Фотолюминесценция. Закон Стокса
Фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.
Начальным
актом любой фотолюминесценции является
возбуждение
фотоном
с энергией 
атома или молекулы.
В
наиболее простом случае, который обычно
реализуется в одноатомных парах и газах,
атом
возвращается в основное состояние,
излучая фотон света той же частоты 
(рис. 4):
Это явление называют резонансной флуоресценцией (резонансным рассеянием).
Проведенные эксперименты показали, что такое свечение возникает приблизительно через 10-8 с после освещения вещества и поэтому не является рассеянием в обычном понимании этого слова.
При добавлении в люминесцирующие пары инородных газов (водород, кислород и др.) резонансная флуоресценция уменьшается.
Это происходит потому, что за время, пока атом находится в возбужденном состоянии, он может встретиться с молекулой другого сорта и отдать ей энергию. Кинетическая энергия молекулы при этом возрастает, а атом безызлучательно переходит в основное состояние.
Иная флуоресценция возникает, если переход из возбужденного состояния в основное происходит постепенно через промежуточные возбужденные состояния (рис. 5):
Энергия как бы «разменивается» и излучаются фотоны с меньшими частотами.
В сложных органических молекулах возникает переход из возбужденного состояния в некоторое промежуточное, метастабильное, из которого переход в основное маловероятен. За счет молекулярно-кинетической энергии окружающих частиц возможно вновь возвращение молекулы на возбужденный уровень, а с него переход в основное состояние (рис. 6):
Таков один из механизмов фосфоресценции. Нагревание увеличивает вероятность ухода с метастабильного уровня и усиливает фосфоресценцию.
Экспериментальное изучение спектров фотолюминесценции показало, что они, как правило, отличаются от спектров возбуждающего излучения.
Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра, вызвавшего эту фотолюминесценцию (рис.7):
Энергетический
выход 
люминесценции (6) может при некоторых
условиях быть очень большим, достигающим
0,8. У жидких и твердых тел он зависит от
длины волны возбуждающего света.
Закон
Вавилова: энергетический
выход люминесценции сначала растет
пропорционально длине волны возбуждающего
света 
,
а затем, достигнув максимума, резко
падает до нуля.
На рисунке 8 приведен график зависимости от λв, полученный С.И. Вавиловым для раствора флуоресцеина:
Вопрос 3. Применение люминесценции
Люминесценция широко применяется в осветительной технике. На ней основана люминесцентная лампа, состоящая из стеклянной трубки, у которой внутренняя поверхность стенок покрыта тонким слоем люминофора. В торцы впаяны электроды. Трубка наполнена парами ртути и аргоном: парциальное давление паров ртути составляет около 1 Па, аргона – 400 Па.
Люминесцентная лампа включается в электросеть последовательно с дросселем и стартером (служащим для предварительного разогрева электродов)
Возникающий в лампе газовый разряд вызывает электролюминесценцию паров ртути.
В спектре этой люминесценции наряду с видимым светом имеется ультрафиолетовое излучение с длиной волны 257 нм, которое возбуждает фотолюминесценцию люминофора на стенках лампы.
Значит, в люминесцентной лампе совершается двойное преобразование энергии: электрическая преобразуется в энергию УФ-излучения паров ртути, которая, в свою очередь, превращается в энергию видимого излучения люминофора.
Изменяя состав люминофора, можно изготавливать лампы с необходимым спектром фотолюминесценции. Изготавливают лампы белого, тепло-белого, холодно-белого и дневного света.
Спектральный состав излучения лампы дневного света близок к рассеянному свету северной части небосвода. Лампа холодно-белого света имеет спектр, подобный спектру солнечной радиации.
В этой связи такие лампы успешно применяются для «досвечивания» сельскохозяйственных культур, выращиваемых на защищенном грунте.
Люминесцентные лампы экономичны, их КПД в 10-20 раз больше, чем у ламп накаливания, а также весьма долговечны (срок службы ~10000 часов).
Лампы применяются для люминесцентного анализа – метода определения состава вещества по спектру его фотолюминесценции, возбуждаемой УФ лучами. Этот метод позволяет выявлять самые начальные стадии загнивания пищевых продуктов, обнаруживать следы нефти в пробах почвы, извлеченных из буровых скважин и т.п. С помощью фотолюминесценции можно обнаружить тончайшие трещины на поверхности детали.
Фотолюминесценция используется для маскировочного освещения и декоративных целей (краски).
Люминесцентный анализ применяется и в медицине для обнаружения порчи продуктов, сортировки фармакологических препаратов и диагностики некоторых заболеваний. Пораженные грибком волосы и чешуйки под ультрафиолетовым светом дают ярко-зеленое люминесцентное свечение. Если ввести подкожно люминесцентное красящее вещество, то можно определить проницаемость капилляров. Люминесцентный анализ проводят с помощью люминесцирующих микроскопов.