Природне застосування холодного світіння - люмінесценція (наприклад, світіння гнилих пнів і різних живих істот) спостерігалися, звичайно, і первісною людиною, але свідоме опис цих явищ і з'ясування їх здібностей почалося лише близько 400 років тому.
Люмінесценція звернула на себе уваги найбільших натуралістів XVII століття: Р. Бойля, Г. Галілея та І. Ньютона, а проте більше 300 років вона вважалася одним з найбільш «таємничих» і не пояснюваних явищ природи. Це зрозуміло, тому що повсюдно застосовувалися розпечені джерела світла міцно затвердили в людській свідомості уявлення про нерозривний зв'язок виникнення світла з сильним нагріванням тел.
Систематичні кількісні дослідження холодного світіння були розпочаті 100 років тому працями англійського фізика Е. Беккереля.
Слід зазначити, що два найбільших відкриття кінця XIX століття: променів Рентгена і радіоактивності нерозривно пов'язані з дослідженням люмінесценції.
Рентгенівські екрани для рентгенографії були одним з перших найважливіших застосувань люмінесценції для технічних цілей. Незабаром люмінесцентні речовини стали використовуватися для нанесення на екрани осцилографів. Майже одночасно, в 90-х роках минулого століття, світіння газів у розрядних трубках було використано для цілей декоративного освітлення. З цього часу застосування люмінесценції в техніці безперервно зростала, а разом з тим швидко наростав і темп наукового дослідження цих явищ.
Опис явища люмінесценції ми почнемо порівнянням люмінесценції з більш звичним видом власного випромінювання тіл-з температурним випромінюванням.
Природний світ ми отримуємо від Сонця - розжареного тіла, поверхня якого має температуру близько 5700 градусів Цельсія. Палаюче вогнище, полум'я гасової лампи розжарювання-все це розпечені джерела світла.
Однак більш уважне спостереження явищ природи виявляє існування і джерел холодного світіння. Згадаймо про величні північних сяйвах, про світіння гнилушек в лісі, жуків і інших комах, бактерій і різних морських тварин: каракатиць, рачків, морських зірок, деяких риб і т. д. Температура їх світяться органів близька до температури навколишнього середовища.
Люмінесценція виникає при перетворенні у світ енергії, поглиненої атомами, молекулами або іонами деяких речовин. Далеко не всі речовини здатні давати люмінесценцію. Частинки люмінесцентної речовини, поглинувши енергію, приходять в особливе збуджений стан, яке триває деякий, зазвичай дуже незначне, час, повертаючись у вихідне, нормальний стан, порушені частинки віддають надлишок енергії у вигляді світла-люмінесценції. Необхідну для порушення світіння енергію можна повідомити частками люмінесцентної речовини різними шляхами: можна направити на нього потік світлових променів, можна досягти збудження частинок ударами електронів і т. д.
Розглянемо тепер світіння розжарених тіл. Частинки нагрітого тіла володіють великою тепловою енергією, яка при їх зіткненнях може передаватися від однієї частинки до іншої, а також випромінюватися у вигляді електромагнітних хвиль. Невелика частина електромагнітного випромінювання сильно нагрітого тіла відноситься до області видимого світла т може сприйматися оком. Частка видимого світла загалом, випромінюванні тіла зростає при підвищенні температури, проте при температурах, які можна досягти в лампах розжарювання, переважна частина електромагнітного випромінювання завжди доводиться на невидиму частину спектру.
Істотно відзначити, що температурне випромінювання виникає в системі величезного числа частинок, енергетичний стан яких знаходитися в динамічній рівновазі з електромагнітним випромінюванням, що даються тими ж частками: в будь-яку мить стільки ж частинок системи дає випромінювання і переходить в збудженому стані, скільки поглинає електромагнітну енергію з поля випромінювання приходить в збуджений стан.
Умови, в яких порушуються і світять частки люмінесцентної речовини, зовсім відмінні від умов, в яких знаходяться частки розжареного тіла. У той час як при нагріванні тіла збільшується енергія всіх його частинок, при порушенні люмінесценції енергії отримують лише окремі частки, що залишаються в оточенні величезного числа збудженому частинок.
Найбільш простим способом збудження люмінесценції є висвітлення люмінесцентної речовини ультрафіолетовими променями або короткохвильовими променями видимого світла, при цьому в кожен даний момент світло поглинають лише деякі частинки люмінесцентної речовини, яке і приходять у збуджений стан.
Різниця між температурним випромінюванням розжарених тіл і люмінесценцією можна пояснити таким уявним досвідом. Якщо температурний джерело світла миттєво відокремити від навколишнього середовища описаної вище дзеркальної оболонкою, то випромінювання всередині його обсягу практично не змінюється, і він безмежно довго буде різко змінювати свій стан, і світіння більш-менш швидко загасне.
Температурне випромінювання дають і тіла; в тому числі слабке інфрачервоне випромінювання дають і тіла, що знаходяться при кімнатній температурі. Тому, строго кажучи, для знаходження величини люмінесценції з спостережуваного світіння слід віднімати температурне випромінювання світиться тіла. Крім того, як зазначив академік С. І. Вавилов, важливою ознакою люмінесценції є її помітна тривалість за
-13 -15
порівнянні зі світловими коливаннями, що мають період10 - 10 сек. Світіння люмінесценції триває, принаймні, десятимільярдних частку секунди після припинення збудження, тобто енергія, поглинена частинками речовини, не випромінюється миттєво. Цим люмінесценція відрізняється від інших видів світіння, наприклад від випромінювання поверхонь, що відбивають і розсіюють світло якогось стороннього джерела.
Світіння, яке виникає під дією світла, називається фотолюмінесценції
При фотолюмінесценції речовина, що поглинула світло, зазвичай перетворює випромінювання однієї довжини хвилі у випромінювання іншої довжини хвилі. Наприклад, якщо порушення виробляється невидимим ультрафіолетовими променями або синіми променями, то люмінесценція може бути зеленого або червоного кольору. Таким чином, люмінесцирующие частинки віддають світлову енергію у вигляді світлових променів інший, зазвичай більшої довжини хвилі. Таке перетворення світлової енергії всередині молекули протікає здебільшого протягом мільярдних часток секунди, а проте іноді, внаслідок особливих властивостей люмінесцентної середовища, цей процес затягується на секунди, а в особливо складних випадках, на яких ми зупинимося нижче, навіть на цілі години.
Як вказувалося вище, люмінесценцію можна порушити не лише світловими променями, але й ударами електронів та інших швидко рухомих частинок. Таке походження світіння газу в розрядних трубках, які ми часто спостерігаємо у вітринах магазинів. Наведені в швидкий рух електричним полем електрони, соударяясь з частинками газу, що наповнює трубку, приводять останнє в збуджений стан. Для наповнення розрядних трубок застосовуються гелій, неон, аргон і пари ртуті. Гелій дає рожеве свічення, неон - помаранчеве, пари ртуті - біле свічення, в якому особливо сильно розвинені синя, зелена і жовта частини спектра; аргон світить блакитним світлом і т. д.
Електрони та інші швидкорухомі заряджені частинки можуть застосовуватися для порушення світіння і багатьох твердих тіл, зокрема, спеціальних кристалічних порошків; їх світіння, що виникає в розрядній трубці під дією потоку швидких електронів, називається катодолюмінесценцію.
Існують і інші види збудження люмінесценції. Так. Світіння, що порушується променями радіоактивних речовин, називається радіолюмінесценції; світіння, що виникає під дією променів Рентгена, - рентгенолюмінесценції; світіння, що спостерігається при хімічних реакціях, - хемілюмінесценції. Окремим випадком хемілюмінесценції є згадане вище світіння живих істот-біолюмінесценція. Світіння, яке виникає при механічному терті і роздавлюванні люмінесцентних речовин, називається тріболюмінесценції, світіння під дією прикладеного електричного поля - електролюмінесценції.
Люмінесценція звернула на себе уваги найбільших натуралістів XVII століття: Р. Бойля, Г. Галілея та І. Ньютона, а проте більше 300 років вона вважалася одним з найбільш «таємничих» і не пояснюваних явищ природи. Це зрозуміло, тому що повсюдно застосовувалися розпечені джерела світла міцно затвердили в людській свідомості уявлення про нерозривний зв'язок виникнення світла з сильним нагріванням тел.
Систематичні кількісні дослідження холодного світіння були розпочаті 100 років тому працями англійського фізика Е. Беккереля.
Слід зазначити, що два найбільших відкриття кінця XIX століття: променів Рентгена і радіоактивності нерозривно пов'язані з дослідженням люмінесценції.
Рентгенівські екрани для рентгенографії були одним з перших найважливіших застосувань люмінесценції для технічних цілей. Незабаром люмінесцентні речовини стали використовуватися для нанесення на екрани осцилографів. Майже одночасно, в 90-х роках минулого століття, світіння газів у розрядних трубках було використано для цілей декоративного освітлення. З цього часу застосування люмінесценції в техніці безперервно зростала, а разом з тим швидко наростав і темп наукового дослідження цих явищ.
Опис явища люмінесценції ми почнемо порівнянням люмінесценції з більш звичним видом власного випромінювання тіл-з температурним випромінюванням.
Природний світ ми отримуємо від Сонця - розжареного тіла, поверхня якого має температуру близько 5700 градусів Цельсія. Палаюче вогнище, полум'я гасової лампи розжарювання-все це розпечені джерела світла.
Однак більш уважне спостереження явищ природи виявляє існування і джерел холодного світіння. Згадаймо про величні північних сяйвах, про світіння гнилушек в лісі, жуків і інших комах, бактерій і різних морських тварин: каракатиць, рачків, морських зірок, деяких риб і т. д. Температура їх світяться органів близька до температури навколишнього середовища.
Люмінесценція виникає при перетворенні у світ енергії, поглиненої атомами, молекулами або іонами деяких речовин. Далеко не всі речовини здатні давати люмінесценцію. Частинки люмінесцентної речовини, поглинувши енергію, приходять в особливе збуджений стан, яке триває деякий, зазвичай дуже незначне, час, повертаючись у вихідне, нормальний стан, порушені частинки віддають надлишок енергії у вигляді світла-люмінесценції. Необхідну для порушення світіння енергію можна повідомити частками люмінесцентної речовини різними шляхами: можна направити на нього потік світлових променів, можна досягти збудження частинок ударами електронів і т. д.
Розглянемо тепер світіння розжарених тіл. Частинки нагрітого тіла володіють великою тепловою енергією, яка при їх зіткненнях може передаватися від однієї частинки до іншої, а також випромінюватися у вигляді електромагнітних хвиль. Невелика частина електромагнітного випромінювання сильно нагрітого тіла відноситься до області видимого світла т може сприйматися оком. Частка видимого світла загалом, випромінюванні тіла зростає при підвищенні температури, проте при температурах, які можна досягти в лампах розжарювання, переважна частина електромагнітного випромінювання завжди доводиться на невидиму частину спектру.
Істотно відзначити, що температурне випромінювання виникає в системі величезного числа частинок, енергетичний стан яких знаходитися в динамічній рівновазі з електромагнітним випромінюванням, що даються тими ж частками: в будь-яку мить стільки ж частинок системи дає випромінювання і переходить в збудженому стані, скільки поглинає електромагнітну енергію з поля випромінювання приходить в збуджений стан.
Умови, в яких порушуються і світять частки люмінесцентної речовини, зовсім відмінні від умов, в яких знаходяться частки розжареного тіла. У той час як при нагріванні тіла збільшується енергія всіх його частинок, при порушенні люмінесценції енергії отримують лише окремі частки, що залишаються в оточенні величезного числа збудженому частинок.
Найбільш простим способом збудження люмінесценції є висвітлення люмінесцентної речовини ультрафіолетовими променями або короткохвильовими променями видимого світла, при цьому в кожен даний момент світло поглинають лише деякі частинки люмінесцентної речовини, яке і приходять у збуджений стан.
Різниця між температурним випромінюванням розжарених тіл і люмінесценцією можна пояснити таким уявним досвідом. Якщо температурний джерело світла миттєво відокремити від навколишнього середовища описаної вище дзеркальної оболонкою, то випромінювання всередині його обсягу практично не змінюється, і він безмежно довго буде різко змінювати свій стан, і світіння більш-менш швидко загасне.
Температурне випромінювання дають і тіла; в тому числі слабке інфрачервоне випромінювання дають і тіла, що знаходяться при кімнатній температурі. Тому, строго кажучи, для знаходження величини люмінесценції з спостережуваного світіння слід віднімати температурне випромінювання світиться тіла. Крім того, як зазначив академік С. І. Вавилов, важливою ознакою люмінесценції є її помітна тривалість за
-13 -15
порівнянні зі світловими коливаннями, що мають період10 - 10 сек. Світіння люмінесценції триває, принаймні, десятимільярдних частку секунди після припинення збудження, тобто енергія, поглинена частинками речовини, не випромінюється миттєво. Цим люмінесценція відрізняється від інших видів світіння, наприклад від випромінювання поверхонь, що відбивають і розсіюють світло якогось стороннього джерела.
Світіння, яке виникає під дією світла, називається фотолюмінесценції
При фотолюмінесценції речовина, що поглинула світло, зазвичай перетворює випромінювання однієї довжини хвилі у випромінювання іншої довжини хвилі. Наприклад, якщо порушення виробляється невидимим ультрафіолетовими променями або синіми променями, то люмінесценція може бути зеленого або червоного кольору. Таким чином, люмінесцирующие частинки віддають світлову енергію у вигляді світлових променів інший, зазвичай більшої довжини хвилі. Таке перетворення світлової енергії всередині молекули протікає здебільшого протягом мільярдних часток секунди, а проте іноді, внаслідок особливих властивостей люмінесцентної середовища, цей процес затягується на секунди, а в особливо складних випадках, на яких ми зупинимося нижче, навіть на цілі години.
Як вказувалося вище, люмінесценцію можна порушити не лише світловими променями, але й ударами електронів та інших швидко рухомих частинок. Таке походження світіння газу в розрядних трубках, які ми часто спостерігаємо у вітринах магазинів. Наведені в швидкий рух електричним полем електрони, соударяясь з частинками газу, що наповнює трубку, приводять останнє в збуджений стан. Для наповнення розрядних трубок застосовуються гелій, неон, аргон і пари ртуті. Гелій дає рожеве свічення, неон - помаранчеве, пари ртуті - біле свічення, в якому особливо сильно розвинені синя, зелена і жовта частини спектра; аргон світить блакитним світлом і т. д.
Електрони та інші швидкорухомі заряджені частинки можуть застосовуватися для порушення світіння і багатьох твердих тіл, зокрема, спеціальних кристалічних порошків; їх світіння, що виникає в розрядній трубці під дією потоку швидких електронів, називається катодолюмінесценцію.
Існують і інші види збудження люмінесценції. Так. Світіння, що порушується променями радіоактивних речовин, називається радіолюмінесценції; світіння, що виникає під дією променів Рентгена, - рентгенолюмінесценції; світіння, що спостерігається при хімічних реакціях, - хемілюмінесценції. Окремим випадком хемілюмінесценції є згадане вище світіння живих істот-біолюмінесценція. Світіння, яке виникає при механічному терті і роздавлюванні люмінесцентних речовин, називається тріболюмінесценції, світіння під дією прикладеного електричного поля - електролюмінесценції.