什么是发光?有哪些不同的类型?

发布时间:2023-02-10 03:02:13.000Z

什么是发光?

发光是吸收某一特定波长的光,并以大于吸收的波长发射出光的过程。在这种现象中,物质不发生加热,就像从加热的源头发出光的炽热现象。在这种方法中,物质发出的光是自发的。这种光可以被称为 "冷光",因为发射的光不是来自加热的物质。光的发射是由于不同的原因,如化学反应、电能、亚原子运动或晶体上的压力。发光有不同的类型,如生物发光、化学发光电致发光光致发光和热致发光。

发光的类型有哪些?

光致发光

图1:光致发光过程

通过光子吸收的光激发的发射被称为光致发光。它是发光的一种形式,当电磁辐射被物质吸收后,辐射被重新发射出来。光激发启动了这个过程。也就是说,当物质吸收了一个光子,物质的电子从基态被激发到更高的能量状态,然后这些电子随着光子的发射而松弛。图1显示了光致发光的过程。根据不同的物质,光子的吸收和发射之间的时间段可能有所不同。光致发光包括荧光和磷光。荧光是一种发光现象,在这种现象中,物质会立即重新释放所吸收的辐射,而在磷光中,物质在吸收后不久不会重新释放辐射。

荧光被定义为从之前吸收了能量或电磁辐射的物质中发射光线的过程。这种光发射是自发发生的,因此它是发光的一种类型。发出的光通常比吸收的光具有更长的波长。这也意味着发射的光的能量比吸收的光的能量要低。这种波长的差异被称为斯托克位移。在荧光中,当物质以光子的形式吸收光时,物质中的原子被激发而发生光发射。但由于高能态是不稳定的,电子通过发射光子释放回基态,可以在物质上看到发光。吸收的能量通常在很短的时间内以发光的形式释放出来,大约是10-8秒,这意味着我们只要移开引起激发的辐射源就可以观察到荧光。荧光在不同领域都有应用,如矿物学、宝石学、化学传感器、生化研究、医学、染料、生物探测器、荧光灯生产等。我们还可以看到荧光是矿物中的一个自然过程。这些发生在自然界的荧光物质具有广泛的激发和发射光谱。

磷光是一种像荧光一样的发光现象,物质被暴露在短波长的光线下导致物质发光。在这个过程中,该物质吸收光并以较长的波长重新发射。即使在辐射源被移除后,光的发射仍会持续很长时间。磷光可以由于两种不同的机制而发生:三联体磷光和持久性磷光。当一个高能量的光子被原子吸收时,就会发生三重磷光。持续性磷光发生在高能光子被原子吸收时,这导致原子的电子被困在晶体或非晶体材料晶格的缺陷中。与荧光相比,磷光是一个非常缓慢的过程,因为电子从激发态衰变到基态的速度减慢。可以用普通灯泡或自然光 "充电 "的 "夜光 "玩具,然后在几分钟甚至几小时内发光,是磷光材料的常见例子。

图2被命名为Jablonski图,它被用来说明荧光和磷光。激发分子的辐射性和非辐射性转变在此图中得到了证明。这里左边的S0、S1、S2和S3代表单子能量状态,右边的T1代表三子能量状态。当一个特定波长的光子被处于基态S0的分子或电子吸收时,它会被激发到更高的单子能态S1、S2和S3。然后它们将通过内部转换进行振动松弛,并达到能量状态S1。它们进一步释放能量并返回到基态S0,发射出光子,导致荧光。释放的光子的能量将低于吸收的光子的能量。也有一些分子通过非辐射弛豫从S1移动到T1,这是第一个三重态。这个过程被称为系统内跨越。与单子态相比,三重态的能量较低,因为三重态所对应的能量较低,而且它们的寿命很长。然后,电子从T1向基态S0进行辐射性转变,导致磷光。

化学发光
化学发光是指由于化学反应的结果而发出的光的现象。这种自发发出的光被称为发光。在化学发光中,如果发生的化学反应是放热的,就有机会形成热量。在这里,电子的激发不是由于光子的吸收,而是由于化学反应。在化学反应过程中,电子被激发到一个更高的能量状态,然后通过发射光子放松到基态。鲁米诺是一种非常好的化学发光物质,在犯罪学中被用来寻找血液痕迹。在这里,血红蛋白中的Fe2+离子充当催化剂,将鲁米诺转化为其发光结构。

图3:鲁米诺与过氧化氢的反应

当鲁米诺在催化剂存在下与过氧化氢反应时,会释放出蓝光。图3显示了这个反应。反应式如下。

C8H7N3O2(鲁米诺)+H2O2(过氧化氢)→3-APA(振子激发态)→3-APA(衰变到低能级)+光

其中3-APA是3-氨基酞酸酯

化学发光在荧光棒中有所应用。这种发光是由荧光染料(荧光体)产生的,它吸收了化学发光的光,并以另一种颜色释放出来。值得注意的是,化学发光并不只发生在液体中。例如,气化的磷和氧气之间的气相反应导致了白磷的绿色光芒。

生物发光 
由生物体发出的光被称为生物发光。它主要发生在海洋脊椎动物和无脊椎动物身上。

图4:生物发光中涉及的化学反应

生物发光是化学发光的一种形式,光能通过化学反应释放。这种反应涉及到一种发光的色素,荧光素,和荧光素酶,酶的成分。图4显示了荧光素酶与大气中的氧气反应,形成荧光素或氧荧光素和光的反应。例如,腐烂的肉和鱼在腐烂之前就会发出生物光,腐烂是指尸体或其他有机物的腐烂过程。发光的不是肉本身,而是生物发光的细菌。在一些真菌类、微生物如生物发光细菌、陆生节肢动物(萤火虫)等都可以观察到生物发光。萤火虫使用化学发光过程来产生光。有一些海洋生物,如珊瑚、藻类、甲壳类,甚至鱿鱼,都会发光,大部分是蓝色或绿色光谱。水母也是一种生物发光的生物体,在蛋白质Aequorin的帮助下,通过化学反应产生蓝光。

电致发光 
电致发光是一种化学现象,当电流作用于材料时,材料会发光。这既是一种光学现象,也是一种电学现象,在有电流或强电场的情况下可以发生。这一特点与由于热、化学反应、声音和其他机械作用而发生的黑体光发射不同。磷基(粉末)电致发光板一般被用作液晶显示器的背光。

图5:电致发光过程

电子和空穴通过掺杂形成p-n结(在半导体中)或通过使用强电场激发电子(如电致发光显示器中的荧光粉)而分离。当施加电流时,电子和空穴的辐射重组就会发生。被激发的电子以光子的形式释放能量。这种现象被称为电致发光。图5显示了电致发光过程的示意图。

机械发光
机械发光,也被称为摩擦发光,是一种当外部机械刺激,如研磨、摩擦、挤压或压迫施加于物质时的光发射现象。 也就是说,固体中的机械应力会导致光的发射。在这种方法中,机械能被转换为光。这在压力传感器、损伤检测、生物成像、照明和显示设备方面具有潜在的应用。这是一个有趣的、最不被理解的发光现象。根据机械刺激的类型,有不同类型的机械发光,如压电发光、摩擦发光、晶体发光和声波发光。

在压电发光中,对晶体表面的小压力而不对其产生任何断裂就会导致光的出现。弹性机械发光(ML)是一种压电发光,在具有压电性(利用晶体将机械能转化为电能的过程,反之亦然)和掺杂离子(如锰和镧)的主材料中检测到。在应用机械应力时,压电主机获得电场,导致掺杂物能级之间的电子转换,最终从掺杂物离子中发射出光。塑性机械发光是一种辐射性机械发光类别,其中机械发光的应变和应力起着主要作用。所有的弹性机械发光材料都表现出塑性机械发光。塑性变形引起位错运动。电场导致价带和导带以及位错带(由于结晶学缺陷而产生的带)的弯曲。因此,电子陷阱中的电子通过隧道进入导带。在电子与空穴的重新结合过程中释放的能量产生了激活中心的光发射特性。

在Mn掺杂的II-VI半导体中,电子-空穴重组过程中释放的能量激发了Mn2+离子,随后的去激发产生了Mn2+离子的光发射特征。聚合物、碱土氧化物、某些不着色的碱卤化物晶体、某些种类的橡胶和某些金属也表现出塑性ML。塑性ML的应用包括材料的非破坏性测试,在摄影中书写秘密信息,以及提供关于晶体的应力(施加在材料物体上的压力或张力)和应变(身体在受力方向经历的变形量除以身体的初始尺寸)的信息。

摩擦发光是一种现象,当材料被机械地拉开、撕开、刮开、压碎或摩擦时,会产生光。它也被称为分层发光。在这种情况下,光是从任何机械手段发生的材料断裂处发出的。所有的弹性机械发光和塑料机械发光材料都表现出断裂发光。碎裂机械发光的应用包括ML损伤传感器、断裂传感器、冲击传感器、军队弹头的引信系统、铣床设计的评估、研磨过程的在线监测、固体的碎裂研究、地震指示器的潜力、固体若干参数的确定、摩擦发光的X射线装置、微流星体和超高速(超高速)碎片撞击对航天器构成重大威胁。

例如,当压电晶体(如玻璃或石英)中的裂缝移动时,新产生的表面之一会带正电,另一个表面会带负电,其中在裂缝的两壁之间会产生一个强电场,如下图所示。因此,新产生的带相反电荷的表面之间可能会产生一个电场。这个电场可能会引起周围气体的介电击穿,反过来可能会产生气体放电ML。该场也可能导致晶体的介电击穿,自由电荷载流子的重新结合可能引起重组发光。图6显示了分体式机械发光的压电模型。

如果能量从受激气体分子完全转移到发光中心,或者由于气体放电产生的光被晶体完全吸收,那么将只产生固态的Fracto ML。此外,如果电场不足以引起气体放电,那么气体放电Fracto ML将不会被观察到。此外,如果表面电荷在裂缝壁之间的气体渗透之前放松,那么也不会观察到气体放电ML。另一方面,如果存在从受激气体分子到发光中心的部分能量转移,或晶体对因气体放电产生的光的部分吸收,那么将观察到固态分光光度和气体放电分光光度的结合。

在晶体发光的情况下,由于晶体从饱和溶液中生长出来,造成晶体表面的机械应力而发出光。有一些结晶盐从水溶液中发出结晶发光,如溴酸钡或溴酸锶等。在这种现象中,由于晶体的碎裂,出现了带有大量相反电荷的碎片。这些放电可以激发晶体表面的分子。

由于施加在气体饱和液体上的压力突然变化而发生光爆,这种现象被称为声光。在液体中的空化过程中,气泡的内爆由于绝热压缩而在气泡内产生极端温度。当气体被加热到如此高的温度时,会得到一个相当于黑体发射的连续发射光谱。由于强烈的钠激发,海水的声发光会产生额外的黄色发射。机械发光的实际应用非常少。机械发光材料可用于制造新的损伤传感器,在宇宙飞船或汽车安全气囊的碰撞传感器中找到应用。

发光的应用

发光被应用于科学研究和日常生活中。以下是一些例子。

发光被用于激光和灯技术中。
生物发光被用于对细胞过程的非侵入性监测。这可以用来观察生物体内部器官的活动。
发光二极管用于平板电视、计算机显示器、路灯、模块照明、室外区域照明和任务照明。
使用基于荧光粉材料发出的发光的荧光粉温度计来确定表面温度。

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