Тақырып: Люминесценция

Люминесценция деп молекулалардың, атомдардың, иондардың және де басқа күрделі комплекстердің қозған күйден бейтарап күйге өтер кездегі жарық шығаруын айтады. Денелердің жарқырауы, яғни денелердің электромагниттік толқындар шығаруы әртүрлі энергия түрлері арқылы орындалуы мүмкін. Егер электромагниттік толқындар тек қана ішкі энергия а рқылы шығарылатын болса, оны жылулық сәуле шығарудеп атайды. Жарқыраудың қалған түрлерінің барлығы ішкі энергиядан басқа кез келген энергия түрлерімен қоздырылса, оларды люминесценциядейді.

Атомдардың және молекулалардың жылулық қозғалысы нәтижесінде денелердің жарық шығаруыи люминесценциямен шатыстыруға болмайды. Жарықтың шағылуы, шашырауы, Вавилов-Черенков эффектісі және денелердің басқа да жарық шығаруы люминесценцияға жатпайды. Солтүстік жарқыл, кейбір жәндіктердің, минералдардың, шіріген ағаштардың жарқырауы табиғатта кездесетін люминесценция құбылысына жатады.

Люминесценцияның негізгі заңдарын ашуда С. И. Вавилов бастаған ғалымдардың еңбегі аса зор.

Люминесценцияны қоздырудың әдістеріне байланысты олардың бірнеше түрі бар:

1. Фотолюминесценция.Люминесценцияның бұл түрі көзге көрінетін және ультракүлгін сәулелерінің әсерінен пайда болады. Фотолюминесценцияға мысал ретінде кейбір люминофорлармен боялған сағат циферблатының жарқырауын келтірсекте жетеді.

2.Рентгенолюминесценциярентген сәулелерінің әсерінен пайда болады. Оны рентген аппаратының экранынан бақылауға мумкіндік бар.

3.Радиолюминесценциядеп заттардың (люминофорлардың) , және сәулелерінің әсерінен жарқырауын айтады. Люминесценцияның бұл түрі сцинтилляциялық есептеуіштердің (счетчиктердің) экрандарында пайда болады.

3. Катодлюминесценцияэлектрондық сәулемен шығарылады. Оны телевизордың, осциллографтың және т. б. электрон сәулелік құралдардың экранынан бақылауға мүмкіндік бар.

4. Электролюминесценцияэлектр өрісінің көмегімен шығарылады. Оны газ разрядты түтіктерде байқауға болады.

5. Хемилюминесценциязаттардағы химиялық процестердің
нәтижесінде пайда болатын құбылыс. Оған мысалға ақ фосфордың, шіріген ағаштың және кейбір жәндіктердің, өзен жануарларының жарқырауын келтірсек те жеткілікті.

6. Сонолюминесценцияқұбылысы кейбір сұйықтардың ерітінділерінен ультрадыбыс толқындары өткенде пайда болады.

Жарқырауының ұзақтығына қарап люминесценцияны флуоресценция (тез өшіп қалатын люминесценция) және фосфоресценция(ұзақ жарқырайтын люминесценция) деп екіге бөледі. Люминесценцияны бұлай бөлу тек шартты түрде ғана болып есептеледі. Өйткені ол екеуінің арасында белгілі бір меже қою қиын.

Люминесценцияны классификациялаудың ең дұрыс жолын ұсынған Вавилов. Ол люминесценцияны: резонанстық, спонтанды (өздігінен),

еріксіз (метастабильді) және рекомбинациялықлюминесценциялық процестер деп классификациялады. Резонанстық люминесценцияны көбінесе резонанстық флуоресценция деп атайды. Резонанстық флуоресценцияда флуоресценцияның толқын ұзындығы өзін пайда қылатын жарық толқынының ұзындығымен бірдей болады. Егер атомдар (молекулалар) негізгі энергетикалық күйден қозған күйге өтсе немесе бір қозған күйден екінші қозған күйге өтсе, онда резонанстық люминесценция байқалады. Резонанстық люминесценция газдарда, сұйықтарда және қатты денелерде байқалады. Әсіресе резонанстық люминесценцияны сиретілген атом буларында жақсы байқауға болады.

Кейбір молекулалар ұзақ жарқырайды. Бұл электрондардың метастабильді деңгейге келіп түсуінен пайда болатын құбылыс. Метастабильді деңгейлер қозған күй деңгейлерінен төмендеу орналасады. Метастабильді деңгейлер үстіңгі жақтардан толтырылып отырады. Бұл жағдайда көптеген молекулалар әдетегі қозған күйденметастабильді деңгейге келіп орналасады. Бұл кезде ол молекулалар өзінің энергиясының біразынан айырылып қалады.

Молекулалар метастабильді күйде 10^-4 секундтен бүтін секундке дейін тұра алады. Осы уақыт ішінде молекулалардың өте жай жарқырауы байқалады.

Рекомбинациялық люминесценция қоздырушы энергияның әсерінен бөлініп кеткен бөлшектердің өзара бірігуі (рекомбинация) нәтижесінде пайда болатын құбылыс. Газдарда радикалдардың немесе иондардың бірігуі нәтижесінде қозған молекулалар пайда болады. Осы қозған молекулалар негізгі күйге өткенде люминесценция туындайды. Рекомбинациялық люминесценция кристаллофосфорларда және шала өткізгіштерде (германий, кремний) байқалады.

Люминесценция поляризация күйімен және спектрмен сипатталады. Люминесценция спектрі және оған әсер ететін факторлар спектроскопия бөлімінде зерттеледі. Көбінесе люминесценцияның интенсивтілігінің орнына шығарылған энергияның қоздырушы (жұтылған) энергияға қатынасы алынады. Бұл шаманы люминесценция шығымыдеп атайды. Стационар, яғни тұрақты жағдайда люминесценция шығымы шығарылатын және жұтылатын қуаттардың қатынасымен анықталады. Фотолюминесценцияның кезінде квант деп аталатын ұғым енгізіледі де, шығым спектрі қарастырылады. Басқаша айтқанда, шығымның қоздырғыш жарықтың жиілігіне байланыстылығы қарастырылады. Вавилов заңы мен Стокс ережесін қараңыз. Сондай-ақ люминесценция поляризациясы поляризациялық диаграммалармен сипатталады (поляризациялық люминесценцияны қараңыз).

Люминесценция кинетикасы, яғни жарқыраудың уақытқа байланыстылығы, шығарудың интенсивтігінің қоздыру интенсивтігіне байланыстылығы және люминесценцияның басқа факторларға (мысалы температураға) байланыстылығы люминесценцияның маңызды сипаттамалары болып саналады.Қозу тығыздығы аз және қозған атомдардың саны аз болған кезде резонанстық люминесценцияның өшу кинетикасы экспоненциалдық сипатта болады:

- қозған күйдің орташа өмір сүру ұзақтығын көрсететін уақыт;

— жарқырау ұзақтығы. Қозу тығыздығы артқан сайын өшудің экспоненциалдық заңы дәл орындала бермейді. Резонанстық люминесценцияның квант шығымы 1-ге жақын болады. Спонтандық люминесценцияның өшу кинетикасы экспоненциалды заңмен сипатталса, рекомбинациялық люминесценцияның кинетикасы өте күрделі болып келеді. Ол рекомбинациясы ықтималдығына, молекулалардың электрондарды қамтуына не оларды босатуына және температураға байланысты болады. Бұл кезде өшу заңы екінші дәрежелі гипербола заңымен анықталады:

Мұндағы Р - тұрақты сан. Өшудің мұндай заңы өте сирек, ал гиперболалық заңы жиірек кездеседі. Ол Беккерель формуласымен сипатталады:

,

Люминесценцияның өшу уақытының 10^{- 8} секундтан бірнеше сағатқа дейін созылуы мүмкін. Егер сөндіру процесі жүріп жатса, онда люминесценция шығымы және өшу уақыты қысқарады. Сонымен люминесценция шығымы люминесценцияны сөндіру дәрежесіне байланысты. Сондай-ақ люминесценцияны қандай бір болмасын заттың өзіндік қасиеті деп қарастыруға болмайды.

Люминесценцияның спектрін, кинетикасын және поляризациясын зерттеу заттардың энергетикалық күйінің спектрін, молекулалардың кеңістік құрылымын, энергия миграциясын зерттеп білуге үлкен мүмкіндік туғызады.

Люминесценцияны зерттеу үшін оның жарқырауын тіркейтін спектрофотометрлер деп аталатын приборлар қолданылады. Өшу уақытын тіркеу үшін тауметр, флуорометр деген приборлар пайдаланылады. Люминесценттік әдіс қатты денелер физикасында кеңінен қолданылады. Кейбір биологиялық объектілердің люминесценциясын зерттеудің нәтижесінде клеткаларда болып жатқан процестерді зерттеп білуге мүмкіндік туды. Люминесценциялық жарықтың және люминесценция шығымының әжептәуір болуы жарықтың люминесценттік көздерін жасауға мүмкіндік берді (люминесценттік шам). Ядролық физикада радиолюминесценция кеңінен пайдаланылады (люминесценттік камера, сцентилляциялық счетчиктер). Люминесценттік бояулармен жол бойына қойылатын белгілерді, маталарды бояйды (люминофорлар). Люминесценция дефектоскопияда кеңінен қолданылады.

Көптеген ауыл шаруашылығы өнімдерінің сапасы химиялық әдіспен тексеріледі. Бұл әдіс өте күрделі және өте қымбат құралығы мен реактивтерді қажет етеді. Сонымен қатар бұл әдіспен өнімнің сапасын анықтағанда өте көп уақыт кетеді. Сондықтан да ауыл шаруашылығы өнімдерінің сапасын тексеру үшін люминесценттік әдіс пайдаланылады.

Люминесценттік талдау деп заттарға ультракүлгін рентген гамма сәулелерімен және электрондар ағынымен әсер еткенде олардан оптикалық сәулеленудің (люминесценттік жарқырау) пайда болуын айтады. Бұл әдіспен кез келген заттың сапасын бүлдірмей, оны өте тез анықтауға болады. Люминесценттік жарқыраудың спектрлік құрамы оны шығаратын толқын ұзындығына емес, тексеріліп отырған заттың құрамына, оның молекуласының құрамы мен күйіне тығыз байланысты. Сөйтіп люминесценцияның интенсивтігі мен спектрлік құрамына қарап ауыл шаруашылығы өнімдерінің сапасы мен сортын анықтауға болады. Люминесценттік талдау субъективті және объективті болып екіге бөлінеді. Ультракүлгін сәуле түсіргеннен кейін зат люминесценттік жарқырайды. Осы жарқырауды адам көзімен көріп бағалайтын болса, онда оны субъективті деп, ал құрылғы (мысалы фотоэлемент) арқылы бақыланса, онда - объективті деп атайды.

Люминесценцияның спектрограммаларын түсіріп алу үшін әр түрлі спектрофотометрлермен спектрографтар пайдаланылады. Бұл объективті әдіс дәл болғанымен қымбатқа түседі. Сондықтан да субъективті әдіс көбірек пайдаланылады. Мысалы, сүттің сапасын субъективті люминесценттік әдіспен тексердік делік. Егер сүт жаңа сауылған болса сары жасыл түс, сүт бұзылған болса ол көк түспен жарқырайды. Сиыр еті жас болса ол қызыл-күлгін, бұзылған ет көгілдір-жасыл түске енеді. Бұзылмаған тауық жұмыртқасы ашық бүлдірген түске енсе, бұзылған жұмыртқа көк-күлгін түс береді.

Жылулық сәуле шығару тепе-теңдік процеске, ал қалған сәуле шығарудың түрлері тепе-теңдік емес процестерге жатады. Тепе-теңдік күйлер мен процестерге термодинамика заңдарын қолдануға болады.

Кирхгоф заңы. Дененің энергетикалық жарқырауы R, дененің сәуле шығару қабілеттілігімен r келесі қатынаспен байланысқан:

R (11.1)

Айталық, dФ -аудан элементіне түскен сәулелік энергия ағыны болсын, ал dФ дененің ағынды жұтқан бөлігі болсын. Онда өлшемсіз шама

(11.2)

дененің жұту қабілеттілігі деп аталады. Абсолютті қара дене үшін , егер болса, онда дене сұр болады.Кирхгоф заңы былай оқылады: дененің сәуле шығару қабілеттілігінің оның жұту қабілеттілігіне қатынасы дененің табиғатына байланысты емес, ол барлық денелер үшін бірдей жиіліктің (толқын ұзындығының) және температураның функциясы болып табылады:

(11.3)

немесе (11.4 )

f( - функциясын (универсалдық функция) абсолютті қара дененің сәуле шығару қабілеттілігі деп атауға болады.

Тепе-теңдік жылулық сәуле шығарудың спектрлік құрамының сыйпаттамасын теория жүзінде қарастырғанда жиілік функциясын қолдануға ыңғайлы, ал тәжірибелік зерттеулерде толқын ұзындығының функциясын қарастырған жөн. Екі функция бір-бірімен келесі формуламен байланысты:

(11.5) Табиғатта абсолютті қара дене болмайды. Дегенмен қасиеттері абсолютті қара денеге өте ұқсас қондырғылар жасауға болады. Мұндай қондырғыны кішкене ғана тесігі бар тұйық қуыс деп қарастырсақ, онда осы қуысқа кірген сәуле тесіктен қайта шығу үшін қуыстың ішінде көптеген шағылыстарға ұшырайды. Әрбір шағылыс кезінде сәуле энергиясының бөлігі жұтылып отырады, сондықтан іс жүзінде кез келген жиілігі бар сәуле осындай қуыспен толық жұтылады. Кирхгоф заңы бойынша осындай қондырғының сәуле шығару қабілеттілігі жиілік функциясына жақын, Т – қуыс қабырғасының температурасы. Егер қуыс қабырғасын белгілі бір температурада Т ұстап тұрса, онда тесік арқылы шығатын сәуле спектрлік құрамы жағынан абсолютті қара дененің шығару сәулесіне жақын болады. функциясының тәртібін тәжірибелік зерттеу нәтижелері 7.1-суретте көрсетілген.

Тепе-теңдік күйде шығару сәулесінің энергиясы қуыстың көлемі бойынша белгілі энергия тығыздығымен u = u(T) үлестіріледі. Бұл энергияның спектрлік үлестірілуін u ( -функциясымен сыйпаттауға болады, ол шартымен анықталады, мұндағы -жиілік интервалына келетін энергия тығыздығының бөлігі. Энергияның толық тығыздығы u (T) энергияның спектрлік үлестірілуімен u ( келесі формуламен өрнектеледі

u(T) = (7.6)

Универсалды функция тығыздықтың спектрлік үлестірілуімен байланысты

f( (7.7)

Стефан-Больцман заңы абсолютті қара дененің энергетикалық жарқырауын оның абсолюттік температурасымен байланыстырады:

R = . (7.8)

мұнда -Стефан-Больцман тұрақтысы.

Виннің ығысу заңыабсолюттік температураны - функциясының максимумына сәйкес келетін толқын ұзындығымен байланыстырады: T .

b- тұрақты шама, тәжірибемен анықталған сандық мәні:

b = 2,90 10 м .К.

Рэлей-Джинс формуласы:

u( . (7.9)

f( . (7.10)

Бұл формулалар тәжірибе нәтижелеріне толқын ұзындықтары үлкен облыста 7.2-сурет) ғана қанағаттандырарлық түрде сәйкес келеді де, ал қысқа толқындық облыстарда тіпті сәйкес келмейді (7.2-сур). (12.2) формуланы (11.6) өрнекке қойғанда, тепе-теңдік энергия тығыздығы u (T) үшін шексіз үлкен мән алынатыны көрініп тұр. Ультракүлгін күйреудеп аталған бұл нәтиже, жасалған тәжірибелерге қайшы келеді. Сәуле шығару мен сәуле шығаратын дене арасындағы тепе-теңдік u (T) функциясының шекті мәнінде ғана орындалады.

Планк формуласы. (1900 г.). h немесе - Планк тұрақтысы. Квант энергиясының шамасы сәуле шығару жиілігіне пропорционал болып келеді

(12.4)

Жиілігі болған сәуле шығару энергиясының орташа мәні келесі түрде өрнектелетінін көрсетуге болады:

(12.5)

онда f( (12.6)

(12.6) – Планк формуласы деп аталады, ол тепе-теңдік сәуле шығаруды дәл суреттейді.

Тақырып:ФОТОЭФФЕКТ

Электромагниттік сәуле әсерінен заттың электррондар шығаруы сыртқы фотоэффект деп аталады. Электромагниттік сәуле әсерінен электрондардың сыртқа шығып кетпей жартылай өткізгіш немесе диэлектрик ішінде байланысқан күйден бос күйге көшуін ішкі фотоэффектдеп атайды.

Сыртқы фотоэффект заңдары:1. Столетов звңы:түскен жарық жиілігінің белгілі бір мәнінде катодтан жұлынып алынған электрондар саны жарық интенсивтігіне пропорционал.

2. Фотоэлектрондардың ең үлкен бастапқы жылдамдығы түскен жарық интенсивтігіне байланысты емес,ол тек жиілікпен анықталады.

3. Әрбір зат үшін фотоэффектінің қызыл шекарасы, яғни жиіліктің одан төмен мәнінде фотоэффект құбылысы болмайтын ең аз мәні болады.

А. Эйнштейн 1905 жылы фотоэффект құбылысын және оның заңдылықтарын өз құрған фотоэффектінің кванттық теориясы негізінде түсіндіруге болатындығын көрсетті. Ол зат жарықты кванттап қана шығармайды, әрі кванттапжұтады деген. Энергияның сақталу заңын басшылыққа алып эйнштейн зат жұтқан бір квант энергиясы электронды заттан А шығару жұмысы мен электронға ең үлкен кинетикалық энергия беруге жұмсалады (13.1 өрнек). Эйнштейн формуласы: (8.1)