Фосфоресценция

Фосфоресценция

Фосфоресцентный порошок при облучении видимым светом, ультрафиолетовым светом и в полной темноте.

Фосфоресценция — это особый тип фотолюминесценции. В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает поглощённую энергию не сразу. Большее время реэмиссии связано с «запрещёнными» энергетическими переходами в квантовой механике. Поскольку такие переходы наблюдаются реже в обычных материалах, реэмиссия поглощенного излучения проходит с более низкой интенсивностью, и в течение длительного времени (до нескольких часов).

Изучение фосфоресцентных веществ началось примерно со времени открытия радиоактивности (1896 год).

Объяснение явления фосфоресценции

Простое объяснение

В простейшем случае, фосфоресценция — это процесс, в котором энергия, поглощенная веществом, высвобождается относительно медленно в виде света. В некоторых случаях это механизм, описывающий «светящиеся в темноте» материалы, которые «заряжаются» на свету. В отличие от обычных флюоресцентных ламп, в которых происходят относительно быстрые реакции, фосфоресцирующие материалы «абсорбируют» световую энергию и «хранят» её дольше, а внутриатомные реакции, переизлучающие накопленную энергию, происходят реже.

Квантово-механическое объяснение

В люминесценции различают два вида излучательных переходов возбужденного состояния:

• флуоресценция — излучательный переход возбужденного из синглетного состояния S₁ в основное состояние S₀.
• фосфоресценция — во время фосфоресценции возбужденный электрон не переходит из S₀, а покидает молекулу, вследствие чего происходит конденсация заряда в одном месте и происходит перераспределение электронов, во время которого излучается энергия, длительность 10⁻³ с, иногда это путают с длительной флуоресценцией, но у них разные механизмы.

Синглет-триплетные переходы имеют квантово-механический запрет, поэтому время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10⁻²−10⁻⁴ с, в отличие от флуоресценции, для которой время жизни возбужденного состояния составляет 10⁻⁷−10⁻⁸ с.

Уравнение

$S_0 + h\nu \to S_1 \to T_1 \to S_0 + h\nu^\prime$

Где S это (спиновое)синглет и T это (спиновое)триплет, а индексы обозначают энергетическое состояние (0 для основного, 1 для возбужденного состояния). Переходы могут осуществляться также между более высокими уровнями энергии, но для простоты мы включили только первое возбужденное состояние. Переход между состояниями различной мультиплетности запрещен по спину, поэтому это зачастую медленный процесс (носящий название интеркомбинационной конверсии), который может ускоряться в присутствии веществ частично снимающих запрет, например атомов тяжелых металлов.

Отличия от других видов люминесценции

Некоторые из «светящихся в темноте» материалов светятся не из-за того, что они фосфоресцентны. Например, «светящиеся палочки» светятся за счет хемилюминесцентного процесса, который иногда ошибочно принимают за фосфоресценцию. В хемилюминесценции вещество переходит в возбужденное состояние за счет химической реакции (а не за счет поглощения света как в фосфоресценции). Энергия возбужденного состояния передается затем молекуле красителя, называемого (сенсибилизатором или флюорофором), которая затем флуоресцирует, переходя в основное состояние.

Любопытно, что хорошо известное свечение белого фосфора при контакте с воздухом, давшее название самому явлению фосфоресценции, также является не фосфоресценцией, а хемилюминесценцией, сопровождающей процесс окисления фосфора.

Не следует также путать фосфоресценцию с радиолюминесценцией — свечением люминофора под воздействием радиоактивных изотопов, которые применялись в военной технике прежних лет для нанесения светящегося в темноте покрытия на циферблаты и стрелки часов, шкалы и стрелки приборов и т. п.

Фосфоресцентные материалы

Наиболее распространёнными фосфоресцентными материалами являются сульфид цинка и алюминат стронция. Сульфид цинка применялся ещё в 1930-х годах. Сейчас в основном используются пигменты на основе алюмината стронция (торговые марки Super-LumiNova^[1][2] и NoctiLumina^[3]), поскольку они примерно в 10 раз ярче сульфидно-цинковых и обладают длительностью послесвечения до нескольких часов против примерно получаса у сульфида цинка.

Применение

Главная сфера применения фосфоресцентных материалов — изделия для использования в чрезвычайных ситуациях (аварийные указатели выхода, маркировка направления движения и т. д.), продолжающие светиться после отключения электроэнергии. Фосфоресцентные материалы нередко наносят на циферблаты и стрелки часов, шкалы и стрелки приборов, что позволяет считывать их показания в темноте, разумеется, пока накопленная люминофором энергия не иссякнет. Фосфоресцирующие пигменты также иногда применяют для раскраски ёлочных игрушек.

См. также

• Люминесценция
• Флуоресценция
• Биолюминесценция
• Сонолюминесценция
• Электрофосфоресценция
• Хемилюминесценция

Примечания

1. ↑ RC TRITEC Super-LumiNova
2. ↑ Nemoto & Co., Ltd LumiNova
3. ↑ NoctiLumina company website

Ссылки

В Викисловаре есть статья «glowing»

• Phosphorescence on Scienceworld
• The Cathode Ray Tube site
• Luminosity in real life
• LUMINOSITY IN WATCHES