Dalībnieks:Luminescent starlord/Smilšu kaste

Luminiscence kristālā.

Luminiscence ir spontāna elektromagnētiskā starojuma emisija, kuru neizsauc melna ķermeņa starojums, bet gan enerģijas atbrīvošana elektronu pārejas no ierosināta uz pamatstāvokli rezultātā. Luminiscences ilgums ievērojami pārsniedz gaismas svārstību periodu 10^-15s.

Luminiscenci dēvēt par auksto gaismu. Emitēta starojuma viļņa garums ir optiskajā diapazonā, kurš ietver daļu ultravioletās, visu redzamās un daļu infrasarkanās gaismas diapazona jeb no 430 līdz 750 nanometriem (nm).

Svarīgi saprast, ka luminiscence fundamentāli atšķiras no kvēles jeb melna starojuma. Kvēli izsauc augsta materiāla temperatūra un novērojama visiem elementiem, kuri nemaina agregātstāvokli augstajā temperatūrā.

Kvēli tipiski novēro no 550 °C līdz 1300 °C , bet luminiscence vispārīgā gadījumā nav atkarīga no materiāla temperatūras un novērojama no 3 K līdz agregātstāvokļa maiņas robežai.

Vēsture

Interese par luminiscenci aizsākās 1602.gadā, kad tika atklāts izteikti spīdošs Boloņas akmens, kas pēc ķīmiskā sastāva ir BaSo4 ar piejaukumiem. Cilvēki mēģināja paši radīt šādus spīdošus materiālus bieži vien izmantojot radioaktīvus elementus.Luminiscences pētījumu popularitāte strauji pieauga sākot ar 1996. gadu, kad tika iegūts ilgi spīdošs stroncija alumināts aktivēts ar eiropiju un disproziju. Šobrīd ir labi izpētīti zaļās un zilās krāsas luiminofori, taču pēdējos gados pieaugusi interesa par sarkaniem un infrasarkaniem luminiscējošiem materiāliem, īpaši tādēļ, ka tos varētu potenciāli izmantot medicīnā.

Luminiscences mehānisms

Luminiscenci var novērot materiālos ar defektiem vai apzināti pievienotiem aktivatoru joniem. Šādiem materiāliem, absorbējot pietiekami lielu enerģiju, elektroni no pamatstāvokļa nonāk ierosinātā stāvoklī. Elektroniem, nonākot atpakaļ pamatstāvoklī, tiek izstaroti fotoni. Materiāli daļu enerģijas var zaudēt bezistarojumu pārejās, tādēļ gaismas veidā emitētā enerģija visbiežāk ir mazāka par absorbētā starojuma enerģiju un attiecīgi izstarotā starojuma viļņa garums ir lielāks par ierosmes viļņa garumu. Šo enerģijas starpību sauc par Stoksa nobīdi. Iespējami arī gadījumi, kad absorbētā enerģija ir mazāka par emitēto, piemēram, augšuppārveidotās luminiscences procesos.

Tipi

Fluorescence, fosforescences un termostimulētas luminiscences attēlojums.

Luminiscenci iedala attiecīgajos tipos:

• Ķīmiskā luminiscence — gaisma tiek emitēta ķīmiskās reakcijas rezultātā;
  • Bioluminiscence — gaisma tiek emitēta bioķīmiskās reakcijas rezultātā;
  • Elektroķīmiskā luminiscence — gaisma tiek emitēta elektroķīmiskās reakcijas rezultātā;
  • Lyoluminiscence — gaisma tiek emitēta ierosinātas cietvielas izšķīdināšanas rezultātā;
  • Candoluminiscence — gaisma tiek emitēta materiālam sasniedzot konkrētu temperatūru, bet emitējot īsāka viļņa garuma starojumu kā to, kuru nosaka melna ķermeņa starojums;
• Kristaluminiscence — gaisma tiek emitēta kristalizācijas procesa laikā;
• Elektroluminiscence — gaismas emisiju izsauc elektronu plūsma materiālā;
  • Katodoluminiscence — gaismas emisiju izsauc apstarošana ar elektroniem;
• Mehāniskā luminiscence — mehāniskā mijiedarbība ar cietvielu izsauc gaismas emisiju;
  • Triboluminiscence — gaismas emisiju izsauc kristālisko saišu saraušana. Saišu saraušanu var izsaukt materiāla skrāpēšana, spiešana vai beršana;
  • Fraktoluminiscence — gaismas emisiju izsauc kristālisko saišu saraušana materiālam plīstot jeb plaisai izplatoties;
  • Pjezoluminiscence — materiāliem, kuriem novērojams pjezoelektroskais efekts un fluorescence vai fosforescence, efektu sauc par pjezoluminiscenci nevis par triboluminiscence. Gaismas emisiju izsauc materiāla spiešana, stiepšana vai potenciāla starpības radīšana.
  • Sonoluminiscence — gaisma tiek emitēta skaņas radītu gaisa burbuļu eksplozijas rezultātā šķidrumos

    

    Vienkāršots fotoluminiscences mehānisms.

• Fotoluminiscence — gaismas emisiju izsauc fotonu absorbcija;
  • Fluorescence — fotoluminiscences apakštips. Elektronu pāreja novērojama no singleta uz singleta līmeni. Dzīves laiks pāris nanosekundes ($\tau \leqslant 10^{-8}$);
  • Fosforescence — elektronu pāreja novērojama no tripleta uz singleta līmeni. Dzīves laiks var būt no dažiem simtiem nanosekunžus līdz vairākām minūtēm ($\tau \geqslant 10^{-8}$);
• Radioluminiscence — gaismas emisiju izsauc jonizējošais starojums;

  

  Termoluminiscences process.

• Termoluminiscence — gaismas emisiju izsauc elektronu atbrīvošana no ķērājcentriem jeb režģa defektiem termiskās enerģijas paaugstināšana jeb ierosināta materiāla uzsildīšana;
  • Krioluminiscence — gaismas emisiju izsauc materiāla atdzesēšana.

Luminiscenti materiāli

Visbiežāk luminiscenti materiāli ir neorganiski, cieti savienojumi ar pašvielas defektiem vai pievienotiem piejaukumiem. Materiāla pamatmatricas var būt sulfīdi, silikāti, alumināti, gallāti, germanāti nitrīdi un daudzi citi dažādi ķīmiski savienojumi, kuriem iespējams pievienot dažādus piejaukumus, retzemju elementus, pārejas metālus vai citus ķīmiskos elemntus. Piejaukumus bieži vien dēvē arī par aktivatoriem. Aktivatorus matricās pievieno zemās koncentrācijas, dažus mol%. Palielinot piejaukumu koncentrāciju, var sākt notikt enerģijas pārnese star to joniem, kā rezultātā enerģija izkliedējas un samazinās luminiscences intensitāte. Luminiscentiem materiāliem ir daudz dažādu pielitojumu gan ikdienā, gan zinātnē. Ar luminiscences mehānisma palīdzību var pārveidot vienu starojuma veidu citā, piemēram, UV starojumu pārvērt IR starojumā vai redzamajā gaismā. Šads efekts tiek izmantots spuldzēs, displejos un mikroskopijā.

Pielietojumi

Katru luminiscences tipu var un pielietot.

• LED jeb gaismu emitējošās diodes balstās uz elektroluminiscences;
• Fosforescences tiem izmantota gan dekoratīvajos dizaina elementos, gan aviācijas un navigācijas instrumentos;
• Fosforescenci izmanto lampās un lāzeros;
• Termoluminiscenci izmanto:
  • Termoluminiscences dozimetros;
  • Termoluminiscences termometros;
  • Iežu vecuma noteikšanai.
• Neinvazīvos dzīvnieku un augu pētījumos;
• Ķīmisko vielu analīze;
• Jonizējoša starojuma reģistrācijai;