Поглощение света и люминесценция, страница 2

Люминесценция вызывается внешним энергетическим воздействием на вещество. Большая длительность люминесцентных процессов указывает на то, что между актами поглощения энергии веществом и излучением света протекает определенное время, необходимое для переноса энергии от мест поглощения к местам излучения в пространственно-энергетических координатах. Энергетический поток люминесценцииF_l зависит от способа и механизма ее возбуждения.

Одной из важных характеристик оптического излучения является зависимость функции F_l, описывающий энергетический поток излучения, от длины волны (частоты, энергии фотона или волнового числа n=1/l). Зависимость энергетического потока или интенсивности излучения от длины волны (волнового числа, частоты, энергии фотона) называется спектром излучения. В зависимости от природы излучающего вещества и энергетического воздействия на него спектр излучения может быть сплошным (непрерывным), линейчатым, полосовым и смешанным (рис. 1).

Рис.1. Виды спектров: а) сплошной, б) линейчатый, в) полосовый, г) смешанный.

Непрерывные спектры испускаются разогретыми твердыми телами, жидкостями и газом высокого давления. В частности, спектр теплового излучения хорошо совпадает с функцией Планка (2). По существу непрерывный спектр состоит из очень большого (бесконечного) числа спектральных линий, непрерывно следующих одна за другой. Линейчатые спектры испускаются возбужденными атомами и ионами в разреженных газах, в которых расстояние между атомами достаточно большое для того, чтобы излучение каждого из них можно считать независимым от соседей. Полосовые спектры испускаются многоатомными молекулами, твердыми телами и жидкостями. Наконец, смешанные спектры получаются в результате суперпозиции нескольких различных спектров. Спектр излучения, в общем случае, не тождественен ни спектру поглощения, ни спектру пропускания.

Если внешним энергетическим воздействием, вызывающим люминесценцию вещества, является оптическое излучение, то такую люминесценцию называют фотолюминесценцией. Она широко используется на практике. Поэтому для ее характеристики вводится дополнительная функция – спектр возбуждения люминесценции, которым называется функция  – зависимость от длины волны отношения потока люминесценции F_l к падающему на вещество энергетическому потоку F(l). Отсюда видно, что спектр возбуждения отличается от спектра излучения.

Люминесценция дополнительно характеризуются энергетическим выходом. Он определяется как отношение лучистой энергии люминесценции W_l к количеству поглощенной в веществе возбуждающей энергии W_a =W₀ –W_p:

,                                              (3)

где W₀ и W_p – падающая и прошедшая сквозь вещество возбуждающая энергия. Для характеристики фотолюминесценции вместо энергетического выхода используется квантовый выход люминесценции – отношение числа полного числа квантов люминесценции (фотонов) к числу поглощенных фотонов возбуждающего света:

.                            (4)

Последнее неравенство является следствием уже известного вам правила Стокса, которое гласит, что длина волны излучаемого света l_l больше длины волны поглощенного света l_a. Это правило не абсолютное – та область длин волн, в которой выполняется это правило, называется стоксовой, а где не выполняется – антистоксовой. Квантовый выход в стоксовой области люминесценции остается постоянным, а в антистоксовой падает с увеличением длины волны возбуждающего оптического излучения. Для фотолюминесценции в случае сильного поглощения (W_a»W₀) спектр возбуждения люминесценции совпадает с ее энергетическим (квантовым) выходом: . А в случае слабого поглощения дополнительно проявляется зависимость от показателя поглощения: .

После прекращения возбуждения люминесценция исчезает не сразу, а существует определенное время, в течение которого затухает по определенному закону. Люминесценция, продолжающаяся после прекращения возбуждения, называется послесвечением, а затухание люминесценции называется кинетикой люминесценции. Если спад интенсивности люминесценции происходит по экспоненциальному закону