infrakr.ru

Чтобы лучше понять механизм люминесценции, обратимся к понятию об энергетических уровнях атома. Согласно основным положениям квантовой теории атомы и молекулы могут обладать лишь вполне определенным запасом энергии или, как говорят, находиться в строго определенных энергетических состояниях. Это объясняется тем, что электроны в атомах движутся не по любым орбитам, а лишь по вполне определенным, причем каждой возможной орбите соответствует свой энергетический уровень атома.

Испускание и поглощение атомом лучистой энергии можно пояснить графически следующим образом. Пусть возможные энергетические состояния атома соответствуют значениям энергии Ео, Ег, £2, £з и т, д. Для каждого состояния проведем окружность, радиус которой соответствует запасу энергии атома в данный момент. Эти же окружности будем считать и возможными орбитами электрона, причем радиус орбиты, обозначенной Ео, соответствует запасу энергии нормального (невозбужденного) атома. Двигаясь по орбите Ео, электрон не излучает света,

И энергия его не убывает. Расстояние между двумя окружностями соответствует разности энергии двух состояний атома, т. е. разности уровней энергии. Изменение энергии атома (переходы электронов с одной орбиты на другую) изображены стрелками, соединяющими соответствующие окружности. Стрелки, направленные вверх, соответствуют увеличению энергии атома, т. е. поглощению атомом лучистой энергии; стрелки, направленные вниз, — уменьшению энергии, т. е. испусканию атомом кванта света.

В невозбужденном атоме электрон движется по орбите, обозначенной Ео, и его состояние устойчивое. Чтобы электрон перешел на более удаленную от ядра орбиту, к нему необходимо подвести энергию извне, или, как говорят, атом необходимо возбудить. Возбуждение может быть произведено одним из шести способов, разобранных выше. При этом следует иметь в виду, что при любом из этих способов возбуждения температура вещества, как правило, не повышается.

На более удаленных орбитах (Ез, Е4 и т. д.) состояние электрона неустойчивое: он держится на них очень короткое время, исчисляемое миллиардными долями секунды, а затем возвращается на одну из орбит (Ei, Е2), более близких к ядру, и в конце концов — на устойчивую орбиту Ео.

В некоторых случаях после поглощения энергии электроны в силу различных причин (например, столкновение с соседними атомами) сразу же теряют часть запасенной энергии. Вследствие этого они не смогут перейти на удаленные неустойчивые орбиты (Ез, Е4), а остановятся на квази-устойчивых (как бы устойчивых) орбитах (Ei, Ег). На этих орбитах они могут находиться длительное время, исчисляемое минутами и даже часами, после чего постепенно возвратятся на устойчивую орбиту Ео. Если к возбужденному атому (когда электроны находятся на орбитах Еь Ег) еще подвести энергии, то электроны, поглотив эту энергию, перейдут на неустойчивые орбиты (£3, Ei) и мгновенно возвратятся на устойчивую орбиту Ео, а такой переход сопровождается отдачей квантов энергии.

Во время перехода электронов с более удаленных от ядра орбит на более близкие запасенная атомом энергия выделяется в виде излучения. Длина волны излучения определяется разницей уровней энергии. Свечение веществ, испускаемое возбужденными атомами при переходе электронов с более удаленных орбит на орбиты, более близкие к ядру, обычно и называют люминесценцией.

Мы уже говорили, что некоторые вещества могут светиться под действием падающего на них лучистого потока (случай фотолюминесценции). При фотолюминесценции возбуждение атомов люминофора происходит за счет той энергии, которую несут падающие на люминофор лучи.

Очень важное свойство фотолюминесценции определяет закон Стокса, согласно которому испускаемый свет люминесценции обладает в среднем большей длиной волны, чем поглощенный, возбуждающий свет. Из закона Стокса следует, что видимая люминесценция может быть возбуждена лишь коротковолновым участком видимого спектра или невидимыми ультрафиолетовыми лучами. Красные и инфракрасные лучи не способны вызывать люминесценцию, расположенную в видимой части спектра. Инфракрасные лучи могут только вызывать ускорение высвечивания ранее накопленной энергии возбуждения.

Если фотолюминесценция вызывалась ультрафиолетовыми или видимыми лучами, то при повторном освещении данного вещества инфракрасными лучами энергия возбуждения, не переходя в световую, может сразу превращаться в тепловую энергию. В результате происходит «тушение» фосфоресценции. Может также произойти ускоренный переход энергии возбуждения в энергию видимых лучей. В этом случае вещество вспыхивает более ярко и быстрее потухает — происходит «высвечивание». Тушение и высвечивание в некоторых веществах может происходить одновременно.

Тушение фосфоресценции объясняется тем, что под действием инфракрасных лучей энергия, накопленная в фосфоресцирующем веществе при его облучении ультрафиолето-выми лучами, расходуется не на свечение, а на тепло. Дело в том, что у люминофоров способность к излучению при температуре больше 200° С сильно падает, а при температуре 500° С полностью прекращается. Поэтому, если в процессе поглощения кванта инфракрасных лучей местная (локальная) температура люминофора поднимается выше 500° С, то происходит тушение фосфоресценции.

Высвечивание объясняется тем, что под действием инфракрасных лучей электроны ранее возбужденных атомов переходят на неустойчивые орбиты, т. е. на более высокие воз - буждеиные уровни. Время пребывания электронов на этих возбужденных уровнях очень мало, и они почти мгновенно возвращаются на нормальные энергетические уровни, что сопровождается яркой вспышкой. Таким образом инфракрасные лучи в этом случае ускоряют расход энергии, накопленной в фосфоресцирующем веществе при его первоначальном облучении ультрафиолетовыми или видимыми лучами.

Явления тушения и высвечивания, вызываемые инфракрасными лучами, используются для фотографирования в инфракрасных лучах, для скрытной сигнализации и в различных приборах, служащих для регистрации (обнаружения) инфракрасных лучей,