кристалофосфорів та для деяких газів про рекомбінації іонів або радикалів.

Дата добавления: 2014-10-23