ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

(от лат. lumen, род. п. luminis — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие), излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения отделяет Л. от теплового равновесного излучения и показывает, что понятие «Л.» применимо только к совокупности атомов (молекул), находящихся в состоянии, близком к равновесному, т. к. при сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или Л. не имеет смысла. Тепловое излучение в видимой области спектра заметно только при темп-ре тела в неск. сотен или тысяч градусов, в то время как люминесцировать оно может при любой темп-ре, поэтому Л. часто наз. холодным свечением.

Вторая часть определения (признак длительности) была введена С. И. Вавиловым, чтобы отделить Л. от разл. видов рассеяния света, отражения света, параметрич. преобразования света (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА), тормозного излучения и Черенкова — Вавилова излучения. От разл. видов рассеяния Л. отличается тем, что при ней между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы, длительность к-рых больше периода световой волны. В результате этого при Л. теряется корреляция между фазами колебаний поглощённого и излучённого света.

Излучение Л. лежит в видимом, ближнем УФ и ИК диапазонах. Природные явления Л.— северное сияние, свечение нек-рых насекомых, минералов, гниющего дерева — были известны ещё в древности, систематически изучать Л. стали с 19 в.

Л. можно классифицировать по типу возбуждения, механизму преобразования энергии, временным хар-кам свечения. По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией, к ней, в частности, относятся рентгенолюминесценция, катодолюминесценция, ионолюминесценция, a-люминесценция), электролюминесценцию (возбуждение электрич. полем), триболюминесценцию (возбуждение при механич. воздействиях), хемилюминесценцию (возникает при хим. реакциях).

По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро затухающую Л.) и фосфоресценцию (длит. Л.). Это деление условное, т. к. нельзя указать строго определённой временной границы: она зависит от временного разрешения регистрирующих приборов.

По механизму элем. процессов различают резонансную, спонтанную, вынужденную и рекомбинационную Л. Элем. акт Л. состоит из поглощения энергии с переходом атома (молекулы) с осн. уровня анергии 1 (рис. 1) на возбуждённый уровень 3, безызлучат. перехода 3 ® 2 и излучат. перехода 2 ®1. В ат. парах (Hg, Cd, Na и др.), нек-рых простых молекулах и примесных кристаллах излучение Л. может происходить непосредственно при переходе 3®1 (резонансная Л.).

Рис. 1. Схема квант. переходов при элем. процессе люминесценции: 1 — осн. уровень энергии; 2 — уровень излучения; 3 — уровень возбуждения. Пунктирной стрелкой показан квант. переход, соответствующий резонансной люминесценции.

Чаще вероятность перехода 3®2 больше вероятности прямого перехода 3®1. Уровень 2 обычно лежит ниже уровня поглощения 3, часть энергии возбуждения теряется в энергию колебания атомов (переходит в теплоту), и квант света Л. имеет меньшую энергию (и большую длину волны), чем кванты возбуждающего света — с т о к с о в а Л. (см. СТОКСА ПРАВИЛО). Однако во мн. случаях возможна а н т и с т о к с о в а Л., когда за счёт поглощения извне колебат. энергии молекула переходит на более высокий относительно уровня 3 излучающий уровень 2. Энергия испущенного кванта при антистоксовой Л. больше энергии возбуждающего кванта, её интенсивность мала.

Уровень 2 может принадлежать как тому же атому (молекуле), к-рый поглотил энергию возбуждения (такой атом наз. центром люминесценции, а переход внутрицентровым), так и др. атомам. В первом случае Л. наз. спонтанной. Этот вид Л., как и резонансная Л., характерен для атомов и молекул паров и р-ров, а также для примесных атомов в кристаллах. В нек-рых случаях атом (молекула), прежде чем перейти на уровень излучения 2, оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4 (рис. 2; (см. МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ)) и для перехода на уровень 2 ему необходимо сообщить дополнит. энергию, напр. энергию теплового движения или света. Л., возникающая при таких процессах, наз. м е т а с т а б и л ь н о й.

Рис. 2. Схема квант. переходов при метастабильной (стимулированной) люминесценции: 1, 2, 3 — то же, что на рис. 1;4 — метастабильный уровень.

Процесс Л. в разл. в-вах отличается в осн. механизмом перехода ч-цы с уровня поглощения 3 на уровень излучения 2. Передача энергии др. атомам (молекулам) осуществляется эл-нами при электронно-ионных ударах, при процессах ионизации и рекомбинации или обменным путём при непосредств. столкновении возбуждённого атома с невозбуждённым. Из-за малой концентрации атомов в газах процессы резонансной и обменной передачи энергии играют малую роль. Они становятся существенными в конденсиров. средах, где энергия возбуждения может передаваться также с помощью колебаний ядер. И наконец, в кристаллах определяющей становится передача энергии с помощью эл-нов проводимости, дырок и электронно-дырочных пар (экситонов). Если заключит. актом передачи энергии явл. рекомбинация (восстановление ч-ц, напр. эл-нов и ионов или эл-нов и дырок), то сопровождающая этот процесс Л. наз. р е к о м б и н а ц и о н н о й.

В-ва, способные к Л., наз. люминофорами, они должны иметь дискретный энергетич. спектр. В-ва, обладающие непрерывным энергетич. спектром (напр., металлы), не люминесцируют: энергия возбуждения в них непрерывным образом переходит в теплоту.

Второе необходимое условие Л.— превышение вероятности излучат. переходов над вероятностью безызлучательных. Повышение вероятности безызлучат. переходов влечёт за собой тушение люминесценции. Эта вероятность зависит от мн. факторов, возрастает, напр., при повышении темп-ры (температурное тушение), концентрации люминесцирующих молекул (концентрац. тушение) или примесей (примесное тушение). Т. о., тушение Л. зависит как от природы люминесцирующего в-ва и его фазового состояния, так и от внеш. условий. При низком давлении люминесцируют пары металлов и благородные газы, что применяется в газоразрядных источниках света, люминесцентных лампах и газовых лазерах. Л. жидких сред в осн. характерна для р-ров органич. в-в.

Кристаллы, способные люминесцировать, наз. кристаллофосфорами, яркость их Л. зависит от наличия в них примесей (т. н. активаторов), уровни энергии к-рых могут служить уровнями поглощения, промежуточными или излучат. уровнями. Роль этих уровней могут выполнять также валентная зона и зона проводимости.

Рис. 3. Схема квант. переходов при люминесценции кристаллофосфоров: 1 — валентная зона: 3 — зона проводимости. Переход 1®3 соответствует поглощению энергии возбуждения, переходы 3® 4 и 4®3 — захвату в освобождению эл-на метастабильным уровнем («ловушкой» 4). Переход (а) соответствует межзонной люминесценции, (б) — люминесценции центра, (в) — экситонной люминесценции (2 — уровень энергии экситона).

В кристаллофосфорах возбуждение светом, электрич. током или пучком ч-ц может создавать свободные эл-ны, дырки и экситоны (рис. 3). Эл-ны могут мигрировать по решётке, оседая на «ловушках» 4. Л., происходящая при рекомбинации свободных эл-нов с дырками, наз. м е ж з о н н о й или к р а е в о й (рис. 3, в). Если рекомбинирует эл-н с дыркой, захваченной центром свечения (атомом примеси или дефектом решётки), происходит Л. центра (рис. 3, б). При рекомбинации экситонов возникает э к с и т о н н а я Л. (рис. 3, в).

Осн. физ. хар-ки Л.: способ возбуждения (для фотолюминесценции — спектр возбуждения); спектр испускания (изучение спектров испускания Л. составляет часть спектроскопии); состояние поляризации излучения; выход Л., т. е. отношение поглощённой энергии к излучённой (для фотолюминесценции вводится понятие квантового выхода Л.— отношения числа излучённых квантов к числу поглощённых).

Важная хар-ка — кинетика Л., т. е. зависимость свечения от времени, интенсивности излучения I от интенсивности возбуждения, а также зависимость Л. от разл. факторов (напр., темп-ры). Кинетика Л. сильно зависит от типа элем. процесса.

Кинетика затухания резонансной Л. при малой плотности возбуждения и малой концентрации возбуждённых атомов носит экспоненц. хар-р: I=I0e-t/t, где I0 — нач. интенсивность излучения, t — характеризует время жизни на уровне возбуждения, t — длительность свечения. При большой интенсивности возбуждения наблюдается отклонение от экспоненц. закона затухания, вызванное процессами вынужденного излучения. Квант. выход резонансной Л. обычно близок к 1. Кинетика затухания спонтанной Л. также обычно носит экспоненц. хар-р. Кинетика рекомбинационной Л. сложна и определяется зависящими от темп-ры вероятностями процессов рекомбинации, захвата и освобождения эл-нов «ловушками». Наиболее часто встречается гиперболич. закон затухания: I= I0/(1+pt)a (p — пост. величина, a — обычно принимает значение от 1 до 2). Время затухания Л. варьируется в широких пределах от 10-9 с до неск. ч. Если происходят процессы тушения, то сокращаются выход и время затухания. Исследование кинетики тушения Л. позволяет судить о процессах вз-ствия молекул И миграции энергии.

Поляризация Л. связана с ориентацией и мультипольностью излучающих и поглощающих ат. систем.

Изучая физ. параметры Л., получают сведения об энергетич. состоянии в-ва, пространств. структуре молекул, процессах миграции энергии. Для исследования Л. применяются спектральные приборы, регистрирующие её спектр. распределение, флуорометры, измеряющие время затухания Л. (время, в течение к-рого интенсивность Л. падает в е раз). Люминесцентные методы явл. одними из наиб. важных в физике тв. тела. Л. лежит в основе действия лазеров. Биолюминесценция позволила получить информацию о процессах, происходящих в клетках на мол. уровне. Для исследования кристаллофосфоров весьма плодотворно параллельное изучение их Л. И проводимости. Широкое исследование Л. обусловлено также важностью её практич. применений. Яркость Л. и её высокий энергетич. выход позволили создать люминесцентные лампы с высоким кпд. Яркая Л. ряда в-в обусловила развитие метода обнаружения малых количеств примесей, сортировки в-в по их Л. и изучение смесей, напр. нефти (см. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ). Катодолюминесценция лежит в основе свечения экранов осциллографов, телевизоров, локаторов и т. д., в рентгеноскопии используется рентгенолюминесценция. Для яд. физики очень важным оказалось использование радиолюминесценции (см. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЁТЧИК). Л. применяется в дефектоскопии, люминесцентными красками окрашивают ткани, дорожные знаки и т. д.