IV.Фотолюминесценция.Правило Стокса.

Некоторые тела при освещении не только отражают часть падающего на них света, но и начинают светиться. Такое свечение, или люминес­ценция,отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение.

Примером легко наблюдаемой люминесценции может служить синевато-молочное свечение керосина, рассматриваемого на дневном свету. Очень большое число растворов красок и других веществ обнаруживают люминесценцию, особенно под действием источ­ников, испускающих ультрафиолетовый свет (например, электри­ческой дуги или ртутной лампы). Свечение такого рода называют фотолюминесценцией, желая подчеркнуть, что оно возникает под действием света.

Изменение цвета свечения по сравнению с цветом возбуждающего света нередко заметно на глаз. Еще лучше наблю­дается указанная особенность, если сравнить спектр света люминесценции со спектром возбуждающего света. Все эти наблю­дения показывают, что:

Правило Стокса

свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем свет возбуждающий.

Ключ к пониманию правила Стокса дают квантовые представления. Вообразим, что свечение вызывается монохроматическим светом частоты ν. Таким образом, молекула люминесцирующего вещества поглощает энергию в виде квантаhν. Процессы, вызывае­мые поглощенной энергией в молекуле, довольно сложны. Часть энергии кванта расходуется на эти процессы, а часть вновь испускается в виде света люминесценции. Испускаемый квант должен, следовательно, иметь меньшую энергию, т.е. соответствовать меньшей частоте ν'.Это уменьшение частоты (увеличение длины волны) и составляет содержание правила Стокса.

Применяя источники света, содержащие значительное количество коротких (ультрафиолетовых) лучей, можно обнаружить, что почти все тела обладают способностью в большей или меньшей степени люминесцировать. Нередко удаётся значительно усилить люминесценцию, сильно охладив тело, например, погрузив его в жидкий воздух.

Некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось.

Такое послесвечениеможет иметь различную длительность. В некоторых объектах оно продолжается очень малое время (деся­титысячные доли секунды и меньше). В других оно тянется много секунд и даже минут (часов), так что наблюдение его не представляет ни­каких трудностей.

Принято называть свечение, прекращающееся вместе с освещением, флюоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность –фосфоресценцией.

Явление длительной фосфоресценции обнаруживают многие специально приготовленные кристаллические порошки. Ими поль­зуются для изготовления, так называемых фосфоресцирующих экра­нов. Лист картона, покрытый, например, порошком сернистого цинка, представляет хороший фосфоресцирующий экран, сохра­няющий свое свечение две-три минуты после освещения.

Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей. Следует отметить, впрочем, что явление люминесценции под дейст­вием рентгеновских лучей более сложно, чем под действием обычного света, ибо при этом играют роль быстрые электроны, вырывае­мые рентгеновскими лучами.

Очень важное применение нашли в последнее время фосфоресци­рующие порошки при изготовлении ламп дневного све­та. В газосветных лампах свечение, возникающее при электрическом токе в газе, например в парах ртути, обычно содержит много ультрафиолетового света, не только не пригодного для освещения, но и вредного для глаза. Покрывая (по предложению С.И. Вавилова) внутренность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, удалось превратить этот ультрафиоле­товый свет в видимый (в согласии с правилом Стокса). Это приводит к большой экономии, ибо в таких лампах в энергию видимого света превращается примерно в три раза большая доля электри­ческой энергии, чем в лампочках накаливания. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно добиться также и улучшения спектрального состава излучаемого света, приближая его к спектральному составу дневного света. Так уст­роены современные лампы дневного света.

Кроме упомянутого уже при­менения люминесценции для фосфоресцирующих экранов и различных светящихся красок для декоративных и театральных целей необходимо отметить еще одну важную область применения ее. Явления люминесценции характеризуются крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда располагать 10^-10г светящегося вещества, например, в виде раствора, чтобы иметь возможность об­наружить его по характерному свечению. Возможно наблюдение при помощи люминесценции ничтожных следов вещества, состав­ляющего миллионную долю процента в какой-нибудь смеси. Эта высокая чувствительность делает люминесценцию важным сред­ством обнаружения некоторых ничтожно малых примесей, позволяющим судить о каких-либо загрязнениях или процессах, приво­дящих к изменению исходного вещества.

При помощи люминесценции можно обнаружить самые начальные стадии загнивания продуктов. Известны приме­нения люминесцентного анализа при разведке нефти. Если почва, извлекаемая при бурении, содержит ничтожные следы нефти, то их можно легко обнаружить по флюоресценции. Таким образом, удается судить о близости нефтеносных слоев. Существует и много других областей технического применения люминесцентного ана­лиза.

Люминесцентный анализ в нашей стране получил широкое применение под руко­водством С.И. Вавилова.