Введение
Процесс, при котором энергия, поглощенная веществом, выделяется относительно медленно в виде света. Фосфоресценция — это тип фотолюминесценции, связанный с флуоресценцией. При воздействии света (излучения) с более короткой длиной волны фосфоресцирующее вещество начинает светиться, поглощая свет и переизлучая его на большей длине волны. В отличие от флуоресценции, фосфоресцирующий материал не переизлучает поглощенное излучение мгновенно. Вместо этого он поглощает часть энергии излучения и переизлучает ее в течение гораздо более длительного времени после удаления источника излучения. В общем смысле, четкой границы между временем излучения флуоресценции и фосфоресценции не существует (то есть, если вещество светится под ультрафиолетовым светом, оно обычно считается флуоресцентным, а если светится в темноте — часто просто фосфоресцентным). В современном научном понимании эти явления обычно классифицируются по трем различным механизмам, которые производят свет, и типичным временным масштабам, в течение которых эти механизмы излучают свет. В то время как флуоресцентные материалы прекращают излучать свет в течение наносекунд (миллиардных долей секунды) после прекращения воздействия возбуждающего излучения, фосфоресцентные материалы могут продолжать излучать послесвечение в диапазоне от нескольких микросекунд до многих часов после прекращения возбуждения. Существуют два отдельных механизма, которые могут вызывать фосфоресценцию: триплетная фосфоресценция (или просто фосфоресценция) и постоянная фосфоресценция (или постоянная люминесценция). Триплетная фосфоресценция возникает, когда атом поглощает фотон высокой энергии, и эта энергия оказывается заблокированной в спиновой мультиплетности электронов, обычно переходя из флуоресцентного «синглетного состояния» в более медленно излучающее «триплетное состояние». Более медленные временные масштабы переизлучения связаны с «запрещенными» переходами энергетических состояний в квантовой механике. Поскольку эти переходы происходят относительно медленно в некоторых материалах, поглощенное излучение переизлучается с меньшей интенсивностью, в диапазоне от нескольких микросекунд до одной секунды после прекращения возбуждения. Постоянная фосфоресценция возникает, когда атом поглощает фотон высокой энергии, и его электрон оказывается захваченным в дефекте кристаллической или аморфной решетки материала. Дефект, например, вакансия (отсутствующий атом), может захватить электрон, как ловушка, сохраняя его энергию до тех пор, пока она не будет высвобождена случайным скачком тепловой (вибрационной) энергии. Затем такое вещество излучает свет постепенно уменьшающейся интенсивности, в диапазоне от нескольких секунд до нескольких часов после первоначального возбуждения. Примерами фосфоресцирующих материалов в повседневной жизни являются светящиеся в темноте игрушки, наклейки, краски и циферблаты часов, которые светятся после зарядки ярким светом, например, обычным освещением в комнате или при чтении. Обычно свечение постепенно угасает, иногда в течение нескольких минут или до нескольких часов в темной комнате. Изучение фосфоресцирующих материалов привело к открытию радиоактивного распада.
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
Термин фосфоресценция происходит от древнегреческого слова φῶς (phos), означающего «свет», и греческого суффикса φόρος (phoros), означающего «нести», в сочетании с латинским суффиксом escentem, означающим «становящийся», «имеющий склонность к» или «обладающий сущностью». Таким образом, фосфоресценция буквально означает «имеющий склонность нести свет». Впервые зафиксирована в 1766 году. Термин фосфор использовался с эпохи Средневековья для описания минералов, светящихся в темноте. Одним из самых известных, хотя и не первым, был болонский фосфор. Около 1604 года Винченцо Касьяроло обнаружил «lapis solaris» недалеко от Болоньи, в Италии. После нагрева в печи, насыщенной кислородом, он поглощал солнечный свет и светился в темноте. В 1677 году Хенниг Бранд выделил новый элемент, который светился в результате хемолюминесцентной реакции при контакте с воздухом, и назвал его «фосфор». В отличие от этого, термин люминесценция (от латинского lumen, означающего «свет») был введен Эйльхардом Видеманном в 1888 году для обозначения «света без тепла», а термин «флуоресценция» — сэром Джорджем Стоуксом в 1852 году, когда он заметил, что раствор сульфата хинина светится при воздействии света, преломленного через призму, под воздействием таинственного невидимого света (ныне известного как ультрафиолетовый свет) за пределами фиолетового конца спектра. Стоукс образовал этот термин, объединив названия фторспара и опалесценции (предпочитая использовать минерал вместо раствора), хотя позже было обнаружено, что фторспар светится благодаря фосфоресценции. В конце XIX — середине XX веков существовала значительная путаница в значениях этих терминов. Термин «флуоресценция» обычно относился к люминесценции, которая прекращалась немедленно (с точки зрения человеческого глаза) после прекращения возбуждения, в то время как «фосфоресценция» относилась практически к любому веществу, которое светилось в темноте в течение заметного периода времени, иногда даже включая хемолюминесценцию (которая иногда выделяла значительное количество тепла). Только после 1950-х и 1960-х годов достижения в области квантовой электроники, спектроскопии и лазеров позволили различать различные процессы, излучающие свет, хотя в повседневной речи эти различия часто остаются довольно размытыми.
Введение
Проще говоря, фосфоресценция – это процесс, при котором энергия, поглощенная веществом, высвобождается относительно медленно в виде света. В некоторых случаях это механизм, используемый в материалах, светящихся в темноте, которые "заряжаются" под воздействием света. В отличие от относительно быстрых реакций при флуоресценции, таких как те, что наблюдаются в лазерных средах, например, в обычном рубине, фосфоресцирующие материалы "запасают" поглощенную энергию на более длительное время, поскольку процессы, необходимые для повторного излучения энергии, происходят реже. Однако временные рамки все же являются лишь общим различием, поскольку существуют медленно излучающие флуоресцентные материалы, например, соли уранила, и, аналогично, некоторые фосфоресцирующие материалы, такие как сульфид цинка (в фиолетовом свете), излучают очень быстро. С научной точки зрения, эти явления классифицируются по различным механизмам, производящим свет, поскольку материалы, проявляющие фосфоресценцию, могут быть подходящими для одних целей, например, для освещения, но совершенно непригодными для других, требующих флуоресценции, например, для лазеров. Еще больше размывая границы, вещество может излучать свет одним, двумя или всеми тремя механизмами в зависимости от материала и условий возбуждения. Когда накопленная энергия "запирается" спином атомных электронов, может возникнуть триплетное состояние, замедляющее излучение света, иногда на несколько порядков. Поскольку атомы обычно начинают в синглетном спиновом состоянии, благоприятствующем флуоресценции, эти типы люминофоров обычно производят оба типа излучения во время освещения, а затем более слабое послесвечение, состоящее исключительно из фосфоресцирующего света, которое обычно длится менее секунды после выключения освещения. Напротив, когда накопленная энергия обусловлена персистентной (стойкой) фосфоресценцией, происходит совершенно иной процесс, не имеющий флуоресцентного предшественника. Когда электроны оказываются в ловушке в дефекте атомной или молекулярной решетки, повторное излучение света блокируется до тех пор, пока электрон не сможет освободиться. Для освобождения электрону требуется дополнительная тепловая энергия, чтобы вырваться из ловушки и вернуться на орбиту вокруг атома. Только тогда атом может излучить фотон. Таким образом, персистентная фосфоресценция сильно зависит от температуры материала.
Триплетное фосфоресцентное воздействие
Большинство фотолюминесцентных событий, при которых химический субстрат поглощает, а затем переизлучает фотон света, происходят быстро – порядка 10 наносекунд. Поглощение и излучение света в этих быстрых временных масштабах наблюдается, когда энергия вовлеченных фотонов соответствует доступным энергетическим состояниям и разрешенным переходам субстрата. В особом случае фосфоресценции электрон, поглотивший фотон (энергию), претерпевает необычный межсистемный переход в энергетическое состояние с иной (обычно большей) кратностью спина (см. терм-символ), как правило, в триплетное состояние. В результате возбужденный электрон может оказаться в триплетном состоянии, где для возврата в основное синглетное состояние с более низкой энергией доступны только «запрещенные» переходы. Эти переходы, хотя и «запрещенные», все же происходят в квантовой механике, но кинетически невыгодны и, следовательно, протекают значительно медленнее. Большинство фосфоресцирующих соединений все еще относительно быстро излучают, с временами распада триплета порядка миллисекунд. Типичные примеры – это фосфорные покрытия, используемые в люминесцентных лампах, где фосфоресценция длительностью в миллисекунды или более полезна для заполнения «пауз» между полуциклами переменного тока, что помогает уменьшить «мерцание». Фосфоры с более коротким временем распада используются в таких приложениях, как пиксели, возбуждаемые свободными электронами (катодолюминесценция) в телевизорах с электронно-лучевой трубкой, которые достаточно медленны для формирования изображения при сканировании экрана электронным лучом, но достаточно быстры, чтобы предотвратить размытие кадров. Даже вещества, обычно ассоциирующиеся с флуоресценцией, могут быть склонны к фосфоресценции, например, жидкие красители в текстовыделителях, что является распространенной проблемой в жидкостных лазерах. Начало фосфоресценции в этом случае иногда можно значительно уменьшить или задержать с помощью триплетных тушителей.
Уравнение
где S — синглет, а T — триплет, индексы которых обозначают состояния (0 — основное состояние, 1 — возбужденное состояние). Переходы могут также происходить на более высокие энергетические уровни, но для простоты указано первое возбужденное состояние.
Постоянная фосфоресценция
Твердые материалы обычно бывают двух основных типов: кристаллические и аморфные. В любом случае формируется решетка или сеть атомов и молекул. В кристаллах решетка представляет собой очень аккуратную и упорядоченную структуру. Однако почти все кристаллы содержат дефекты в последовательности расположения этих молекул и атомов. Вакантный дефект, при котором атом отсутствует на своем месте, оставляя пустую "дыру", является одним из видов дефектов. Иногда атомы могут перемещаться внутри решетки, образуя дефекты Шотки или дефекты Френкеля. Другие дефекты могут возникать из-за примесей в решетке. Например, когда нормальный атом замещается другим атомом значительно большего или меньшего размера, возникает замещающий дефект, а когда атом гораздо меньшего размера оказывается запертым в "промежутках" – пространствах между атомами – возникает интерстициальный дефект. В отличие от этого, аморфные материалы не имеют "дальнего порядка" (за пределами пространства нескольких атомов в любом направлении) и, следовательно, по определению содержат множество дефектов. При возникновении дефекта, в зависимости от его типа и материала, он может создавать отверстие или "ловушку". Например, отсутствие атома кислорода в соединении оксида цинка создает дыру в решетке, окруженную несвязанными атомами цинка. Это создает результирующую силу или притяжение, которое можно измерить в электронвольтах. Когда высокоэнергетический фотон сталкивается с одним из атомов цинка, его электрон поглощает фотон и переходит на более высокую орбиту. Затем электрон может попасть в ловушку и удерживаться там (вне своей обычной орбиты) силой притяжения. Для высвобождения энергии необходим случайный скачок тепловой энергии достаточной величины, чтобы вытолкнуть электрон из ловушки и вернуть его на нормальную орбиту. Попав на орбиту, энергия электрона может вернуться в нормальное (основное) состояние, что приводит к испусканию фотона. Высвобождение энергии таким образом – полностью случайный процесс, определяемый в основном средней температурой материала и "глубиной" ловушки, то есть величиной притяжения в электронвольтах. Ловушка с глубиной 2,0 электронвольта потребует значительного количества тепловой энергии (очень высокой температуры) для преодоления притяжения, в то время как ловушка глубиной 0,1 электронвольта потребует очень небольшого количества тепла (очень низкой температуры), чтобы даже удержать электрон. Как правило, более высокие температуры приводят к более быстрому высвобождению энергии, что приводит к более яркому, но кратковременному излучению, в то время как более низкие температуры производят более тусклое, но более продолжительное свечение. Слишком высокие или слишком низкие температуры, в зависимости от вещества, могут препятствовать накоплению или высвобождению энергии. Идеальная глубина ловушки для устойчивой фосфоресценции при комнатной температуре обычно составляет от 0,6 до 0,7 электронвольт. Если фосфоресцентный квантовый выход высок, то есть вещество содержит большое количество ловушек подходящей глубины, оно будет излучать значительное количество света в течение длительного времени, создавая так называемый материал "светящийся в темноте".
Химилюминесценция
Некоторые примеры светящихся в темноте материалов не светятся за счет фосфоресценции. Например, светящиеся палочки светятся благодаря химиолюминесцентному процессу, который часто ошибочно принимают за фосфоресценцию. В химиолюминесценции возбужденное состояние создается в результате химической реакции. Интенсивность излучения света соответствует кинетике протекающей химической реакции. Затем возбужденное состояние передается молекуле красителя, также известной как сенсибилизатор или флюорофор, который впоследствии флуоресцирует, возвращаясь в основное состояние.
Материалы
Обычные пигменты, используемые в фосфоресцирующих материалах, включают сульфид цинка и алюминат стронция. Использование сульфида цинка в изделиях, связанных с безопасностью, началось в 1930-х годах. Разработка пигментов на основе алюмината стронция в 1993 году была обусловлена необходимостью найти замену материалам, светящимся в темноте, с высокой яркостью и длительной фосфоресценцией, особенно тем, в которых использовался прометий. Это привело к открытию Ясумицу Аоки (Nemoto & Co.) материалов с яркостью примерно в 10 раз выше, чем у сульфида цинка, и фосфоресценцией примерно в 10 раз продолжительнее. Это отодвинуло большинство продуктов на основе сульфида цинка в категорию новинок. Пигменты на основе алюмината стронция теперь используются в знаках эвакуации, маркировке путей и других знаках безопасности. Поскольку как фосфоресценция (переход из T1 в S0), так и генерация T1 из возбужденного синглетного состояния (например, S1) посредством межсистемной конверсии (ISC) являются спин-запрещенными процессами, большинство органических материалов демонстрируют незначительную фосфоресценцию, поскольку они в основном не заселяют возбужденное триплетное состояние, и даже если T1 формируется, фосфоресценция чаще всего подавляется нерадиационными путями. Одна из стратегий повышения эффективности ISC и фосфоресценции – введение тяжелых атомов, которые увеличивают спин-орбитальное взаимодействие (СОИ). Кроме того, СОИ (и, следовательно, ISC) может быть усилено за счет сочетания n π* и π π* переходов с различными угловыми моментами, что также известно как правило Мостафы Эль-Саида. Такие переходы обычно наблюдаются у карбонильных или триазиновых производных, и большинство органических фосфоресцирующих материалов комнатной температуры (ОРТМ) включают такие фрагменты. В свою очередь, для подавления конкурирующих нерадиационных путей деактивации, включая вибрационную релаксацию, гашение кислородом и аннигиляцию триплетов, органические фосфоры должны быть внедрены в жесткие матрицы, такие как полимеры и молекулярные твердые тела (кристаллы, ковалентные органические каркасы и другие).
Применение
В 1974 году Бекки Шредер получила патент США на изобретение "Glow Sheet", в котором под бумагой для письма использовались фосфоресцирующие линии, чтобы помочь людям писать в условиях низкой освещенности. Фосфоресцирующий материал добавляется в пластиковую смесь, используемую для литья под давлением дисков для фрисби-гольфа, что позволяет играть в эту игру ночью. Часто циферблаты часов окрашиваются фосфоресцирующими красками. Благодаря этому они могут использоваться в полной темноте в течение нескольких часов после воздействия яркого света. Распространенное применение фосфоресценции – это декоративное оформление. Звезды, изготовленные из светящегося в темноте пластика, размещают на стенах, потолках или подвешивают на нитях, создавая в комнате атмосферу ночного неба. Другие предметы, такие как фигурки, кружки, плакаты, светильники, игрушки и бусины для браслетов, также могут светиться. Использование ультрафиолетовых ламп (черных фонарей) заставляет эти предметы ярко светиться, что часто встречается на рейвах, в спальнях, тематических парках и на фестивалях.
Стены теней
Теневая стена возникает, когда свет освещает человека или объект, находящийся перед фосфоресцентным экраном, который на мгновение фиксирует тень. Экран или стена покрыты краской, светящейся в темноте, содержащей фосфоресцирующие вещества. В общественных местах такие теневые стены можно увидеть в некоторых научно-популярных музеях.