ЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 18. Москва, 2011, стр. 257-259

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Ю. П. Тимофеев

ЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ (от лат. lumen, род. п. luminis – свет, и -escent- – суф­фикс, оз­на­чаю­щий сла­бое дей­ст­вие), оп­тич. не­ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние, воз­ни­каю­щее при воз­бу­ж­де­нии твёр­дых тел, рас­тво­ров и га­зов. Ин­тен­сив­ность Л. пре­вос­хо­дит ин­тен­сив­ность те­п­ло­во­го из­лу­че­ния тех же объ­ек­тов в оп­тич. диа­па­зо­не. Вре­мя по­слес­ве­че­ния (све­че­ния по­сле пре­кра­ще­ния внеш­не­го воз­дей­ст­вия) Л. мно­го­крат­но пре­вы­ша­ет пе­ри­од све­то­вых ко­ле­ба­ний (10–15–10–14 с) и со­став­ля­ет от 10–10 с до не­сколь­ких ча­сов. Л. так­же на­зы­ва­ют эле­мен­тар­ные про­цес­сы, в ре­зуль­та­те ко­то­рых воз­ни­ка­ет та­кое из­лу­че­ние. Совр. тео­рия Л. ос­но­ва­на на кван­то­во­ме­ха­нич. пред­став­ле­ни­ях об элек­тро­маг­нит­ном из­лу­че­нии, строе­нии ве­ще­ст­ва и взаи­мо­дей­ст­вии из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом. Для ка­че­ст­вен­но­го по­ни­ма­ния при­ро­ды Л. дос­та­точ­ны пер­во­на­чаль­ные пред­став­ле­ния о кван­тах све­та и дис­крет­ных воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ни­ях ато­мов и мо­ле­кул, впер­вые сфор­му­ли­ро­ван­ные Н. Бо­ром в 1913. Л. воз­ни­ка­ет при оп­ре­де­лён­ных (на­зы­вае­мых спон­тан­ны­ми из­лу­ча­тель­ны­ми) пе­ре­хо­дах ато­мов, ио­нов или мо­ле­кул из со­стоя­ний с бо­лее вы­со­кой энер­ги­ей в со­стоя­ния с бо­лее низ­кой энер­ги­ей, в т. ч. в осн. со­стоя­ние. Не­ко­то­рые свой­ст­ва Л. уда­ёт­ся объ­яс­нить и с по­мо­щью клас­сич. вол­но­вой тео­рии, опи­сы­ваю­щей эле­мен­тар­ные ис­точ­ни­ки Л. как гар­мо­нич. ос­цил­ля­то­ры.

История исследований

Не­ко­то­рые слу­чаи Л., на­блю­даю­щие­ся в при­ро­де (све­че­ние на­се­ко­мых, гнию­щих де­ревь­ев, а так­же ми­не­ра­лов), бы­ли из­вест­ны с глу­бо­кой древ­но­сти и при­влек­ли вни­ма­ние учё­ных ещё в 16 в., ко­гда ста­ло по­нят­ным, что это из­лу­че­ние не обу­слов­ле­но на­гре­ва­ни­ем тел (по­это­му Л. час­то на­зы­ва­ют хо­лод­ным све­че­ни­ем). Тер­мин «Л.» впер­вые пред­ло­жил в 1888 Г. Ви­де­ман, оп­ре­де­лив­ший Л. как из­бы­ток ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния над ин­тен­сив­но­стью те­п­ло­во­го из­лу­че­ния те­ла. Ис­то­рия ис­сле­до­ва­ния Л. тес­но свя­за­на с от­кры­ти­ем рент­ге­нов­ских лу­чей, ес­теств. ра­дио­ак­тив­но­сти, ус­та­нов­ле­ни­ем элек­трон­ной при­ро­ды ка­тод­ных лу­чей и т. д.: все эти лу­чи бы­ли от­кры­ты в хо­де ис­сле­до­ва­ния яв­ле­ния лю­ми­нес­цен­ции.

Сис­те­ма­тич. ис­сле­до­ва­ния Л. на­ча­лись в 1-й пол. 20 в. в свя­зи с раз­ви­ти­ем её прак­тич. при­ме­не­ний. Прин­ци­пи­аль­ное уточ­не­ние оп­ре­де­ле­ния Л. да­но в кон. 1930-х гг. С. И. Ва­ви­ло­вым, ко­то­рый ввёл до­пол­нит. кри­те­рий дли­тель­но­сти по­слес­ве­че­ния. Со­глас­но его оп­ре­де­ле­нию, Л. на­зы­ва­ет­ся из­бы­ток из­лу­че­ния над те­п­ло­вым из­лу­че­ни­ем, ес­ли это из­лу­че­ние об­ла­да­ет инер­ци­он­но­стью (дли­тель­но­стью пос­ле­све­че­ния), мно­го­крат­но пре­вы­шаю­щей пе­ри­од све­то­вых ко­ле­ба­ний. Та­кой кри­те­рий дли­тель­но­сти по­зво­лил от­де­лить Л. от др. ма­ло­инер­ци­он­ных ви­дов из­лу­че­ния: из­лу­че­ния Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва, тор­моз­но­го, син­хро­трон­но­го и др. По­сле соз­да­ния ла­зе­ров во 2-й пол. 20 в. поя­ви­лась не­об­хо­ди­мость ука­зать на от­сут­ст­вие ко­ге­рент­но­сти лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния, что от­ли­ча­ет Л. от ла­зер­но­го из­лу­че­ния. В изу­че­нии осн. за­ко­но­мер­но­стей Л. и раз­ви­тии её при­ме­не­ний осо­бое зна­че­ние име­ют ра­бо­ты, про­ве­дён­ные в 20 в. рос. фи­зи­ка­ми на­уч. шко­лы, соз­дан­ной Ва­ви­ло­вым.

Виды люминесценции

В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба воз­бу­ж­де­ния ве­ще­ст­ва вы­де­ля­ют разл. ви­ды Л. Так, фо­то­лю­ми­нес­цен­ция воз­ни­ка­ет при воз­бу­ж­де­нии ве­ще­ст­ва оп­тич. из­лу­че­ни­ем (обыч­но УФ-диа­па­зо­на), элек­тро­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии элек­трич. по­лем, рент­ге­но­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии рент­ге­нов­ски­ми лу­ча­ми, ка­то­до­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии по­то­ка­ми элек­тро­нов, ио­но­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии пуч­ком ио­нов, ра­дио­лю­ми­нес­цен­ция – при воз­бу­ж­де­нии ра­дио­ак­тив­ным из­лу­че­ни­ем, хе­ми­лю­ми­нес­цен­ция – в ре­зуль­та­те хи­мич. ре­ак­ций (хе­ми­лю­ми­нес­цен­цию жи­вых ор­га­низ­мов на­зы­ва­ют био­лю­ми­нес­цен­ци­ей). Из­вест­ны мн. др. ви­ды Л.: зву­ко­лю­ми­нес­цен­ция (при воз­дей­ст­вии ульт­ра­зву­ка), три­бо­лю­ми­нес­цен­ция (при тре­нии твёр­дых тел), тер­мо­лю­ми­нес­цен­ция (при на­гре­ва­нии пред­ва­ри­тель­но воз­бу­ж­дён­но­го ве­ще­ст­ва), ра­ди­ка­ло­ре­ком­би­на­ци­он­ная Л. (при воз­дей­ст­вии ра­ди­ка­лов) и др.

Переходы между энергетическими уровнями атома, молекулы или иона: а – простейший переход; б – переход через промежуточное метастабильное состояние. Красные линии соответствуют переходам с поглощением ...

Наи­бо­лее про­стой вид Л. – фо­то­лю­ми­нес­цен­ция, при ко­то­рой в не­ко­то­рых слу­ча­ях все про­цес­сы – от по­гло­ще­ния кван­тов воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния до ис­пус­ка­ния кван­тов Л. – про­ис­хо­дят в преде­лах од­но­го и то­го же цен­тра (ато­ма, ио­на или мо­ле­ку­лы). Но и для это­го ви­да Л. на­блю­да­ют­ся разл. пе­ре­хо­ды ме­ж­ду энер­ге­тич. со­стоя­ния­ми цен­тра, что свя­за­но со слож­ной сис­те­мой воз­бу­ж­дён­ных энер­ге­тич. уров­ней. На­ря­ду с про­стей­шим слу­ча­ем воз­бу­ж­де­ния (рис., а), воз­мож­но пер­во­на­чаль­ное воз­бу­ж­де­ние цен­тра на бо­лее вы­со­кие энер­ге­тич. уров­ни (рис., б), по­сле че­го с уча­сти­ем фо­но­нов ре­шёт­ки осу­ще­ст­в­ля­ет­ся т. н. бе­зыз­лу­ча­тель­ный пе­ре­ход (ре­лак­са­ция) в про­ме­жу­точ­ное ме­та­ста­биль­ное со­стоя­ние. Ти­пич­ный при­мер та­ко­го про­цес­са – из­лу­че­ние в ли­ниях R1 и R2 иона хрома Cr3+ в кри­стал­ле ру­би­на. В спек­трах Л. трёх­ва­лент­ных ио­нов РЗЭ час­то на­блю­да­ет­ся неск. уз­ких по­лос Л., воз­ни­каю­щих при из­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дах с раз­ных воз­буж­дён­ных уров­ней, при­чём не­ко­то­рые по­ло­сы со­от­вет­ст­ву­ют пе­ре­хо­дам не в ос­нов­ные, а в бо­лее низ­кие воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния. Кро­ме то­го, да­же ниж­ние воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния обыч­но рас­ще­п­ле­ны на по­ду­ров­ни в ре­зуль­та­те элек­трон­но-ко­ле­ба­тель­ных взаи­мо­дей­ст­вий в мо­ле­ку­лах, элек­трон-фо­нон­ных взаи­мо­дей­ст­вий, а так­же Штар­ка эф­фек­та для из­лу­чаю­щих ио­нов в кри­стал­лах и стёк­лах. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ют слож­ные спек­тры Л., за­ви­ся­щие от мн. фак­то­ров: энер­ге­тич. струк­ту­ры из­лу­чаю­ще­го цен­тра, дли­ны вол­ны и ин­тен­сив­но­сти воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния, темп-ры и др. Спек­тры Л. час­то име­ют ква­зи­ли­ней­ча­тую струк­ту­ру, при­чём в рас­тво­рах ор­га­нич. со­еди­не­ний при по­ни­же­нии темп-ры до 10 К в спек­трах Л. мо­гут на­блю­дать­ся отд. уз­кие ли­нии.

Выход люминесценции

Оп­ре­де­ля­ют энер­ге­ти­че­ский и кван­то­вый вы­хо­ды Л. Со­глас­но С. И. Ва­ви­ло­ву, энер­ге­тич. вы­ход Л. есть от­но­ше­ние мощ­но­сти лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния к мощ­но­сти воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния, по­гло­щён­но­го ве­ще­ст­вом; кван­то­вый вы­ход Л. – от­но­ше­ние чис­ла кван­тов лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния к чис­лу кван­тов воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния, по­гло­щае­мых в ве­ще­ст­ве в еди­ни­цу вре­ме­ни. В 1924 Ва­ви­лов ус­та­но­вил за­ви­си­мость кван­то­во­го и энер­ге­тич. вы­хо­дов фо­то­лю­ми­нес­цен­ции от дли­ны вол­ны воз­бу­ж­даю­ще­го све­та (Ва­ви­ло­ва за­кон), а так­же по­ка­зал, что кван­то­вый вы­ход фо­то­лю­ми­нес­цен­ции не­ко­то­рых рас­тво­ров ор­га­нич. кра­си­те­лей мо­жет пре­вы­шать 60–70%. К кон. 20 в. раз­ра­бо­та­ны не­ко­то­рые ве­ще­ст­ва, кван­то­вый вы­ход в ко­то­рых бли­зок к 100% (напр., рас­твор ро­да­ми­на 6Ж, ла­зер­ные кри­стал­лы и стёк­ла с ио­на­ми РЗЭ).

В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев энер­гия фо­то­на лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния мень­ше энер­гии фо­то­на воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния (Сто­кса пра­ви­ло, обоб­щён­ное С. И. Ва­ви­ло­вым). Од­на­ко в не­ко­то­рых про­цес­сах, на­зы­вае­мых ан­ти­сто­ксо­вы­ми, реа­ли­зу­ет­ся про­ти­во­по­лож­ная си­туа­ция, в ре­зуль­та­те че­го энер­ге­тич. вы­ход Л. мо­жет стать боль­ше 100% (ан­ти­сто­ксо­ва лю­ми­нес­цен­ция). Это при­во­дит к ох­ла­ж­де­нию не­ко­то­рых стё­кол и кри­стал­лов с ио­на­ми РЗЭ при их воз­бу­ж­де­нии ла­зе­ром в ближ­ней ИК-об­лас­ти спек­тра [(1–2)·10–6 м]. Прин­ци­пи­аль­ная воз­мож­ность по­лу­че­ния энер­ге­тич. вы­хо­да Л. боль­ше 100% бы­ла впер­вые обос­но­ва­на Л. Д. Лан­дау в 1946 на ос­но­ве рас­смот­ре­ния тер­мо­ди­на­ми­ки не­об­ра­ти­мых про­цес­сов. Вы­ход Л. боль­ше 100% воз­мо­жен в том слу­чае, ес­ли эн­тро­пия воз­буж­даю­ще­го из­лу­че­ния ока­зы­ва­ет­ся мень­ше эн­тро­пии лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния. Не­дос­та­ток энер­гии по­кры­ва­ет­ся за счёт те­п­ло­вой энер­гии лю­ми­нес­ци­рую­ще­го те­ла. Од­ним из ви­дов ан­ти­сто­ксо­вой Л. яв­ля­ет­ся коо­пе­ра­тив­ная лю­ми­нес­цен­ция.

Раз­ли­ча­ют внут­рен­ний (ис­тин­ный) вы­ход и внеш­ний (тех­нич.) вы­ход Л. В объ­ек­тах с вы­со­ким по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния, к ко­то­рым от­но­сят­ся мн. по­лу­про­вод­ни­ки, ис­поль­зуе­мые в совр. све­то­дио­дах, эти ве­ли­чи­ны мо­гут раз­ли­чать­ся в неск. раз из-за по­терь све­та при его мно­го­крат­ном от­ра­же­нии. Для вы­во­да из­лу­че­ния из та­ких све­то­дио­дов их по­верх­но­сти при­да­ют осо­бую фор­му и ис­поль­зу­ют про­свет­ляю­щие по­кры­тия. В ре­зуль­та­те ре­аб­сорб­ции лю­ми­нес­ци­рую­ще­го из­лу­че­ния гео­мет­рич. фор­ма лю­ми­нес­ци­рую­щих объ­ек­тов мо­жет су­ще­ст­вен­но из­ме­нить вид спек­тра из­лу­че­ния, в т. ч. сдви­гая этот спектр в бо­лее длин­но­вол­но­вую (крас­ную) об­ласть. Так­же из-за мно­го­крат­ных от­ра­же­ний све­та на­блю­да­ет­ся за­мет­ное уве­ли­че­ние дли­тель­но­сти по­слес­ве­че­ния. Т. о., ха­рак­те­ри­сти­ки Л., стро­го го­во­ря, оп­ре­де­ля­ют­ся не толь­ко ве­ще­ст­вом и ус­ло­вия­ми его воз­бу­ж­де­ния, но и гео­мет­рич. фор­мой из­лу­чаю­ще­го объ­ек­та.

Механизмы люминесценции

Не­об­хо­ди­мое ус­ло­вие для воз­ник­но­ве­ния Л. – дос­та­точ­но ши­ро­кий энер­ге­тич. за­зор (0,6 эВ) ме­ж­ду уров­ня­ми воз­бу­ж­дён­но­го и осн. со­стоя­ний. По­это­му твёр­дые и жид­кие ме­тал­лы, в ко­то­рых от­сут­ст­ву­ет со­от­вет­ст­вую­щий энер­ге­тич. за­зор, лю­ми­нес­ци­ро­вать не мо­гут, то­гда как пары́ мн. ме­тал­лов хо­ро­шо лю­ми­нес­ци­ру­ют, а ио­ны РЗЭ ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве ра­бо­чих цен­тров в лю­ми­но­фо­рах и ла­зер­ных кри­стал­лах.

При фо­то­лю­ми­нес­цен­ции час­то воз­ни­ка­ют про­цес­сы пе­ре­но­са энер­гии элек­трон­ных воз­бу­ж­де­ний от од­них оп­тич. цен­тров к дру­гим. В ре­зуль­та­те та­ких про­цес­сов су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ют­ся все ха­рак­те­ри­сти­ки лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния: вы­ход и спектр све­че­ния, инер­ци­он­ность и по­ля­ри­за­ция (см. По­ля­ри­зо­ван­ная лю­ми­нес­цен­ция). Пе­ре­нос энер­гии име­ет ме­сто в лю­ми­но­фо­рах, ла­зер­ных кри­стал­лах и стёк­лах с ио­на­ми РЗЭ, что по­зво­ля­ет по­лу­чать лю­ми­нес­цент­ное из­лу­че­ние в тре­буе­мом ин­тер­ва­ле длин волн (сен­си­би­ли­зи­ро­ван­ная лю­ми­нес­цен­ция). В ре­зуль­та­те пе­ре­но­са энер­гии воз­бу­ж­де­ния ме­ж­ду оп­тич. цен­тра­ми воз­мож­но ан­ти­сто­ксо­во пре­об­ра­зо­ва­ние ИК-из­лу­че­ния в ви­ди­мый свет, а так­же по­лу­че­ние не­сколь­ких кван­тов ви­ди­мо­го све­та при воз­бу­ж­де­нии ио­нов РЗЭ УФ-из­лу­че­ни­ем.

Во мно­гих лю­ми­но­фо­рах реа­ли­зу­ет­ся ре­ком­би­на­ци­он­ный ме­ха­низм Л., при ко­то­ром по­гло­ще­ние воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию сво­бод­ных элек­тро­нов в зо­не про­во­ди­мо­сти и ды­рок в ва­лент­ной зо­не с по­сле­дую­щей из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ци­ей этих не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да. Ре­ком­би­на­ция про­ис­хо­дит, как пра­ви­ло, на цен­трах све­че­ния, т. е. в спе­ци­аль­но вво­ди­мых при­ме­сях. Ре­ком­би­на­ци­он­ный ме­ха­низм Л. реа­ли­зу­ет­ся и при др. ви­дах воз­бу­ж­де­ния, напр. в све­то­дио­дах из­лу­ча­тель­ная ре­ком­би­на­ция но­си­те­лей за­ря­да про­ис­хо­дит вбли­зи рn-пе­ре­хо­да. Су­ще­ст­ву­ет так­же эк­си­тон­ный ме­ха­низм све­че­ния, при ко­то­ром из­лу­че­ние воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те ан­ни­ги­ля­ции эк­си­то­нов.

При рент­ге­но- и ка­то­до­лю­ми­нес­цен­ции пер­во­на­чаль­но воз­ни­ка­ют сво­бод­ные элек­тро­ны, энер­гия ко­то­рых мно­го­крат­но пре­вос­хо­дит энер­гию кван­тов лю­ми­нес­цент­но­го из­лу­че­ния, со­став­ляю­щую 2–3 эВ. По­это­му в та­ких слу­ча­ях Л. воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те кас­кад­но­го раз­мно­же­ния пер­вич­ных эле­мен­тар­ных воз­бу­ж­де­ний. Од­на­ко энер­ге­тич. вы­ход этих ви­дов Л. не пре­вы­ша­ет 25%, т. е. бóль­шая часть энер­гии воз­бу­ж­де­ния пе­ре­хо­дит в те­п­ло­ту. Пе­ре­ход час­ти энер­гии воз­бу­ж­де­ния в те­п­ло­ту прин­ци­пи­аль­но ог­ра­ни­чи­ва­ет пре­дель­ную яр­кость све­че­ния всех лю­ми­нес­цент­ных ис­точ­ни­ков све­та ве­ли­чи­ной 105 кд/м2 (при боль­шей яр­ко­сти раз­ви­ва­ет­ся тем­пе­ра­тур­ное ту­ше­ние).

При ра­бо­те ла­зе­ров (т. е. при ин­вер­си­он­ной на­се­лён­но­сти ра­бо­чих энер­ге­тич. уров­ней) на­ря­ду со сти­му­ли­ро­ван­ны­ми пе­ре­хо­да­ми, соз­даю­щи­ми ла­зер­ное из­лу­че­ние, на­блю­да­ют­ся и спон­тан­ные пе­ре­хо­ды – Л. Та­кая Л. об­ла­да­ет ря­дом осо­бен­но­стей и на­зы­ва­ет­ся су­пер­лю­ми­нес­цен­ци­ей.

Как пра­ви­ло, при Л. раз­ви­ва­ют­ся бе­зыз­лу­ча­тель­ные про­цес­сы, в ко­то­рых зна­чит. часть энер­гии воз­бу­ж­де­ния в ко­неч­ном счё­те пе­ре­хо­дит в те­п­ло­вую энер­гию, и на­блю­да­ет­ся ту­ше­ние лю­ми­нес­цен­ции. Из­вест­ны разл. ви­ды и ме­ха­низ­мы ту­ше­ния Л.: тем­пе­ра­тур­ное ту­ше­ние (вы­ход Л. на­чи­на­ет рез­ко па­дать при пре­вы­ше­нии не­ко­то­рой кри­тич. темп-ры, со­став­ляю­щей 100–200 °C), кон­цен­тра­ци­он­ное ту­ше­ние, воз­ни­каю­щее при вы­со­кой кон­цен­тра­ции цен­тров све­че­ния, ту­ше­ние по­сто­рон­ни­ми при­ме­ся­ми, напр. ио­на­ми груп­пы же­ле­за, с вы­со­кой ве­ро­ят­но­стью бе­зыз­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дов.

Инерционность люминесценции

Дли­тель­ность Л. в раз­ных об­раз­цах варь­и­ру­ет­ся в очень ши­ро­ких пре­де­лах. В 20 в. ши­ро­ко при­ме­ня­лись тер­ми­ны, вы­де­ляю­щие ви­ды Л. в за­ви­си­мо­сти от её инер­ци­он­но­сти: флуо­рес­цен­ция (ко­рот­кое по­слес­ве­че­ние) и фос­фо­рес­цен­ция (дли­тель­ное по­слес­ве­че­ние).

В про­стей­шем слу­чае ин­тен­сив­ность по­слес­ве­че­ния $I$ опи­сы­ва­ет­ся экс­по­нен­ци­аль­ным за­ко­ном: $I(t)=I_0e^{–t/τ}$ , где $I_0$ – ин­тен­сив­ность све­че­ния в мо­мент пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния, $I(t)$ – ин­тен­сив­ность по­слес­ве­че­ния в мо­мент вре­ме­ни $t$ по­сле пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния, $\tau$ – ср. вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ний (ве­ли­чи­на, об­рат­ная ве­ро­ят­но­сти из­лу­ча­тель­но­го пе­ре­хо­да). Ве­ли­чи­на τ для раз­ре­шён­ных оп­тич. пе­ре­хо­дов в ви­ди­мой об­лас­ти спек­тра со­став­ля­ет 10–9–10–8 с, а при на­ли­чии бе­зыз­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дов мо­жет со­кра­щать­ся до 10–11 с. Для за­пре­щён­ных пе­ре­хо­дов вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ний уве­ли­чи­ва­ет­ся на неск. по­ряд­ков. Так, для из­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дов внут­ри 4f-элек­трон­ных обо­ло­чек ио­нов РЗЭ τ со­став­ля­ет 10–4–10–2 с, а для три­плет-синг­лет­ных пе­ре­хо­дов в мо­ле­ку­лах – от 10–2 с до 1 с.

Экс­по­нен­ци­аль­ный за­кон за­ту­ха­ния ин­тен­сив­но­сти Л. реа­ли­зу­ет­ся лишь в том слу­чае, ко­гда все про­цес­сы про­ис­хо­дят в пре­де­лах од­но­го и то­го же цен­тра све­че­ния. Для сен­си­би­ли­зи­ро­ван­ной Л., ко­гда по­гло­ще­ние воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния про­ис­хо­дит в од­них цен­трах (сен­си­би­ли­за­то­рах), а Л. воз­ни­ка­ет в др. цен­трах, за­кон по­слес­ве­че­ния су­ще­ст­вен­но от­ли­ча­ет­ся от экс­по­нен­ци­аль­но­го. При крат­ко­вре­мен­ном, напр. ла­зер­ном, воз­бу­ж­де­нии ин­тен­сив­ность сен­си­би­ли­зи­ро­ван­ной Л. мо­жет да­же су­ще­ст­вен­но воз­рас­тать по­сле пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния. Совр. ла­зер­ная ап­па­ра­ту­ра по­зво­ля­ет про­сле­дить по­сле­до­ва­тель­ность раз­ви­тия та­кой Л.: по­сте­пен­ный пе­ре­ход от ре­зо­нанс­но­го рас­сея­ния све­та к ком­би­на­ци­он­но­му рас­сея­нию, за­тем к т. н. го­ря­чей Л. и, на­ко­нец, к обыч­ной Л., при ко­то­рой ус­та­нав­ли­ва­ет­ся те­п­ло­вое рав­но­ве­сие по по­ду­ров­ням воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния в диа­па­зо­не вре­ме­ни 10–13–10–9 с.

Для ре­ком­би­на­ци­он­ной Л. обыч­но вы­пол­ня­ет­ся ги­пер­бо­лич. за­кон за­ту­ха­ния, т. е. за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти по­сле­све­че­ния от вре­ме­ни оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой: $I(t)=I_0/(1+pt)^α$, где $p$ – кон­стан­та, за­ви­ся­щая от ти­па ве­ще­ст­ва и ин­тен­сив­но­сти воз­бу­ж­де­ния, по­ка­за­тель сте­пе­ни α ле­жит в пре­де­лах 1 ⩽ α ⩽ 2. Дли­тель­ность по­слес­ве­че­ния ре­ком­би­на­ци­он­ной Л. в осн. оп­ре­де­ля­ет­ся за­хва­том не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да цен­тра­ми за­хва­та и их по­сле­дую­щим те­п­ло­вым вы­сво­бо­ж­де­ни­ем из этих цен­тров. Для не­ко­то­рых лю­ми­но­фо­ров с ре­ком­би­на­ци­он­ным ме­ха­низ­мом све­че­ния по­слес­ве­че­ние за­мет­но в за­тем­нён­ном по­ме­ще­нии да­же че­рез су­тки по­сле пре­кра­ще­ния воз­бу­ж­де­ния.

Применение люминесценции

 Силь­ная за­ви­си­мость ха­рак­те­ри­стик Л. от со­ста­ва ве­ще­ст­ва и ус­ло­вий его воз­бу­ж­де­ния су­ще­ст­вен­но ос­лож­ня­ет её ис­сле­до­ва­ние и при­ме­не­ние. Од­на­ко имен­но это свой­ст­во Л. да­ёт бо­лее глу­бо­кое по­ни­ма­ние при­ро­ды фи­зич. яв­ле­ний. Чув­ст­ви­тель­ность ха­рак­те­ри­стик Л. к не­боль­шим из­ме­не­ни­ям со­ста­ва и строе­ния ве­ще­ст­ва ле­жит в ос­но­ве ме­то­дов лю­ми­нес­цент­но­го ана­ли­за. Ис­сле­до­ва­ния Л. спо­соб­ст­ву­ют раз­ра­бот­ке но­вых ла­зер­ных сред, в т. ч. пер­спек­тив­ных пар ра­бо­чих ио­нов (напр., ионов хро­ма и не­оди­ма), обес­пе­чи­ваю­щих уве­ли­че­ние кпд ла­зер­но­го из­лу­че­ния.

Ещё в 1930 С. И. Ва­ви­ло­вым бы­ли пред­ло­же­ны лю­ми­нес­цент­ные лам­пы, совр. мо­ди­фи­ка­ции ко­то­рых ис­поль­зу­ют­ся и в 21 в. Боль­шой прак­тич. ин­те­рес пред­став­ля­ет элек­тро­лю­ми­нес­цен­ция, по­зво­ляю­щая соз­да­вать ма­ло­га­ба­рит­ные эко­но­мич­ные ис­точ­ни­ки све­та с ра­бо­чим на­пря­же­ни­ем все­го 3–4 В. Ак­тив­но ис­поль­зу­ют­ся све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды на ос­но­ве по­лу­про­вод­ни­ко­вых со­еди­не­ний, в т. ч. ме­тал­ло­ор­га­ни­че­ских, пред­став­ляю­щие со­бой мно­го­слой­ные тон­ко­п­лё­ноч­ные струк­ту­ры, тол­щи­на сло­ёв ко­то­рых до­хо­дит до 10–100 нм.

Лю­ми­но­фо­ры с вы­со­кой инер­ци­он­но­стью Л. ис­поль­зу­ют­ся, напр., для ава­рий­но­го ос­ве­ще­ния разл. по­ме­ще­ний. Лю­ми­но­фо­ры с ко­рот­ким по­слес­ве­че­ни­ем при­ме­ня­ют­ся в сцин­тил­ля­ци­он­ных счёт­чи­ках ра­дио­ак­тив­ных из­лу­че­ний, в ко­то­рых уда­ёт­ся ре­ги­ст­ри­ро­вать оди­ноч­ные α-, β- и γ-час­ти­цы. Разл. ви­ды Л. ис­поль­зу­ют­ся для ви­зуа­ли­за­ции изо­бра­же­ний, напр. при соз­да­нии ка­то­до­лю­ми­нес­цент­ных эк­ра­нов цвет­ных те­ле­ви­зо­ров. При при­ме­не­нии Л. в оп­тич. уст­рой­ст­вах ото­бра­же­ния ин­фор­ма­ции (напр., в те­ле­ви­де­нии) дли­тель­ность по­слес­ве­че­ния обыч­но не пре­вы­ша­ет 10–3 с.

Лит.: Лев­шин В. Л. Фо­то­лю­ми­нес­цен­ция жид­ких и твер­дых ве­ществ. М.; Л., 1951; Прингс­кейм П. Флуо­рес­цен­ция и фос­фо­рес­цен­ция. М., 1951; Ва­ви­лов С. И. Собр. соч. М., 1952. Т. 2; Кю­ри Д. Лю­ми­нес­цен­ция кри­стал­лов. М., 1961; Сте­па­нов Б. И., Гриб­ков­ский В. П. Вве­де­ние в тео­рию лю­ми­нес­цен­ции. Минск, 1963; Ан­то­нов-Ро­ма­нов­ский В. В. Ки­не­ти­ка фо­то­лю­ми­нес­цен­ции кри­стал­ло­фос­фо­ров. М., 1966; Аг­ра­но­вич В. М., Га­ла­нин М. Д. Пе­ре­нос энер­гии элек­трон­но­го воз­бу­ж­де­ния в кон­ден­си­ро­ван­ных сре­дах. М., 1978; Чу­ко­ва Ю. П. Ан­ти­сто­ксо­ва лю­ми­нес­цен­ция и но­вые воз­мож­но­сти ее при­ме­не­ния. М., 1980; Ве­ре­ща­гин И. К. Элек­тро­лю­ми­нес­цен­ция твер­дых тел. М., 1981; Га­ла­нин М. Д. Лю­ми­нес­цен­ция мо­ле­кул и кри­стал­лов. М., 1999; Пет­руш­кин С. В., Са­мар­цев В. В. Ла­зер­ное ох­ла­ж­де­ние твер­дых тел. М., 2005.

Вернуться к началу