Есть некоторые термины, которые вызывают путаницу в повседневном языке. Среди этих терминов мы имеем люминесценция, флуоресценция и фосфоресценция. Являются ли они равными условиями? Чем они отличаются и к чему каждый из них относится?
Все это мы увидим в этой статье, так что не пропустите.
Что такое люминесценция
Термин люминесценция по сути относится к излучению света. В нашей окружающей среде большинство объектов излучают свет благодаря энергии, которую они получают от Солнца. Это самая яркая сущность, видимая нам. В отличие от Луны, которая, кажется, излучает свет, на самом деле она отражает солнечный свет, действуя аналогично колоссальному каменному зеркалу.
В основном существует три основных типа люминесценции: флуоресценция, фосфоресценция и хемилюминесценция. Среди них флуоресценция и фосфоресценция классифицируются как формы фотолюминесценции. Различие между фотолюминесценцией и хемилюминесценцией заключается в механизме активации люминесценции; При фотолюминесценции свет действует как триггер, а при хемилюминесценции испускание света инициирует химическая реакция.
И флуоресценция, и фосфоресценция, являющиеся формами фотолюминесценции, зависят от способности вещества поглощать свет и впоследствии излучать его с большей длиной волны, что указывает на снижение энергии. Однако, Продолжительность этого процесса существенно различается. При флуоресцентных реакциях излучение света происходит мгновенно и его можно наблюдать только тогда, когда источник света остается активным (например, ультрафиолетовое излучение).
Напротив, фосфоресцентные реакции позволяют материалу сохранять поглощенную энергию, позволяя ему позже излучать свет, в результате чего свечение продолжается даже после того, как источник света погас. Поэтому, если свечение сразу исчезает, его классифицируют как флуоресценцию; Если оно сохраняется, это идентифицируется как фосфоресценция; и если для активации требуется химическая реакция, это называется хемилюминесценцией.
Например, можно представить себе ночной клуб, где ткань и зубы излучают светящееся свечение под черным светом (флуоресценция), знак аварийного выхода излучает свет (фосфоресценция), а светящиеся палочки также излучают освещение (хемилюминесценция).
флуоресценция
Материалы, мгновенно излучающие свет, называются флуоресцентными. В этих материалах атомы поглощают энергию, заставляя их переходить в «возбужденное» состояние. Возвращаясь в свое нормальное состояние примерно через одну стотысячную долю секунды (в пределах от 10-9 до 10-6 секунд), они выделяют эту энергию в виде мельчайших частиц света, известных как фотоны.
Формально говоря, Флуоресценция — это излучательный процесс, при котором возбужденные электроны переходят из низшего возбужденного состояния (S1) в основное состояние (S0). В ходе этого перехода электрон рассеивает часть своей энергии за счет колебательной релаксации, в результате чего испускаемый фотон обладает уменьшенной энергией и, следовательно, большей длиной волны.
фосфоресценция
Чтобы понять различия между флуоресценцией и фосфоресценцией, необходимо кратко изучить концепцию спина электрона. Спин представляет собой фундаментальную характеристику электрона, действуя как тип углового момента, который влияет на его поведение в электромагнитном поле. Это свойство может принимать значение только ½ и может иметь ориентацию вверх или вниз. Следовательно, спин электрона обозначается как +½ или -½ или, альтернативно, обозначается как ↑ или ↓. На одной и той же орбитали атома электроны постоянно демонстрируют антипараллельный спин, когда они находятся в основном синглетном состоянии (S0). После перехода в возбужденное состояние электрон сохраняет свою ориентацию спина, что приводит к образованию синглетного возбужденного состояния (S1), в котором обе ориентации спина остаются спаренными в антипараллельной конфигурации. Важно отметить, что все процессы релаксации, связанные с флуоресценцией, являются спин-нейтральными, что гарантирует постоянное сохранение ориентации спина электрона.
В случае фосфоресценции Процесс существенно отличается. Быстрые переходы (от 10^-11 до 10^-6 секунд) происходят между системами, которые переходят из синглетного возбужденного состояния (S1) в триплетное возбужденное состояние (T1), которое энергетически более выгодно. Этот переход приводит к изменению спина электрона; Полученные состояния характеризуются параллельными спинами обоих электронов и классифицируются как метастабильные. В этом случае релаксация происходит за счет фосфоресценции, что приводит к очередному перевороту спина электрона и последующему излучению фотона.
Переход обратно в расслабленное синглетное состояние (S0) может произойти после большой задержки (от 10^-3 до более 100 секунд). Во время этого процесса релаксации безызлучательные механизмы потребляют больше энергии при фосфоресцентной релаксации по сравнению с флуоресценцией, что приводит к большей разнице в энергии между поглощенными и излучаемыми фотонами и, следовательно, к большему изменению длины волны.
Спектры возбуждения и излучения
Люминесценция возникает, когда электроны вещества возбуждаются поглощающими фотонами, впоследствии высвобождая эту энергию в виде излучения. В определенных случаях Испускаемое излучение может состоять из фотонов, имеющих ту же энергию и длину волны, что и поглощаемые.; Это явление известно как резонансная флуоресценция. Чаще всего испускаемое излучение имеет большую длину волны, что указывает на меньшую энергию по сравнению с поглощенными фотонами.
Этот переход к более длинным волнам известен как сдвиг Стокса. Когда электроны возбуждаются коротким невидимым излучением, они переходят в более высокие энергетические состояния. Вернувшись в исходное состояние, они излучают видимый свет той же длины волны, что является примером резонансной флуоресценции. Однако эти возбужденные электроны также могут вернуться на промежуточный энергетический уровень, что приведет к испусканию светящегося фотона, который несет меньшую энергию, чем энергия первоначального возбуждения. Этот процесс, под воздействием ультрафиолетового света он обычно проявляется в виде флуоресценции в видимом спектре.. В случае фосфоресцирующих материалов существует задержка между возбуждением электронов на высокие энергетические уровни и их возвращением в основное состояние.
Конкретное вещество не реагирует на все длины волн. Однако обычно существует связь между длиной волны возбуждения и амплитудой результирующего излучения. Это соотношение известно как спектр возбуждения. Сходным образом, Можно наблюдать корреляцию между амплитудой и длиной волны испускаемого излучения, известную как спектр излучения.
Важно отметить, что длина волны излучения не зависит от длины волны возбуждения, за исключением случаев, когда вещества обладают несколькими механизмами люминесценции. Следовательно, минералы демонстрируют разную способность поглощать ультрафиолетовый свет определенных длин волн; некоторые флуоресцируют в коротковолновом ультрафиолетовом свете, другие флуоресцируют в длинноволновом свете, а некоторые демонстрируют нечеткую флуоресценцию. Цвет излучаемого света часто существенно меняется в зависимости от длины волны возбуждения.
Возникновение этих явлений не ограничивается только применением ультрафиолетового излучения; скорее, возбуждение может быть достигнуто любым излучением, обладающим соответствующей энергией. Например, Рентгеновские лучи способны вызывать флуоресценцию различных веществ, многие из которых также реагируют на разные виды излучения. Вольфрамат магния, например, проявляет чувствительность почти ко всему излучению с длиной волны менее 300 нм, охватывающему как ультрафиолетовый, так и рентгеновский спектр. Кроме того, некоторые материалы могут легко возбуждаться электронами, примером чего являются спички, используемые в телевизионных трубках.
Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о различиях между флуоресценцией, фосфоресценцией и люминесценцией.