Люмінесценція

Люмінесце́нція (від лат. lumen, род. відм. luminis — світло і -escent — суфікс, що означає слабку дію) — свічення, яке є надлишком над тепловим випромінюванням тіла і триває упродовж часу, що значно перевищує період світлових коливань.

Історична довідка

Природні прояви люмінесценції (наприклад, свічення деяких комах, планктону, гнилого дерева) спостерігали здавна. Увагу науковців явище привернуло лише на початку 17 ст. Першим про фосфоресценцію сульфіду барію повідомив у 1603 ремісник-швець з м. Болоньї Вінченцо Каск’яроло (італ. Vincenzo Casciarolo; 1571–1624; Італія), який у вільний час займався алхімією. Він спостерігав свічення природного мінералу бариту після прожарювання з вугіллям деревним і тривалого опромінення сонячним світлом (матеріал отримав назву «Болонський камінь»).

Наукові дослідження явища започаткували дослідники Овідіо Монталбані (італ. Ovidio Montalbani; 1601–1671, Італія) у 1634 і Фортуніо Лічеті (італ. Fortunio Liceti; 1577–1657; Італія) у 1640. Систематичні дослідження наприкінці 19 ст. проводили А. Е. Беккерель (1820–1891; Франція), А. А. Беккерель, У. Крукс (aнгл. Sir William Crookes; 1832–1919; Велика Британія), Дж. Стокс та ін.

Термін упровадив 1888 Е. Відеманн (1852–1928; Німеччина; син Г. Відеманна) для розрізнення нерівноважного процесу люмінесценції від рівноважного випромінювання нагрітих тіл. Уточнення щодо тривалості випромінювання у процесі люмінесценції зробив С. І. Вавилов для розрізнення люмінесценції від інших видів нерівноважного свічення (наприклад, розсіювання, відбиття світла, параметричного перетворення частоти світла тощо), які тривають практично стільки ж, скільки збудження. За люмінесценції між поглинанням енергії і випромінюванням світла відбуваються проміжні процеси, тривалість яких довша періоду світлової хвилі. Тому в люмінесценції втрачається кореляція між фазами коливань поглиненого і випроміненого світла (на відміну від різних видів розсіювання).

У видимій області спектра люмінесценцію можна спостерігати за будь-якої температури (а теплове випромінювання — за температур ~ 10³–10⁴ К), тому явище зрідка описують застарілим терміном «холодне свічення». Речовини, здатні до люмінесценції, називають люмінофорами, у випадку кристалічних тіл твердих — кристалофосфорами.

Характеристика

Люмінесценція притаманна більшості органічних речовин (вуглеводні ароматичні, напр., бензен, антрацен, органічні барвники) і багатьом неорганічним твердим тілам (кристали іонні, скло, напівпровідники); оприявлюється у будь-якому агрегатному стані.

В органічних речовинах ключову роль у випромінюванні відіграють молекули. У твердому стані і розчинах особливості люмінесцентного випромінювання (спектральні характеристики, кінетика згасання) дуже подібні. Це зумовлено тим, що в кристалах органічних речовин молекули зв’язані між собою слабкими силами Ван дер Ваальса (див. Я. Д. Ван дер Ваальс), і завдяки слабкості цієї взаємодії молекули значною мірою зберігають свою індивідуальність. Така ж ситуація характерна і для розчинів органічних речовин. Тому для опису основних характеристик спектрів люмінесценції органічних речовин застосовують схеми енергетичних електронних станів молекул (діаграми Яблонського).

Для пояснення люмінесценції неорганічних речовин залежно від агрегатного стану використовують різні підходи. Для інтерпретації люмінесценції благородних газів і парів металів за низьких тисків застосовують схеми енергетичних рівнів в атомах. Для неорганічних твердих тіл (напівпровідників, діелектриків) використовують зонну теорію твердих тіл, а також конфігураційні діаграми. У кристалофосфорах яскравість люмінесценції залежить від наявності в них домішок (так званих активаторів), рівні енергії яких можуть слугувати рівнями поглинання, проміжними або випромінювальними рівнями.

Основні характеристики люмінесценції: спектр випромінювання, енергетичний вихід (для частинного випадку фотолюмінесценції — квантовий вихід), спосіб збудження, стан поляризації, кінетика свічення.

Класифікація видів люмінесценції

Люмінесценцію класифікують за типом збудження, часовими характеристиками, механізмами елементарних процесів під час випромінювання.

Схема квантових переходів спонтанної люмінесценції: 1 → 2 — збудження; 2 → 3 — проміжний перехід (випромінювальний або безвипромінювальний) на рівень 3, з якого відбувається випромінювання; 3 → 1 — випромінювання кванта люмінесценції

Схема квантових переходів резонансної люмінесценції: 1 → 2 — збудження, 2 → 1 — випромінювання кванта люмінесценції

Схема квантових переходів вимушеної (метастабільної) люмінесценції: 1 → 2 — збудження; 2 → 3 — перехід на метастабільний рівень; 3 → 4 — перехід з поглинанням енергії на рівень 4, з якого відбувається випромінювання кванта люмінесценції 4 → 1

Схема квантових переходів рекомбінаційної люмінесценції в напівпровідниках і діелектриках: 1 → 2 — збудження, 2 → 1 — зона-зонна (крайова) люмінесценція, 3 → 1 — екситонна люмінесценція, 2 → 4 — перехід із зони на домішковий рівень, 5 → 1 — перехід із домішкового рівня в зону, 6 → 7 — донорно-акцепторна люмінесценція

За типом збудження вирізняють:

• фотолюмінесценцію (збудження світлом);
• електролюмінесценцію (під дією електричного поля або електричного струму);
• тріболюмінесценцію (під дією механічних деформацій або руйнування кристалів);
• сонолюмінесценцію (під дією звукових хвиль);
• хемолюмінесценцію (за рахунок енергії хімічних реакцій в речовині);
• ліолюмінесценцію (за рахунок енергії, що виділяється внаслідок розчинення кристалів);
• біолюмінесценцію (за рахунок енергії біологічних процесів);
• радіолюмінесценцію (під дією різних видів проникаючої радіації) та її частинні випадки — рентгенолюмінесценцію (під дією електромагнітного опромінення рентгенівського діапазону), катодолюмінісценцію та іонолюмінесценцію (під дією електронів або іонів, які бомбардують тіло), альфа-люмінесценцію (під дією опромінення альфа-частинками) тощо.

За тривалістю згасання (зменшення інтенсивності випромінювання після припинення збудження) умовно розрізняють: флуоресценцію (характерні тривалості згасання ~ 10^-8–10^-9 c і навіть до ~ 10^-12 c) і фосфоресценцію (характерний час згасання від 10^-6 c до 10³ c, але буває і значно більше). Однак такий поділ є умовним, оскільки неможливо вказати чітку кількісну межу між цими двома типами люмінесценції. У процесі фосфоресценції відбувається зміна мультиплетності стану молекули (звичайно це перехід з триплетного стану до синглетного); у процесі флуоресценції спін, а відтак і мультиплетність, не змінюються.

За механізмом елементарних процесів, що відбуваються після поглинання енергії від зовнішнього джерела, люмінесценцію класифікують на спонтанну, резонансну, вимушену (або метастабільну) та рекомбінаційну.

Спонтанна люмінесценція: після збудження (процес 1 → 2) відбувається проміжний перехід (2 → 3), здебільшого безвипромінювальний, на той рівень, з якого потім відбувається випромінювальний перехід (3 → 1). Спонтанна люмінесценція характерна для парів та розчинів складних молекул, у твердих тілах — для домішкових центрів та екситонів.

Резонансна люмінесценція: випромінювання (процес 2 → 1) відбувається з того ж енергетичного рівня, на який в результаті поглинання енергії відбулось збудження (1 → 2). Резонансну люмінесценцію спостерігають в атомних парах (наприклад, ртуті, натрію), деяких простих молекулах, а іноді й більш складних системах.

Вимушена або метастабільна люмінесценція: після поглинання енергії (процес 1 → 2) спочатку відбувається перехід (2 → 3) на метастабільний рівень, а потім перехід (3 → 4) на рівень, з якого відбувається випромінювання (4 → 1). Потрібна для переходу 3 → 4 енергія поступає або за рахунок внутрішньої енергії тіла, або від додаткового кванта світла (наприклад, кванта інфрачервоного діапазону); цей процес називають також стимуляцією люмінесценції.

Рекомбінаційна люмінесценція: випромінювання відбувається внаслідок возз’єднання частинок, які розділилися під час збудження. У газах може відбуватися рекомбінація радикалів або іонів, в результаті чого після акту випромінювання фотона утворюється молекула у збудженому стані. У твердих кристалічних тілах (напівпровідниках і діелектриках) цей вид люмінесценції спостерігають за рекомбінації нерівноважних носіїв заряду, які утворилися внаслідок збудження тіла тим чи іншим способом. Рекомбінаційною люмінесценцією в твердих тілах є: випромінювання за рекомбінації електронів із зони провідності та дірок із валентної зони, так звана зона-зонна рекомбінація або крайова люмінесценція (процес 2 → 1); екситонна рекомбінація (3 → 1); рекомбінація за участю дефектних або домішкових центрів та дислокацій, які створюють енергетичні рівні всередині забороненої зони (випромінювальні процеси: 2 → 4 — перехід із зони провідності на домішковий рівень; 5→1 — перехід із домішкового рівня у валентну зону; 6 → 7 — перехід між рівнями донора і акцептора, так звана донорно-акцепторна люмінесценція).

За безвипромінювальних переходів електронів або дірок на енергетичні рівні, розташовані у забороненій зоні, енергія вивільнюється шляхом випромінювання фононів, а не фотонів, як у випромінювальних переходах. Процеси безвипромінювальної рекомбінації (1 → 4, 2 → 5, 2 → 6, 1 → 7) є необхідним проміжним етапом для відповідного типу люмінесценції.

Процеси збудження 1 → 2 для всіх типів люмінесценції позначені пунктирними стрілками, оскільки не конкретизується, в який спосіб відбувається перехід системи у збуджений стан (який вид енергії поглинається, чи передують переходу системи на рівень 2 різні процеси переносу енергії або передачі енергії іншим центрам свічення, чи відбуваються процеси безвипромінювальної рекомбінації перед тим, як система перейде у стан 2). Для фотолюмінесценції, коли процес 1 → 2 відповідає поглинанню фотона, кванти люмінесценції здебільшого мають меншу енергію ніж енергія квантів збуджуючого світла. Ця закономірність носить назву правила Стокса, а для величини зменшення енергії використовують термін Стоксів зсув. У деяких випадках ця закономірність може порушуватися, і тоді відбуваються так звані антистоксові процеси, за яких енергія кванта люмінесценції є більшою від енергії падаючого кванта.

Енергетичний вихід. Спектр

Для опису ефективності люмінесценції використовують поняття енергетичного виходу — відношення енергії, випроміненої тілом у формі люмінесцентного свічення, до поглинутої енергії збудження (частина якої йде на нагрівання). Інтенсивність випромінювання залежить від інтенсивності збудження і на відміну від енергетичного виходу не є характеристикою люмінесценції. Спектральний склад (спектр) випромінювання описують залежністю інтенсивності люмінесценції від довжини хвилі (або енергії квантів). Важливою характеристикою люмінесценції є також поляризація випромінювання, яка пов’язана з орієнтацією та мультипольністю (див. Мультиполь) випромінюючих і поглинаючих атомних систем.

Для опису частинного випадку — фотолюмінесценції — використовують поняття: квантовий вихід (відношення числа квантів світла люмінесценції до числа поглинутих квантів світла) і спектр збудження (спектральна залежність інтегральної інтенсивності фотолюмінесценції від довжини хвилі або частоти збуджуючого світла за однакової енергії збудження). Порівняння спектрів збудження фотолюмінесценції зі спектрами поглинання і фотопровідності дає можливість зробити висновки про характер електронних переходів у твердих тілах, які відбуваються як на стадії збудження, так і в процесі випромінювання квантів світла.

Кінетика згасання люмінесценції

Кінетика згасання люмінесценції, тобто функція інтенсивності випромінювання від часу [math]I(t)[/math], залежить від типу елементарного процесу. Кінетика згасання резонансної люмінесценції за малої інтенсивності збудження і низької концентрації збуджених атомів має експоненційний характер [math]I = I_0·exp(-t / τ)[/math], де [math]τ[/math] характеризує час життя на рівні збудження і дорівнює оберненій величині ймовірності спонтанного переходу за одиницю часу, [math]t[/math] — тривалість свічення. За великої інтенсивності збудження спостерігають відхилення від експоненційного закону згасання, пов’язане з процесами вимушеного випромінювання. У випадку спонтанної люмінесценції кінетика згасання також здебільшого носить експоненційний характер. Кінетика рекомбінаційної люмінесценції є складною, її визначають ймовірностями рекомбінації та залежними від температури ймовірностями захоплення і вивільнення електронів пастками. У багатьох випадках згасання можна описати гіперболічним законом: [math]I = I_0 / (1 + pt)^α[/math], (тут [math]р[/math] — стала величина, а показник [math]α[/math] здебільшого набуває значення від 1 до 2). Якщо відбуваються процеси гасіння, то і вихід люмінесценції, і час її згасання зменшуються.

Гасіння люмінесценції

У люмінесцентних системах безвипромінювальна рекомбінація виступає як конкуруючий процес. Для спостереження люмінесценції необхідно, щоб імовірність переходів із випромінюванням квантів світла перевищувала ймовірність безвипромінювальних переходів. Зростання ймовірності останніх призводить до гасіння люмінесценції (зменшення її інтенсивності). Ймовірність безвипромінювальних переходів залежить від багатьох факторів, наприклад, зростає зі збільшенням: температури (температурне гасіння), концентрації люмінесцентних молекул (концентраційне гасіння) або домішок (домішкове гасіння). Тож гасіння залежить від природи речовини, яка випромінює люмінесценцію, її агрегатного стану і зовнішніх умов.

Гасіння впливає також і на кінетику згасання люмінесценції. Лише у найпростішому випадку, коли ймовірність гасіння (тобто, безвипромінювальних переходів) є сталою, зберігається експоненційний закон, і характерний час згасання люмінесценції становить [math]τ = 1/(A + Q)[/math], де [math]A[/math] і [math]Q[/math] — ймовірності випромінювальних і безвипромінювальних переходів; тоді квантовий вихід [math]η = A / (A + Q)[/math]. Дослідження кінетики згасання люмінесценції дають важливу інформацію про процеси взаємодії молекул і міграції енергії.

Застосування

Яскравість люмінесценції та її високий вихід знаходять широке використання у повсякденному житті. Явища фотолюмінесценції та електролюмінесценції лежать в основі роботи нетеплових джерел світла із високим коефіцієнтом корисної дії — люмінесцентних ламп, дисплеїв, індикаторів, а також найбільш ефективних джерел освітлення — світло-випромінювальних діодів (LED). Катодолюмінесценція лежить в основі свічення електронно-променевих трубок для екранів осцилографів, локаторів тощо. У сцинтиляційних детекторах використовують радіолюмінесценцію. Люмінесцентні речовини є активним середовищем в лазерах — як газових, так і твердотільних. Фосфоресцентні матеріали широко застосовують для візуального оповіщення в аварійних ситуаціях, оскільки вони продовжують світитися після відключення електроенергії (аварійні індикатори виходу, вказівники напрямку руху тощо).

Люмінесценція є методом досліджень і складником спектроскопії. Чутливість сучасного флуоресцентного аналізу дозволяє детектувати окремі іони. На цій основі розроблені методи виявлення малих кількостей домішок, сортування речовин за їхніми люмінесцентними ознаками та вивчення сумішей, наприклад, нафти.

Люмінесценцію застосовують у дефектоскопії, криміналістиці, люмінесцентній термометрії, термолюмінесцентній дозиметрії, для термолюмінесцентного датування скам’янілостей. Використовують як високочутливий інструмент вивчення нанооб’єктів. Люмінесценція ряду біологічних об’єктів дозволила проводити неруйнівне вивчення живих клітин та отримувати інформацію про процеси, які відбуваються у клітинах на молекулярному рівні.

Література

1. Queisser H. J. Luminescence, Review and Survey // Journal of Luminescence. 1981. Vol. 24–25. P. 3–10.
2. Wiedemann E. Über Fluorescenz und Phosphorescenz, I. Abhandlung // Annalen der Physik und Chemie. 1988. Bd. 34. P. 446–463.
3. Вакуленко О. В., Даценко О. І. Люмінесценція напівпровідників. Київ : Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2011. 222 с.
4. Попик Ю. В. Фізика напівпровідників. Ужгород : ТОВ «ІВА», 2014. 820 с.
5. Ronda C., Srivastava A., Barbieri A. Fundamentals of Luminescence. Weinheim : Wiley-VCH, 2025. 450 p.

Автор

Г. Ю. Рудько

Покликання на цю статтю: Рудько Г. Ю. Люмінесценція // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Люмінесценція (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 09.08.2025