Fotoluminiscence

Fotoluminiscence ir luminiscences veids, kas rodas fotoierosmes iespaidā, izmantojot redzamā un UV diapazona starojumu gāzu, šķidrumu, stiklu, dielektriķu, pusvadītāju un citu materiālu ierosināšanai.

Fizikālā būtība

Stiklu un cietvielu luminiscences centri ir pamatvielā speciāli ievadīti joni vai molekulas. Piemēram, neodīma stiklā ievada neodīma jonus Nd³⁺, mākslīgajā rubīnā — hroma jonus Cr³⁺. Praksē bieži izmanto kristālfosforus. Tie ir dielektriķu vai pusvadītāju kristāli, kuros ievadīti piemaisījumi — aktivatori, kas veido luminiscences centrus. Luminiscences centrs var būt arī kristāliskā režģa defekts.

Fotoluminiscences praktiskais pielietojums

Signalizācijas ierīces

Fotoluminiscenci izmanto ultravioleto staru vizualizēšanai. Viens no pirmajiem fotoluminiscences praktiskās izmantošanas veidiem ir signalizācija. Roberts Vuds Pirmā pasaules kara laikā strādāja pie optiskās signalizācijas iekārtu izveidošanas sabiedroto armijas pusē. Šim nolūkam bija svarīgi iegūt šauru staru kūli, lai novērstu signālu pārtveršanu. To varēja panākt ar speciālas lampas un teleskopiskas sistēmas palīdzību. Vuds izmantoja gan redzamo, gan arī ultravioleto gaismu. UV staru uztveršanai bija nepieciešams speciāls fosforescējošs ekrāns. Francijā UV starus un luminiscējošos ekrānus, ko izmantoja Vuds, bija iesaukuši par Vuda gaismu un Vuda ekrānu. Reiz amerikāņu sūtnis Parīzē ziņojis Valsts departamentam, ka franči atraduši svarīgu rūpniecisku izmantošanu dzīvsudraba loka starojumam, ar ko apstaro „koka ekrānu”, - kā viņš pārtulkoja „ecran de Wood”. Ultravioleto lampu izmantošana veicināja jauna tipa UV stikla atklāšanu, kuru drīz pēc tam plaši ieviesa praksē. 1919. gadā, būdams Anglijā, Vuds apmeklēja Portsmutas jūras ostas speciālā biroja laboratoriju, kas izveidota aizdomīgu dokumentu un citu lietu pārbaudei. Vuds stāstīja: „Britu eksperti man parādīja visas dažādās ķīmiskās metodes, lai attīstītu slepenos uzrakstus… Es ar interesi gaidīju, ka mani vedīs mazajā kabīnē bez logiem, kas atradās laboratorijas vidū, ar vadiem, kas uz to stiepās no sienas un plaukta. Es nojautu, kam tā kalpo, un beidzot, redzot, ka mani tur negrib vest, prasīju: „Bet kas atrodas šeit?” „Ā, atvainojiet mani,” — atbildēja kapteinis, kurš man visu rādīja, - „bet tā ir ļoti slepena lieta. To mēs nevienam nerādām.” „Ultravioletie stari droši vien?” — es pieticīgi jautāju. „Ko?” — brīnījās kapteinis. — „Kāpēc jūs tā domājat?” „Tāpēc, ka es izgudroju šo metodi un melno stiklu, kas aiztur redzamo gaismu, un nosūtīju jūsu admiralitātei no mūsu Zinātnes un pētījumu nodaļas jau pirms gada.” Pēc tam Vuds, protams, tika ielaists kabīnē, kur konstatēja, ka īsviļņu starojumu šajā laboratorijā izdala ar zilo kobalta stiklu un luminiscenci novēro caur dzeltenu filtru, lai atdalītu zilos starus. Tādu paņēmienu jau 19. gadsimta vidū fluorescences novērošanai izmantoja Džordžs Stokss. Melnais ultravioletais stikls līdz šai laboratorijai vēl nebija nonācis.

Luminiscences spuldzes

Luminiscentā lampa

Fotoierosmi plaši izmanto luminiscences spuldzēs. Tie ir gāzizlādes gaismas avoti, kur gaismas plūsmu pamatā izstaro luminofors, kas uzklāts caurules iekšējai virsmai. Parasti izmanto kalcija halofosfātu, kas aktivēts ar antimonu un mangānu [3Ca₃(PO₄)₂, Ca(F, Cl)₂:Sb, Mn] vai kristālfosforu MgWO₄ un (Zn, Be)2SiO₄:Mn maisījumu, kas ļauj iegūt gaismas avotus ar dažādu krāsu temperatūru. Luminoforus ierosina gāzizlādes starojums. Parasti izmanto izlādi dzīvsudraba tvaikos. Izlādē bez dzīvsudraba ievada arī inertās gāzes neonu vai argonu, kas veicina dzīvsudraba atomu ierosināšanu un pagarina lampas mūžu. Luminiscentās spuldzes kalpo ilgāk par kvēlspuldzēm. Dzīvsudraba tvaiku spiediens izlādē ir 10^-2 — 10^-3 mm Hg. Šādos apstākļos intensīvi izspīd dzīvsudraba rezonanses līnijas 184,9 nm un 253,7 nm. Tas ir UV starojums, kas labi ierosina luminiscenci. Luminiscences lampu gaismas atdeve ir 75 — 80 lm/W. Gāzes pildītām volframa kvēllampām gaismas atdeve ir 12 — 13 lm/W, halogēna lampām 22 — 27 lm/W. Šādu samērā augstu efektivitāti pēdējā gadījumā panāk ar tā saukto halogēnu ciklu. Augstā temperatūrā lampas kvēldiega materiāls iztvaiko un nogulsnējas uz kolbas sienām. Tas izraisa kolbas nomelnējumu un gaismas plūsmas samazināšanos. Ja lampas kolbā ir ievadīts kāds halogēns, piemēram, jods, tad aukstajā zonā veidojas metāla jodīda molekulas. Šīs molekulas nokļūst karstajā zonā, tur disociē un metāls izgulsnējas uz kvēldiega. Pateicoties šim ciklam, var paaugstināt kvēldiega temperatūru un panākt lielāku gaismas atdevi, kā to paredz termiskā starojuma likumi.

Luminiscentā analīze

Dažādu vielu spēja luminiscēt UV staru ietekmē ļāva izstrādāt jaunu analīzes metodi — luminiscento analīzi, kas dod iespēju kontrolēt dažādu objektu (tajā skaitā organisku šūnu) sastāvu un stāvokli. Šo metodi plaši izmanto ķīmijā, ekoloģijā, arheoloģijā, bioloģijā, medicīnā u. c. jomās. Luminiscentās gaismas krāsu un toņu neparastā bagātība un tīrība pievērsa mākslinieku, gleznotāju, dekoratoru un reklāmu noformētāju uzmanibu. Gleznojot vai veidojot dekorācijas ar parastām krāsām, iegūst nelielu kontrastu starp detaļām un fonu. Tas apgrūtina spožu objektu attēlošanu, ko viegli izdarīt ar luminiscentām krāsām.

Dzīvsudraba detektoros

Fotoluminiscenci metālu tvaikos sāka pētīt 20. gadsimta sākumā. 1911. gadā Vuds pētīja dzīvsudraba tvaikus un atklāja rezonanses starojumu UV diapazonā. Šis starojums rodas, ja vielas daļiņas absorbē uz tām krītošo starojumu un pēc īsa laika sprīža (- 10^-8 s) to atkal izstaro. Vuds arī pirmais izveidoja rezonanses lampu. Tā bija kvarca kolba, no kuras atsūknēts gaiss un iepildīti dzīvsudraba tvaiki. Dzīvsudraba tvaiku spiediens istabas temperatūrā ir pietiekami liels, lai varētu novērot rezonanses fluorescenci, ja tvaikus apgaismo ar dzīvsudraba lokizlādi. Taču jāievēro noteikums, ka loks iegūts ar mazām strāvām un zemā temperatūrā. Izlādes lampas starojums bija tik stiprs, ka bārija plancianīda ekrāns mirdzēja dzeltenā gaismā. Ja starp izlādes lampu un ekrānu uz sasiluša stikla novietoja dzīvsudraba pilienu, tad tā tvaiki projekcijā uz ekrāna atgādināja melnu dūmu stabu uz dzeltena fona. Pamatojoties uz šo principu, bija iespējams izveidot optisku ierīci, kas uzrādīja dzīvsudraba tvaiku klātbūtni gaisā. Šādas ierīces nepieciešamību radīja ražošana, kur dzinējos ūdens tvaiku vietā izmantoja dzīvsudraba tvaikus. Šie tvaiki ir ļoti indīgi, un nelielas sūces augstspiediena iekārtās netika atklātas, kamēr neparādījās stipras saindēšanās simptomi cilvēkiem. Pēc dažiem gadiem „General Electric” pētnieciskā laboratorija lūdza Vudu izgatavot ierīci dzīvsudraba tvaiku konstatēšanai. Kad Vuds ieradās, kompānijas vadība nolēma tomēr Vuda pakalpojumus neizmantot. Viņu ķīmiķi bija izgatavojuši indikatoru, kurš melnēja dzīvsudraba tvaiku iedarbībā. Dažus gadus to izmantojusi kompānija konstatēja, ka šis indikators ir kaprīzs un darbojas ļoti lēnām. Bieži vien saindēšanās notika, pirms indikators sāka melnēt. Vienam no laboratorijas darbiniekiem uzdeva izgatavot detektoru, vadoties pēc Vuda idejām. Pēc gadu ilgām veltīgām pūlēm kompānija bija spiesta atkārtoti vērsties pie Vuda pēc padoma. Noskaidrojās, ka „General Electric” laboratorijā dzīvsudraba tvaikus centās atklāt, izmantojot dzīvsudraba loku lielā spiedienā, kad izlādei ir augsta temperatūra. Vuds norādīja uz šādas metodes kļūdainību. Augstspiediena lampa neizstaro gaismu, kuru var absorbēt dzīvsudraba tvaiki istabas temperatūrā. Šāda gaisma praktiski pilnīgi absorbējās pašas augstspiediena lampas aukstākajos slāņos, kas piekļaujas tās sieniņām. Pēc nepilna gada avīzes ziņoja, ka „General Electric” inženieri uzbūvējuši „elektrisko degunu”, kurš izošņā dzīvsudraba tvaikus. Šī ierīce bija praktiski precīza Vuda pirmās idejas kopija ar to atšķirību, ka pēdējā par dzīvsudraba klātbūtni signalizēja zvaniņš. Vuds neapšaubāmi bija izcila personība fizikas vēsturē veiktā darba milzīgā apjoma ziņā. Periodā no 1900. līdz 1935. gadam viņš publicēja vairāk nekā 250 zinātnisku rakstu. No tiem tikai ap 40 veikti kopā ar līdzautoriem. Jau 1902. gadā „Philosophical Magazine” parādījās 10 Vuda darbu, un kāds vācu fiziķis rakstīja savam draugam Amerikā: „Vuds ir auglīgs kā trusis”. Ne mazāk apbrīnojama ir Vuda vispusība. Viņš dažkārt novērojis kolēģu eksperimentus un publicējis kā savus augstākā tehniskās izpildījumā…