Люминесценция как понятие

Жоспар:

1. Люминесценция туралы түсінік
2. Люминесценцияның түрлері және олардың атқаратын қызметі
3. Люминесценцияның маңызы

Люминесценция (лат. lumen — жарық, escent — әлсіз) – деп молекулаладың, атомдардың, иондардың және де басқа күрделі комплекстердің қозған күйден бейтарап күйге өтер кездегі жарық шығаруын айтады. Молекуланың қозған қалыпқа көшуін молекулада жарық кванты энергиясын жинақтауы ретінде қарастыруға болады. Бірақ бұл энергия өте жылдам жұмсалады. Энергия жылуға көшеді де қоршаған ортаға беріледі. Бұл процесстер өте жылдам жүреді (10^-13 – 10^-11 с). Әр түрлі мөлшердегі энергия квантын жұтқан молекула біраздан кейін, қозудың ең төменгі деңгейіне көшеді.  Люминесценция құбылысы XΙX ғасырдан бастап зерттеле бастады. Люминесценцияның неізгі заңдарын ашуда С.И. Вавилов бастаған ғалымдардың еңбегі аса зор. Люминесценция құбылысы көптеген сұйықтарда және қатты денелерде байқалады. Заттың табиғатын және арқылы анықтауды люминесценциялық анализ дейді. Люминесценцияны қоздырудың әдістеріне байланысты олардың бірнеше түрі бар:

1. Фотолюминесценция көрінетін немесе ультракүлгін электромагниттік сәулеленудің әсерінен байқалады. Оны зерттей отырып, 1852 жылы Д. Стокс люминесценциялық сәулеленудің толқын ұзындығы әрқашан оны тудырған жарық толқынының ұзындығынан артық болатынын тағайындады. Бұл Стокс ережесі деп аталады, оны энергияның сақталу заңы мен кванттық  теория тұрғысынан оңай түсіндіруге болады.
2. Рентгенолюминесценция рентген сәулелерінің әсерінен пайда болады. Оны рентген аппаратының экранынан бақылауға мүмкүндік бар.
3. Радиолюминесценция деп заттың (люминофорлардың) α,β және γ сәулелерінің әсерінен жарқырауын айтады. Люминесценцияның бұл түрі сцинтилляциялық есептеуіштердің экрандарында пайда болады.
4. Катодлюминесценция электрондық сәулемен шығарылады. Оны теливизордың, осциллорафтың және т.б. электрон сәулелік құралдардың экранынан бақылауға мүмкүндік бар.
5. Электролюминесценция электр өрісінің көмегімен шығарылады. Оны газ зарядты түтіктерде байқауға болады.
6. Хемилюминесценция заттардағы химиялық процестердің нәтижесінде пайда болатын құбылыс. Оған мысалға ақ фосфордың, шіріген ағаштың және кейбір жәндіктердің, өзен жануарларының жарқырауын келтірсек те жеткілікті.
7. Сонолюминесценция құбылысы кейбір сұйықтардың ерітінділерінен ультрадыбыс толқындары өткенде пайда болады.

Жарқырауының ұзақтығына қарап люминесценцияны флуоресценция (тез өшіп қалатын люминесценция) және фосфоесценция (ұзақ жарқырайтын  люминесценция) деп екіге бөледі. Люминесценцияны былай 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 рекомбинациялық люминесценциялық 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 энеретикалық күйден қозған күйе 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  құбалыс. Метастабильді деңгейлер  қозған күй деңейлерінен төмендеу орналасады. Метастабильді деңгейлер үстіңгі  жақтардан толтырылып отырады. Бұл жағдайда көптеген молекулалар әдеттегі қозған күйден метастабильді деңгейге келіп орналасады. Бұл кезде ол молекулалар өзінің энергиясының біразынан айырылып қалады.

Молекулалар метастабильді  күйде 10^-4 секундтан бүтін секундқа 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 өткізіштерде (гермений, кремний) байқалады.

Люминесценция поляризация  күйімен және спектрмен сипатталады. Люминесценция спектрлі және оған әсер ететін факторлар спектроскопия  бөлімінде зерттеледі. Көбінесе люминесценцияның интенсивтілігінің орнына шоғырланған энергияның қоздырушы (жұтылған) энергияға қатынасы алынады. Бұл шаманы люминесценция шығымы деп 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 байланысты қарастырылады. Вавилов заңы мен Стокс ережесін қараңыз. Сондай-ақ  люминесценция поляризациясы поляризациялық диаграммалармен сипатталады.

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:

j=j₀℮^-t/

  - қозған күйдің орташа өмір сүру ұзақтығын көрсететін уақыт t - 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 заңымен сипатталса, рекомбинациялық люминесценцияның кинетикасы өте күрделі болып келеді. Ол рекомбинациясы ықтималдығына, молекулалардың электрондарды қамтуына және оларды босатуына және температураға байланысты болады. Бұл кезде өшу заңы екінші дәрежелі гипербола заңымен анықталады:

j=j₀(1+Pt)^-2

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

j=j₀(1+Pt)^-α, α≤2

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 сөндңру дәрежесіне баланысты. 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 радио люминесценция кеңінен пайдаланылады. Люминесценттік бояулармен жол бойына қойылатын белілерді, маталарды бояйды (люминофорлар). Люминесценция дефектоскопияда кеңінен қолданылады.

Пайдаланған әдебиеттер

 Қазақ тілі терминдерінің салалық. ғылыми түсіндірме сөздігі: Электроника, радиотехника және байланыс. — Алматы: "Мектеп" баспасы, 2007   

2. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-Ф49 математика бағытындағы 11 сыныбына арналған оқулық /С. Түяқбаев, Ш. Насохова, Б. Кронгарт, т.б. — Алматы: "Мектеп" баспасы. — 384 бет
3. Б. Арысханов «Биологиялық физика»