Кіріспе
Зат сіңіретін энергияның жарық түрінде салыстырмалы түрде баяу босатылатын процесі – фосфоресценция. Фосфоресценция – флуоресценциямен байланысты фотолюминесценцияның бір түрі. Қысқа толқын ұзындығы бар жарыққа (сәулеленуге) ұшырағанда фосфоресцентті зат жарықтандырады, жарықты сіңіріп, оны ұзын толқын ұзындығында қайта шығарады. Флуоресценциядан өзгеше, фосфоресцентті материал сіңірген сәулесін дереу қайта шығармайды. Оның орнына, фосфоресцентті материал сәулелену энергиясының бір бөлігін сіңіріп, сәулелену көзі алынғаннан кейін оны әлдеқайда ұзақ уақыт бойы қайта шығарады. Жалпы алғанда, флуоресценция мен фосфоресценцияның эмиссия уақыты арасында нақты шекара жоқ (мысалы, егер зат қара жарық астында жарқыраса, ол әдетте флуоресцентті деп есептеледі, ал егер ол қараңғыда жарқыраса, көбінесе фосфоресцентті деп аталады). Қазіргі ғылыми тұрғыдан алғанда, бұл құбылыстарды жарық шығаратын үш түрлі механизм және осы механизмдердің жарық шығару уақыт шкалалары бойынша жіктеуге болады. Флуоресцентті материалдар қоздырғыш сәулелену тоқтатылғаннан кейін наносекундтар (секундтың миллиардтан бір бөлігі) ішінде жарық шығаруды тоқтатады, ал фосфоресцентті материалдар қоздырғыш алынғаннан кейін бірнеше микросекундтан бірнеше сағатқа дейін жарық шығаруды жалғастыра алады. Фосфоресценцияны тудыратын екі түрлі механизм бар: үштік фосфоресценция (немесе қарапайым фосфоресценция) және тұрақты фосфоресценция (немесе тұрақты люминесценция). Үштік фосфоресценция атом жоғары энергиялы фотонды сіңіргенде пайда болады, энергия электрондардың спиндік көптігінде «құлыпталады», әдетте флуоресценттік «синглеттік күйден» баяу сәуле шығаратын «триплеттік күйге» ауысады. Қайта эмиссияның баяу уақыт шкалалары кванттық механикадағы «тыйым салынған» энергия күйінің өтуімен байланысты. Бұл өтулер белгілі бір материалдарда салыстырмалы түрде баяу болғандықтан, сіңірілген сәулелену төмен интенсивтілікте қайта шығарылады, қоздырғыш алынғаннан кейін бірнеше микросекундтан бір секундқа дейін созылады. Тұрақты фосфоресценция атом жоғары энергиялы фотонды сіңіргенде және оның электроны кристалл немесе аморфты материал торындағы ақаулыққа түскенде пайда болады. Атомның жоғалуы (бос орын ақаулығы) сияқты ақаулық электронды тұзақтап, оның энергиясын жылулық (вибрациялық) энергияның кездейсоқ күшеюімен босатылғанға дейін сақтай алады. Мұндай зат бастапқы қоздырудан кейін бірнеше секундтан бірнеше сағатқа дейін бірте-бірте төмендейтін жарық шығарады. Фосфоресцентті материалдардың күнделікті мысалдары – қараңғыда жарқыратын ойыншықтар, жапсырмалар, бояулар және жарқын жарықпен (кәдімгі оқу немесе бөлме жарығы сияқты) зарядталғаннан кейін жарқырайтын сағат дискілері. Әдетте, жарық біртіндеп, кейде бірнеше минуттан бірнеше сағатқа дейін қараңғы бөлмеде сөнеді. Фосфоресцентті материалдарды зерттеу радиоактивті ыдыраудың ашылуына әкелді.
Phosphorescence is a type of photoluminescence related to fluorescence. When exposed to light (radiation) of a shorter wavelength, a phosphorescent substance will glow, absorbing the light and reemitting it at a longer wavelength. Unlike fluorescence, a phosphorescent material does not immediately reemit the radiation it absorbs. Instead, a phosphorescent material absorbs some of the radiation energy and reemits it for a much longer time after the radiation source is removed. In a general sense, there is no distinct boundary between the emission times of fluorescence and phosphorescence (i. e.: if a substance glows under a black light it is generally considered fluorescent, and if it glows in the dark it is often simply called phosphorescent). In a modern, scientific sense, the phenomena can usually be classified by the three different mechanisms that produce the light, and the typical timescales during which those mechanisms emit light. Whereas fluorescent materials stop emitting light within nanoseconds (billionths of a second) after the excitation radiation is removed, phosphorescent materials may continue to emit an afterglow ranging from a few microseconds to many hours after the excitation is removed. There are two separate mechanisms that may produce phosphorescence, called triplet phosphorescence (or simply phosphorescence) and persistent phosphorescence (or persistent luminescence). Triplet phosphorescence occurs when an atom absorbs a high energy photon, and the energy becomes locked in the spin multiplicity of the electrons, generally changing from a fluorescent "singlet state" to a slower emitting "triplet state". The slower timescales of the reemission are associated with "forbidden" energy state transitions in quantum mechanics. As these transitions occur relatively slowly in certain materials, absorbed radiation is reemitted at a lower intensity, ranging from a few microseconds to as much as one second after the excitation is removed. Persistent phosphorescence occurs when a high energy photon is absorbed by an atom and its electron becomes trapped in a defect in the lattice of the crystalline or amorphous material. A defect such as a missing atom (vacancy defect) can trap an electron like a pitfall, storing that electron's energy until released by a random spike of thermal (vibrational) energy. Such a substance will then emit light of gradually decreasing intensity, ranging from a few seconds to up to several hours after the original excitation. Everyday examples of phosphorescent materials are the glow in the dark toys, stickers, paint, and clock dials that glow after being charged with a bright light such as in any normal reading or room light. Typically, the glow slowly fades out, sometimes within a few minutes or up to a few hours in a dark room. The study of phosphorescent materials led to the discovery of radioactive decay.
Этимология
Фосфоресценция термині ежелгі грек сөзі φῶς (phos) – "жарық" дегенді білдіреді, ал грек сөзінің жұрнағы φόρος (phoros) – "денеу", "тасу" мағынасын береді, латын жұрнағы escentem – "болып келе жатқан", "ұмтылыс", немесе "элесі" дегенді білдіреді. Осылайша, фосфоресценция сөзбе-сөз "жарық тасуға бейімділік" дегенді білдіреді. Бұл термин алғаш рет 1766 жылы тіркелген. Орта ғасырлардан бері фосфор термині қараңғыда жарқыраған минералдарды сипаттау үшін қолданылып келді. Ең танымал, бірақ бірінші емес, – Болоньялық фосфор. 1604 жылы Винченцо Касьяроло Италияның Болонья қаласының жанында "lapis solaris" ашты. Оны оттегіге тоқ пеште қыздырғанда, ол күн сәулесін сіңіріп алып, қараңғыда жарқырады. 1677 жылы Хенниг Бранд ауамен әрекеттескенде химилюминесценттік реакция арқылы жарқыраған жаңа элементті бөліп алып, оны "фосфор" деп атады. Керісінше, люминесценция (латын сөзі lumen – "жарық" дегеннен шыққан) терминін 1888 жылы Эйлхардт Видеман "жылусыз жарық" ретінде қолданды, ал 1852 жылы сэр Джордж Стокс "флуоресценция" терминін енгізді. Ол призмадан өткен жарыққа ұшыраған хинин сульфатының ерітіндісін қарастырғанда, ерітінді спектрдің күлгін түсінен тыс жасырын жарыққа (қазір ультракөк сәуле ретінде белгілі) ұшырағанда жарқырағанын байқады. Стокс бұл терминды флюоршпар мен опалесценциядан (ерітіндінің орнына минералды пайдалануға басымдық беріп) құрастырды, бірақ кейін флюоршпардың фосфоресценция арқылы жарқырағаны анықталды. XIX ғасырдың соңынан XX ғасырдың ортасына дейін осы терминдердің мағыналары арасында көптеген шатасулар болды. "Флуоресценция" термині көзілдіруден алынған кезде бірден тоқтатылатын люминесценцияны (адам көзінің өлшемдері бойынша) білдірсе, "фосфоресценция" қараңғыда айқын кезеңдер бойы жарқыраған кез келген затты білдірді, кейде тіпті химилюминесценцияны да (кейде маңызды мөлшерде жылу шығаратын). 1950-1960 жылдардан кейін ғана кванттық электроника, спектроскопия және лазерлердің жетістіктері жарық шығаратын әртүрлі процестерді ажыратуға мүмкіндік берді, бірақ күнделікті тілде осы айырмашылықтар көбінесе нашар түсініледі.
Кіріспе
Қарапайым тілмен айтқанда, фосфоресценция – зат сіңіретін энергияның жарық түрінде салыстырмалы түрде баяу босатылатын процесі. Бұл кейбір жағдайларда жарыққа ұшырату арқылы "зарядталатын" қараңғыда жарқырау материалдарының механизмі болып табылады. Флуоресценциядағы, мысалы, лазерлік орталарда кездесетін, әдеттегі рубин сияқты, салыстырмалы түрде жылдам реакциялардан айырмашылығы, фосфоресцентті материалдар сіңірілген энергияны ұзақ уақыт бойы "сақтайды", себебі энергияны қайта шығаруға қажетті процестер сирек болады. Дегенмен, уақыт шкаласы жалпы айырмашылық болып қалады, өйткені баяу шығаратын флуоресцентті материалдар бар, мысалы, уранил тұздары, және сондай-ақ, мырыш сульфиді (күлгін түсті) сияқты кейбір фосфоресцентті материалдар өте жылдам. Ғылыми тұрғыдан алғанда, құбылыстар жарық шығаратын әртүрлі механизмдер бойынша жіктеледі, себебі фосфоресценция жасайтын материалдар жарықтандыру сияқты кейбір мақсаттарға қолайлы болуы мүмкін, бірақ лазерлер сияқты флуоресценцияны қажет ететін басқаларына толығымен қолайсыз болуы мүмкін. Сызықтарды одан әрі бұрмалап, зат материал мен қозу жағдайларына байланысты бір, екі немесе үш механизм арқылы жарық шығарады. Сақталған энергия атом электрондарының спинімен шектелгенде, үштік күй пайда болады, бұл жарық шығаруды баяулатады, кейде бірнеше есе. Атомдар әдетте флуоресценцияға бейім синглеттік спин күйінде басталатындықтан, осы типтегі фосфорлар әдетте жарықтандыру кезінде екі типті эмиссияны шығарады, содан кейін жарықтандыру тоқтатылғаннан кейін бір секундтан кем уақытқа созылатын әлсіз фосфоресцентті жарық пайда болады. Керісінше, сақталған энергия тұрақты фосфоресценциядан туындағанда, флуоресценцияға қатысты алдын ала процестер болмай, мүлдем басқа процесс жүреді. Электрондар атомдық немесе молекулалық тордың кемшіліктеріне түсіп, электрон қашып кеткенше жарықты қайта шығарудан алдын ала тоқтатып қояды. Электронның қашып кетуі үшін, оған тұзақтан шығуға және атомның орбитасына оралуға көмектесетін жылу энергиясының күшеюі қажет. Тек сонда ғана атом фотон шығара алады. Осылайша, тұрақты фосфоресценция материалдың температурасына өте байланысты.
Үштік фосфоресценция
Көптеген фотолюминесценттік құбылыстар, онда химиялық субстрат жарық фотонын сіңіріп, кейін қайта шығарады, 10 наносекунд шамасында тез өтеді. Жарық осы жылдам уақыт өлшемдерінде сіңіріледі және шығарылады, егер фотондардың энергиясы қолда бар энергия күйлерімен және субстраттың рұқсат етілген өтулерімен сәйкес келсе. Фосфоресценцияның ерекше жағдайында, фотонды (энергияны) сіңірген электрон, әдетте, ерекше жүйеаралық өтуге ұшырап, әртүрлі (көбінесе жоғары) спин көптігіне (термин символына қараңыз) ие энергия күйіне, әдетте үштік күйге өтеді. Нәтижесінде, қозу алған электрон үштік күйде тұрып қалуы мүмкін, төменгі энергиялы синглет күйіне оралу үшін тек "тыйым салынған" өтулер ғана қол жетімді болады. Бұл өтулер, "тыйым салынған" болғанымен, кванттық механикада орын алады, бірақ кинетикалық тұрғыдан тиімсіз және сондықтан айтарлықтай баяу уақыт өлшемдерінде жүреді. Көптеген фосфоресценттік қосылыстар салыстырмалы түрде жылдам сәуле шығарушылар болып табылады, үштік ыдырау уақыты миллисекундтар шамасында. Көп таралған мысалдарға флуоресценттік шамдарда қолданылатын фосфор жабындары жатады, онда миллисекундтар немесе одан ұзаққа созылатын фосфоресценция айнымалы ток циклдары арасындағы "өшіру уақытын" толтыру үшін пайдалы, бұл "жыпылықтауды" азайтуға көмектеседі. Жылдам ыдырау уақыты бар фосфорлар катодтық сәулелі түтік теледидарларындағы бос электрондармен (катодолюминесценция) қоздырылатын пиксельдер сияқты қолданыстарда қолданылады, олар электрондық сәуле экранды сканерлеген кезде суреттің қалыптасуына жеткілікті баяу, бірақ кадрлардың бірімен бірі араласуына жол бермейтіндей жеткілікті жылдам. Тіпті әдетте флуоресценциямен байланысты заттар, мысалы, маркерлердегі сұйық бояулар, сұйық бояу лазерлерінде жиі кездесетін мәселелер сияқты, шын мәнінде фосфоресценцияға бейім болуы мүмкін. Мұндай жағдайда фосфоресценцияның басталуын кейде үштік сөндіргіштерді қолдану арқылы азайтуға немесе едәуір кешіктіруге болады.
Теңдеу
мұндағы S – синглет, ал T – триплет, олардың төменгі индекстері күйлерді көрсетеді (0 – негізгі күй, ал 1 – қоздырылған күй). Жоғары энергия деңгейлеріне де өтулер мүмкін, бірақ қарапайымдық үшін бірінші қоздырылған күй көрсетілген.
Тұрақты фосфоресценция
Қатты материалдар әдетте екі негізгі түрге бөлінеді: кристалл және аморфты. Екі жағдайда да атомдар мен молекулалардың торлары қалыптасады. Кристаллдардағы тор өте реттелген, біркелкі құрылымды болады. Дегенмен, барлық кристаллдардың осы молекулалар мен атомдардың орналасу реті бойынша кемшіліктері болады. Атомның өз орнынан жоғалып, бос "қуыс" қалдыратын бос ақау – бұл ақаулардың бір түрі. Кейде атомдар тордың ішінде бір жерден екінші жерге жылжып, Шотки ақауларын немесе Френкель ақауларын тудырады. Басқа ақаулар тордың қоспаларынан пайда болуы мүмкін. Мысалы, қалыпты атомды басқа, әлдеқайда үлкен немесе кіші өлшемді атоммен алмастырғанда, алмастыру ақаулығы пайда болады, ал интерстициалдық ақаулық әлдеқайда кіші атом "интерстицияларда", яғни атомдар арасындағы кеңістікке түсіп қалғанда пайда болады. Керісінше, аморфты материалдардың "ұзақ қашықтықтағы реті" (бірнеше атомның кез келген бағыттағы кеңістігінен тыс) жоқ, сондықтан анықтамасы бойынша ақаулармен толы болады. Ақау пайда болған кезде, оның түріне және материалға байланысты, ол тесік немесе "тұзақ" жасай алады. Мысалы, мырыш оксидінің қосылысынан жоғалған оттегі атомы торда тесік тудырады, оны байланыспаған мырыш атомдары қоршап тұрады. Бұл электр вольтпен өлшенетін күш немесе тартылыс тудырады. Жоғары энергиялы фотон мырыш атомының біріне шапқанда, оның электроны фотонды сіңіріп, жоғары орбитаға өтеді. Содан кейін электрон тұзаққа кіріп, тартымдылық күші арқылы орбитадан тыс ұсталады. Энергияның босатылуын тудыру үшін, электронды тұзақтан шығарып, қалыпты орбитасына қайтару үшін жеткілікті жылу энергиясының кездейсоқ секірісі қажет. Орбитаға шыққаннан кейін электронның энергиясы қалыпты күйге (негізгі күйге) төмендеп, фотонның шығарылуына әкеледі. Бұл жолмен энергияның босатылуы – толығымен кездейсоқ процесс, көбінесе материалдың орташа температурасы тұзақтың "тереңдігімен" немесе қанша электрон вольт күшін тартатынымен реттеледі. 2,0 электрон вольт тереңдіктегі тұзаққа тартымдылықты жеңу үшін көп жылу энергиясы (өте жоғары температура) қажет, ал 0,1 электрон вольт тереңдікте тұзаққа электрондарды ұстап тұру үшін өте аз жылу (өте төмен температура) қажет. Жалпы алғанда, жоғары температура энергияның тез босатылуына себеп болады, нәтижесінде жарқын, бірақ қысқа мерзімді сәуле шығады, ал төмен температура жарықтың күшін азайтады, бірақ оның ұзақтығын арттырады. Затқа байланысты тым ыстық немесе суық температурада энергияның жиналуына немесе босатылуына мүлдем мүмкіндік болмайды. Бөлме температурасында тұрақты фосфоресценция үшін тұзақтың идеалды тереңдігі әдетте 0,6 және 0,7 электрон вольт аралығында болады. Егер фосфоресценттік кванттық шығым жоғары болса, яғни затта дұрыс тереңдіктегі көптеген тұзақтар болса, бұл зат ұзақ уақыт бойы едәуір жарық шығарады, яғни "қараңғыда жарқыратын" материал пайда болады.
Химилюминесценция
Қараңғыда жарқырағыш материалдардың кейбіреуі фосфоресценция арқылы жарқырамайды. Мысалы, жарық таяқшалары көбінесе фосфоресценция деп қате түсінілетін химилюминесценттік процестің нәтижесінде жарқырайды. Химилюминесценцияда, қозған күй химиялық реакция арқылы туындайды. Жарық шығару химиялық реакцияның кинетикалық барысын көрсетеді. Содан кейін қозған күй бояғыш молекулаға, сондай-ақ сенсибилизатор немесе флюорофор деп аталатын, беріледі және одан әрі негізгі күйге флюоресценция арқылы оралады.
Материалдар
Фосфоресцентті материалдарда кеңінен қолданылатын пигменттер мырыш сульфиді мен стронций алюминат болып табылады. Мырыш сульфидін қауіпсіздікке қатысты өнімдерде пайдалану 1930 жылдарға дейін жетеді. 1993 жылы стронций алюминат пигменттерін әзірлеуге жоғары жарықтылығы және ұзақ фосфоресценциясы бар, әсіресе прометий қолданылған қараңғыда жарқырау материалдарына балама табу қажеттілігі түрткі болды. Бұл Ясумицу Аокидің (Nemoto & Co.) мырыш сульфидіне қарағанда шамамен 10 есе жарық беретін және фосфоресценциясы шамамен 10 есе ұзаққа созылатын материалдарды ашуына әкелді. Осының нәтижесінде мырыш сульфидіне негіделген көптеген өнімдер жаңалықтар санатына жатты. Қазір стронций алюминат негізіндегі пигменттер эвакуациялық белгілерде, жол көрсетуде және басқа да қауіпсіздікке қатысты белгілерде қолданылады. Фосфоресценция (T1-ден S0-ға өту) және қозған синглеттік күйден (мысалы, S1) жүйеаралық өту (ISC) арқылы T1-ді генерациялау спинге қатысты шектеулі процестер болғандықтан, көптеген органикалық материалдар қозған триплеттік күйді тиімді толтыра алмайды, сондықтан мардымсыз фосфоресценция көрсетеді, ал T1 пайда болған жағдайда да фосфоресценция көбінесе сәуле шығармайтын жолдармен бәсекелеседі. ISC және фосфоресценцияны арттырудың бір жолы – спин-орбиталық байланысты (SOC) күшейтетін ауыр атомдарды енгізу. Сонымен қатар, SOC (демек, ISC) n π* және π π* өтулерін әртүрлі бұрыштық импульстармен біріктіру арқылы ынталандырылуы мүмкін, бұл Мостафа Эль Саид ережесі ретінде белгілі. Мұндай өтулер әдетте карбонил немесе триазин туындыларында байқалады, ал көптеген органикалық бөлме температурасындағы фосфоресцентті (ОРТФ) материалдарда осындай фрагменттер кездеседі. Керісінше, бәсекелес сәулеленбейтін деактивация жолдарын – тербеліс релаксациясы, оттегімен сөндіру және триплет-триплет жойылғандарын тежеу үшін органикалық люминофорлар полимерлер және молекулалық кристалдар (кристалдар, ковалентті органикалық құрылымдар және т.б.) сияқты қатаң матрицаларға енгізілуі керек.
Қолданылуы
1974 жылы Беки Шрёдерге АҚШ патенті "Glow Sheet" ойлап табуына берілді, ол жазу қағазының астындағы люминесцентті сызықтарды пайдаланып, адамдарға нашар жарық жағдайында жазуға көмектесетін болды. Кейбір диск гольф дискілерін жасау үшін инъекциялық қалыптарда қолданылатын пластик қоспасына люминесцентті материал қосылады, бұл ойынды түнде ойнауға мүмкіндік береді. Көбінесе сағаттардың циферблаттары люминесцентті бояулармен боялады. Осының арқасында оларды жарыққа ұзақ уақыт шағылыстырғаннан кейін бірнеше сағат бойы толығымен қараңғы ортада қолдануға болады. Люминесценцияның кең таралған қолданысы – әшекейлеу. Қараңғыда жарқыратын пластиктен жасалған жұлдыздар қабырғаларға, төбеге немесе жіптерге ілініп, бөлмені түнгі аспанға айналдырады. Мүсіндер, кеселер, плакаттар, шамдар, ойыншықтар және білезіктер сияқты басқа да заттар да жарқырауы мүмкін. Қара шамдарды қолдану осы заттардың жарқырауын күшейтеді, бұл раевтерде, жатын бөлмелерде, ойын-сауық парктерінде және фестивальдерде кең таралған.
Көлеңке қабырғасы
Көлеңке қабырғасы – адам немесе зат фосфоресцентті экранның алдынан өте қалғанда, экранға түсетін жарықтан пайда болады. Экран немесе қабырға, көлеңкені уақытша сақтайтын, фосфоресцентті қоспалар бар, қараңғыда жарқырауға арналған боямен боялған. Мұндай көлеңке қабырғаларын кейбір ғылыми музейлерде кездестіруге болады.