Фотолюминесценция

Сырттан түсірілген жарық әсерінен кейбір денелер өздері, қызбай-ақ жарық шығарады. Сондағы шыққан жарық тербелістері жиілігі оның қоздырушы жарық тербелістері жиілігінен өзгеше болады. Мұндай құбылыс фотолюминесценция деп аталады. Денелердің қызбай-ақ басқа бір себептен жарық шығаруы жалпы люминесценция деп аталады, сөйтіп фотолюминесценциясын тәжірибе жасап бақылау қиын емес, әсіресе қатты және сұйық денелердің осылай жарық шығаруын бақылау оңай. Мысалы, бір колбаға құюлы бояу ерітіндісіне күшті жарық түскенде сол ерітінді өзіне тән жарық шығарады да, бір бүйірінен қарағанда ондағы жарық шоғы бояу түсті болып көрінеді. Егер колбаға флуоресцейн бояуы ерітіндісі құйылған болып, оған күлгін сәулелер түсірілсе онда жарық шоғы сарғылт – жасыл түсті; хинин ерітіндісі құйылған болса көкшіл түсті болып көрінеді. Осылайша әрбір заттан шығатын жарық түсі оны қоздырушы жарық түсінен басқа болады. Тәжірибеге қарағанда көк түсті жарық қоздырған фотолюминесценция жарығы жасыл түсті болуы мүмкін. Ультракүлгін сәулелерінің әсерінен кейбір тұз көрінетін жарық сәулелерін шығарады. Сөйтіп көп жағдайда фотолюминесценция жарығы толқыны оны қоздырушы жарық толқынынан ұзын болады. Бұл қағиданы ең алғаш (1852) ағылшын физигі Стокс тағайындаған, сондықтан Стокс ережесі деп аталады. Бұл ережені жарықтың фотондық теориясы бойынша түсіндіруге болады. Люминесценция кезінде дене бетіне жарықты жұтады, сонда бір фотон жұтылғанда бір фотон ұшып шығатын болса, онда жұтылған фотон энергиясы- (ε = hv₀ = h ) ұшып шыққан фотон энергиясына (ε = hv = h ) және заттың ішінде энергияның басқа түрлеріне айналады. Энергияның сақталу заңы бойынша:

hv₀= hv+А немесе hv = hv₀ – А

мұндағы А – жұтылған фотон энергиясының энергияның басқа түрлеріне айналған үлесі. Егер А>0 болса онда ν<ν₀ болады, немесе λ>λ₀ (Стокс ережесі).

Кейбір жағдайларда Стокс ережесі дәл орындалмайды, люминесценция жарығы құрамындағы кейбір сәулелер толқын ұзындығы оны қоздырушы жарық толқыны ұзындығынан кем болады. Сондай Стокс ережесіне қайшы келетін жарық сәулелері пайда болу үшін теңдіктегі А<0 болуға тиіс, яғни люминесценция жарық фотоны энергиясы заттың ішкі энергиясы есебінен артуы қажет.

Люминесценцияның маңызды сипаттамаларының бірі – энергетикалық шығым делінетін шама болады. С.И.Вавиловтың берген анықтамасы бойынша: люминесценцияның энергетикалық шығымы дегеніміз заттан шыққан люминесценция жарығы энергиясының оны қоздырушы жұтылған энергияға қатынасы болады. Жүргізілген өлшеулерге қарағанда сұйықтың люминесценция энергетикалық шығыны үлкен, 80%-ке дейін болады. Люминесценция шығымы жарық толқыны ұзындығына тәуелді. Бұл мәселені ең алғаш С.И.Вавилов зерттеген. Мысал ретінде 7.3-суретте флуоресцейн ерітіндісі люминесценция энергетикалық шығымының қоздырушы жарық толқыны ұзындығына тәуелділігі график түрінде кескінделген. Бұған қарағанда: люминесценция знергетикалы шығымы (η)белгілі бір шекке жеткенше коздырушы жарық толкыны ұзындығына пропорционал болып өседі де толқын ұзындығының белгілі интервалында онша өзгермейді, одан соң кеміп нольге теңеледі. Бұл қағида Вавилов заңы деп аталады.

Вавилов заңы жарықтың кванттық касиеттерінің тікелей салдары болып табылады,

7.3.-сурет. Люминесценция энергетикалық шығымның толқын ұзындығына тәуелділігі.

Мысалы, денеге түскен жарықтың бір фотоны әсерінен люминесценция жарығының бір фотоны пайда болатын болсын. Сонда люминесценция энергетикалық шығымы осы фотондар энергияларының қатынасына тең болады. Фотон­ның энергиясы жарық толкы­ны ұзындығына кері пропор­ционал (ε =hv = h ) болғандықтан, қоздырушы жарық толкы­ны ұзарғанда оның фотонының энергиясы кемиді, сонымен бірге люминесценция шығымы азаяды; қоздырушы жарық толқыны өте ұзын болған жағдайда оның фотонының энергиясы тым аз болып, люминесценция жарығын қоздыра алмайды, энергетикалык шығым нольге теңеледі.

Люминесценция жарығының тағы бір негізгі қасиеті оның ұзақтылығы болады. Кейбір қатты және сұйық заттар сыртқы қоздырушы фактор әсері тоқталған соң да біраз уақыт жарық шығарып тұрады. Әр түрлі заттың осылай әсер соңынан жарық шығаруының ұзақтылығы түрліше болады, секундтың миллиардтық үлесіне бірнеше сағатқа, тіпті бірнеше тәулікке де созылады. Люминесценцияның қоздырушы жарық әсері тоқталған соң көзбен көрерлік уақыт созылатын түрі, әдетте фосфоренценция деп аталады. Ал бірқатар заттардың жарық шығаруы қоздырушы жарық әсері тоқталуымен бірге тоқталады. Фотолюминесценцияның бұл түрі флуоресценция деп аталады. Бірақ люминесценцияның осы қасиетіне қарап, фосфоресценция және флуоресцен­ция деп екі түрге бөлу шындығында шартты түрде ғана бөлу болып табылады. Өйткені дәл әдістер қолданып жүргізілген зерттеулер люминесценцияның барлық түрлері сыртқы әсер тоқталған соң азды-көпті уақытқа созылатындығын көрсетіп оны отыр. Мысалы, сұйықтардың типтік флуоресценциясының өзі оны қоздырушы әсер тоқталысымен лезде жойылып кетпейді, шамамен 10^-8 секундтай созылады. Сондықтан «фосфоресценция» көрерлік соңғы жарық берілмейтін қысқа процесс айтылады. Флуоресценцияның сөну ұзақтығы 10 ^-8—10 ^-5 секундқа, фосфоресценциянікі секунд үлесінен бастап бірнеше сағатқа созылады. Фосфоресценциялану қабілеті бар заттар фосфорлар деп аталады. Олардың бір түрі негізгі затқа азын-аулақ ауыр металдар қосылып ұнтақ кристалл түрінде жасалады, мысалы ZnS, CaS, SrS,... сықылды күкіртті металдарға азғана Си, Мn, Ві немесе басқа бір элемент қосып қақталып жасалады. Фосфорлардың көпшілігі толқын ұзындығы 2500 - 2850 нм ультракүлгін сәулелер әсерінен қозады да, көзге көрінетін жарық шығарады. Ол жарықтың спектрлік құрамы түрліше болады. Фосфорлардың люминесценция энергетикалық шығымы 50—60% болады. Фосфоренценция кезінде «кванттық
шығым» бірге тең болуы, яғни жұтылған жарықтың әрбір
фотонына люминесценция жарығының бір фотоны сай келуі
мүмкін.

Фосфоресценция құбылысы көпке дейін түсініксіз болып келді. Әсіресе люминесценция жарығын күшейту үшін фосфордың негізгі затына қосылатын ауыр металдар (активаторлар) ролі түсініксіз болды. Бұл мәселелер қазір қатты денелердің зоналық теориясына, негізделіп, түсіндірліп отыр. Фосфорлар ка­тод сәулелері (электрондар шоғы) түскенде де жарық шығарады. Люминесценцияның бұл түрі катодолюминесценция деп аталады. Люминесценция кұбылысьның басқа түрлері де кездеседі. Мысалы, кейбір заттар рентген сәулелерінің әсерінен жарық шығарады, бұл құбылыс рентген люминесцен­ция делінеді. Кейбір заттар радиоактивтік сәулелер (α, β, γ— сәулелер) әсерінен жарық шығарады, бұл — радиолюминесценция деп аталады. Бірсыпыра зат өзінде жүріп жатқан химиялық реакциялар салдарынан жарық шығарады, бұл құбылыс хемилюминесценция делінеді. Мұның дербес бір түрі биолюминесценция деп аталады, мысалы, кейбір насекомдардың, балықтардың, бактериялардың тағы сол сияқтылардың жарық шығаруы люминесценцияның сол түріне жатады.