Lumineszcencia (fluoreszcencia, foszforeszcencia)
Lumineszcencia • • •
•
Bizonyos anyagok fény (látható fény, röntgen sugárzás, vagy radioaktív sugárzás) hatására látható fényt sugároznak ki. A hőmérsékleti sugárzással szemben ez a sugárzás alacsony hőmérsékleten (pl. szobahőmérsékleten) is jelentkezik. Értelmezés (lumineszcencia): A fénysugárzás azon esetét, amikor a fénykibocsátás oka nem a sugárzó test hőmérséklete, lumineszcenciának nevezzük. Az ilyen sugárzást kibocsátó – lumineszkáló – anyagokat pedig foszforoknak hívjuk. Lumineszcenciát kiváltó hatások: – – – –
•
Lumineszcencia lényege: –
• •
Fény – fotolumineszcencia Elektromos jelenség – elektrolumineszcencia (Cserenkov-sugárzás) Radioaktív sugárzás – radiolumineszcencia Biológiai hatások – biolumineszcencia (szentjánosbogár, bizonyos baktériumok)
Az anyagok a sugárzást elnyelik, és utána többnyire más hullámhosszon kisugározzák.
Értelmezés (lumineszcencia időtartama): Azt az időtartamot, ameddig a test a gerjesztő hatás megszűnése után sugároz, a lumineszcencia időtartamának nevezzük. Milyen anyagok lumineszkálnak, és milyen anyagok nem? – – – –
A tiszta, kevés hibát mutató kristályok NEM lumineszkálnak. A kristályban valamilyen hibának kell lennie a lumineszkáláshoz. (pl. szennyezésekkel elősegíthető a jelenség) Azokat a szennyezőket, amelyekkel a jelenség bekövetkezése elősegíthető, aktivátoroknak nevezik. FOSZFOROK = Alapanyag (ZnS, CaS, CdS, KCl, NaCl) + Aktivátor (Ag, Cu, Bi, Mn, Tl)
Fluoreszcencia Értelmezés (fluoreszcencia): A lumineszcencia azon esetét, amikor a gerjesztő hatás megszűnte után a lumineszkálás csak nagyon rövid ideig – jellemzően 10−6 𝑠-nál rövidebb ideig – marad csak meg, fluoreszcenciának nevezzük. Röviden: ekkor a lumineszkálás a gerjesztő hatás megszűnése után gyakorlatilag abbamarad. A fluoreszcencia magyarázata: • A beérkező foton az aktivátor atom egy elektronját az aktivátor szintről a vezetési sávba juttatja. • Ez az elektron a kristályban szabadon elmozdulhat. • Ha mozgása közben olyan aktivátor atommal találkozik, amelyikben betöltetlen elektronhely van, azzal rekombinálódik, azaz más szóval visszaesik az aktivátor szintre. • A gerjesztett állapot élettartama szabja meg, hogy meddig sugároz ki fényt.
𝒉𝒇𝟎 foton
∆𝑾
Vezetési sáv Aktivátor szint Valenciasáv
Foszforeszcencia Értelmezés (foszforeszcencia): A lumineszcencia azon esetét, amikor a gerjesztő hatás megszűnte után a lumineszkálás sugárzása relatíve hosszabb ideig – hosszabb, mint 10−5 − 10−4 𝑠 időtartamig – megmarad, foszforeszcenciának nevezzük. Röviden: ekkor a lumineszkálás a gerjesztő hatás megszűnése után gyakorlatilag néhány percig fennmarad. A foszforeszcencia magyarázata: • Rekombinációt gátló tényező kell jelen legyen! Pl. a kristályban lévő szennyezések vagy rácshibák „csapdákat” hozhatnak létre az anyagban. • A csapdák befoghatják a kristályban „bolyongó” elektronokat. Ezáltal megakadályozzák, hogy az aktivátor atommal találkozzanak. • A csapdák az elektronok számára kedvező, közvetlen a vezetési sáv alatt lévő energiaállapotokat jelentenek. • A csapdában addig lehet az elektron, amíg a rácsrezgésektől (fononoktól) kapott energia újra a vezetési sávba nem viszi. Majd itt újra csapdába eshet... Tehát többször csapdázódhat be az elektron. • Végül az aktivátor atommal találkozva rekombinálódik és a lumineszcens fény kibocsátása bekövetkezik.
Foszforeszcencia Tétel (Stokes-tétele): Fluoreszcencia fény frekvenciája nem lehet nagyobb, hullámhossza nem lehet kisebb a gerjesztő fény frekvenciájánál, illetve hullámhosszánál. Bizonyítás: A beérkező foton energiájára felírható:
ℎ𝑓0 ≥ ∆𝑊 A rekombinációnál keletkező foton energiája: ℎ𝑓 = ∆𝑊 Mindezekből az következik, hogy: ℎ𝑓0 ≥ ℎ𝑓 Azaz: 𝑓0 ≥ 𝑓 𝑐 Vagy másképpen felírva felhasználva, hogy 𝑓 = 𝜆. 𝑐 𝑐 ℎ ≥ℎ 𝜆0 𝜆 Amiből következik, hogy: 1 1 ≥ 𝜆0 𝜆 Vagyis 𝜆0 ≤ 𝜆
■
Foszforeszcencia •
Felhasználása: – – – – –
Hullámhossz transzformálás: bevonatokkal pl. Hg-gőz lámpa, vagy fénycső falának belső bevonata CRT TV képernyő Oszcilloszkóp képernyő Órák számlapjai Stb.,...
Abszorpció, Emisszió, Indukált emisszió, Lézerek
Abszorpció, spontán emisszió Elnyelés, vagy abszorpció:
Spontán kibocsátás, vagy spontán emisszió:
Populáció inverzió Bekövetkezhet az a jelenség, hogy a magasabb energiához tartozó 𝑊2 energiaállapotban több elektron van, mint az alacsonyabb energiájú 𝑊1 állapotban. Azaz: Az atomban a magasabb energiaszinten lévő elektron populáció „népesebb”, mint az alacsonyabb energiaszinthez tartozó elektron populáció. Ez az állapot az energiaminimum elvére való törekvés elleni állapot. Innen a név: populáció inverzió.
Indukált vagy stimulált emisszió 1 fotonra: 𝒉𝒇𝒌𝒊 = 𝑾𝟐 − 𝑾𝟏
Egy külső, stimuláló foton, a magasabb energiaállapotban lévő elektronokat „kilöki” a helyükről, előidézve az emissziót. Ezért hívják indukált emissziónak. Nagyon fontos az, hogy az indukált emisszió által kibocsátott fotonok egymással azonos hullámhosszúságúak és koherensek (tehát fázisviszonyaik is azonosak)!!!
A mézer, a lézer Értelmezés (MASER - mézer): Azokat a berendezéseket, amelyek mikrohullámú erősítést végeznek a hullám indukált emissziója által, és ezen folyamat hatására mikrohullámot sugároznak ki, mézernek, vagy az angol mozaikszóból eredően maser-nek nevezzük. MASER = Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Mikrohullámú Erősítés a Sugárzás Stimulált Emissziója révén. Értelmezés (LASER - lézer): Azokat a berendezéseket, amelyek a fény erősítését a hullám indukált emissziója révén valósítják meg, és a folyamat eredményeképpen fényhullámokat sugároznak ki, lézernek, vagy az angol mozaikszóból eredően laser-nek nevezzük. LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Fény Erősítés a Sugárzás Stimulált vagy Indukált Emissziója által. Az első mézer: 1950-ben épült. Az első lézer megépítésének éve: 1960. Theodore Maiman építette meg az első lézert, ami rubinlézer volt. A lézerműködés elvét Albert Einstein fedezte fel (indukált emisszió). A lézereket (is) Einsteinnek köszönhetjük.
A lézerműködés energia sémája E
Nem létezik két energiaszintes lézer!
A fénylavina kialakulása Alapállapotú ionok vagy atomok a közegben
A pumpáló fény (nyilak) az atomok vagy ionok nagy részét gerjesztett állapotba juttatja (üres körök). A gerjesztett ionok vagy atomok spontán módon (azaz maguktól) fotonokat bocsátanak ki a tengellyel párhuzamosan. (szaggatott vonalú nyilak) A fotonok megsokszorozódnak az indukált emisszió hatására és rovására továbbá az elő- és véglapi tükrökről visszaverődve a folyamat lavinaszerűen felerősödik. Ha a nyaláb elegendően erős, akkor a lézercső előoldalán, a 99%-os tükrön keresztüljutva kisugárzódnak a közegbe. lézerfény
Példák lézerre •
Hélium-Neon lézer:
•
Félvezető lézer:
Példák, alkalmazások •
Rubinlézer:
•
Holográfia: GÁBOR DÉNES találmánya
A tárgyról visszavert és az 𝑀2 tükörről visszavert lézernyalábok interferálnak a film felületén és igen bonyolult interferenciaképet hoznak létre. A hologram maga az interferenciakép.
tükör
tükör tárgy
lencse
lencse nyalábosztó film
