Флуоресценция

Электроны в атомах и молекулах возбуждаются, если поступает энергия извне. Форма этой энергии может быть самой различной.

Существует много молекул и молекулярных систем, которые излучают свет в результате поглощения света, это явление называется фотолюминесценцией.

Явление фотолюминесценции имеет несколько разновидностей, в частности оно подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция и фосфоресценция

Эти явления отличаются между собой только электронной природой возбужденного состояния, с которого происходит эмиссия света: с первого синглетного состояния ($S$) и триплетного состояния ($Т$), соответственно (см. рис. 1).

Рис. 1. Типичная диаграмма потенциальной энергии гипотетической двухатомной молекулы. Возбужденные состояния (синглет $S_1$; триплет $Т_1$), существуют на большем расстоянии от ядер, чем основное состояние (синглет $S_0$). Указаны переходы, соответствующие поглощению ($А$), флуоресценции ($F$), фосфоресценции ($Р$) и фотоакустике ($PAS$)

Обычно флуоресценция определяется как излучательный переход между двумя энергетическими состояниями идентичной мультиплетности, а фосфоресценция — как излучательный переход между двумя состояниями различной мультиплетности.

Таким образом, энергетически флуоресценция может быть триплет-триплетной, дублет-дублетной и в виде других экзотических эмиссий. Если молекулы возбуждаются до более высокого электронного и колебательного уровня, они обычно претерпевает безизлучательную релаксацию в состояние $S_1$ за приблизительно 10-14 с. В основное электронное состояние $S_0$ они могут возвратиться затем по разным каналам, из которых флуоресцентный канал, выражается разностью энергий ($S_1 — S_0$) и представляет собой излучение кванта или фотона света.

Прочие варианты перераспределения энергии фотона в молекулах

Если молекула не флуоресцирует при переходе в основное электронное состояние, то энергия возбуждения должна рассеиваться другим образом. Вероятны:

• безизлучательный перенос энергии на другие молекулы (тушение флуоресценции);

• фотохимические реакции;

• внутренний перенос энергии.

Последняя возможность означает внутреннее перераспределение энергии в самой молекуле.
В упрощенном виде эти процессы можно описать следующим образом. Принесенная фотоном энергия мгновенно перераспределяется по всей системе жесткой молекулы, а затем в большей степени излучается снова в виде света. Однако в гибкой молекуле энергия в основном рассеивается через безизлучательные переходы, что можно проиллюстрировать следующей грубой макроскопической аналогией.

Если стальной шар падает на стальной лист, его кинетическая энергия мгновенно распределяется по всему листу и излучается в виде звуковой энергии. Однако если стальной шар упадет на лист из мягкого материала, то звука не будет, так как энергия удара поглотится.

Следовательно, флуоресценция противоположна поглощению. Это установил еще Кирхгофф в 1859 г. В соответствии с законом Кирхгоффа, каждый атом, который поглощает на определенной длине волны, излучает на той же самой длине волны. Этот закон позже теоретически доказал А. Эйнштейн.

Не знаете, где заказать написание статьи по физике на заказ? Авторы Студворк к вашим услугам!

Тест по теме «Флуоресценция»