Другим вариантом Л. к. являются съёмки с усилением яркостного или цветового контраста. Для этого элементы декораций, реквизита, костюмов, а также кукол и рисунков (в мультипликационном фильме) подкрашиваются люминофорами, излучающими свет необходимой цветности при возбуждении видимыми лучами. При освещении белым светом увеличивается насыщенность цвета и яркость подкрашенных деталей. Если же свечение люминофора возбуждается излучениями определённых длин волн, то перемежающейся подсветкой создаётся возможность подчеркнуть в кинофильме «блеск драгоценных камней» или изобразить «вспышки глаз» дракона и т.п.
Лит.см. при статье .
В. Б. Толмачев.
Люминесцентная лампа
Люминесце'нтная ла'мпа, газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких %. Л. л. широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача и срок службы в несколько раз более, чем у ламп накаливания того же назначения. Наиболее распространённой разновидностью подобных источников является ртутная Л. л. ( рис. 1 ). Она представляет собой стеклянную трубку с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора. В торцы трубки введены вольфрамовые спиральные электроды; для повышения эмиссионной способности на электроды наносится оксидная суспензия, изготовляемая из карбонатов или перекисей щёлочноземельных металлов. В лампу вводят каплю ртути и некоторое количество инертного газа (Ar, Ne и др.), который способствует увеличению срока службы лампы и улучшению условий возбуждения атомов ртути. При подключении Л. л. к источнику переменного тока между электродами лампы возникает электрический ток (десятые доли а), возбуждающий свечение атомов ртути. Давление ртутных паров в Л. л. зависит от температуры стенок лампы и составляет при нормальной рабочей температуре 40 °С примерно 0,13-1,3 н/м 2(10 -2-10 -3 мм рт. ст.). Такое низкое давление обеспечивает интенсивное излучение разряда в ультрафиолетовой области спектра (преимущественно с длиной волны l 184,9 и 253,7 нм), которое и возбуждает свечение люминофорного слоя ламп.
Наиболее распространённым люминофором является галофосфат кальция, активированный Sb и Mn (см. ). Изменяя соотношение активаторов, можно получить люминофоры разных марок и изготавливать лампы разной цветности. В СССР максимальную световую отдачу имеют лампы ЛБ (белого света) - 75 - 80 лм/вт. Световая отдача ламп ЛХБ (холодно-белого света) около 65 лм/вт. Для обеспечения наиболее правильной цветопередачи освещаемых объектов используют лампы ЛДЦ (см. ). Лампы с диффузноотражающим слоем (рефлекторные лампы) имеют пониженный общий световой поток, но почти вдвое большую силу света в отражаемом покрытием направлении. Срок службы ламп превышает 10 тысяч ч. Мощности Л. л. колеблются от 4 до 200 вт; длина от 136 до 2440 мм; по конфигурации различают лампы: прямые, U-oбразные, W-oбразные, кольцевые, панельные, свечеобразные.
Широкое распространение получают Л. л. с амальгамами In, Cd и других элементов. Более низкое давление паров ртути над амальгамой даёт возможность расширить температурный диапазон оптимальных световых отдач до 60 °С вместо 18-25 °С для чистой ртути.
При повышении температуры окружающей среды сверх допускаемой нормы (25 °С для чистой ртути и 60 °С для амальгам) возрастают температура стенок и давление паров ртути, а световой поток снижается. Ещё более заметное уменьшение светового потока наблюдается при понижении температуры ( рис. 2 ), а значит, и давления паров ртути. При этом резко ухудшается и зажигание ламп, что делает невозможным их использование при температурах ниже 0 °С без утепляющих приспособлений. В связи с этим представляют интерес безртутные Л. л. с разрядом низкого давления в инертных газах. В этом случае люминофор возбуждается излучением с l от 58,4 до 147 нм. Поскольку давление газа в безртутных Л. л. практически не зависит от окружающей температуры, неизменными остаются и их световые характеристики.
Световая отдача Л. л. повышается при увеличении размеров (длины) за счёт снижения доли анодно-катодных потерь в общем световом потоке. Для Л. л. характерны малая поверхностная яркость ламп и пульсация светового потока при работе ламп на переменном токе ( ). Снижение пульсаций достигается равномерным включением ламп в три фазы питающей сети. Срок службы ламп ограничен дезактивацией и распылением катодов. Отрицательно сказываются на сроке службы колебания напряжения питающей сети и частые включения и выключения ламп. Световая отдача снижается в процессе горения.
Будучи газоразрядным прибором, Л. л. имеет падающую вольтамперную характеристику, что требует применения пуско-регулирующих аппаратов (ПРА) - индуктивных или ёмкостных. Для повышения термоэмиссии и обеспечения тем самым зажигания ламп катоды в пусковой период должны быть прогреты. Это достигается включением их в сеть последовательно с ПРА с помощью стартера (стартерные схемы) или с помощью трансформаторов накала (бесстартерные схемы).
Л. л. широко применяются в качестве источников света: например, ЛБ и ЛХБ - для общего освещения; ЛТБ (тепло-белого света) - для освещения помещений, богатых бело-розовыми тонами; ЛСР (синего света рефлекторные) - в электрофотографических копировально-множительных аппаратах; лампы из увиолевого стекла, частично прозрачного для ультрафиолетового излучения, - для профилактического облучения людей.
Выпуск Л. л. осуществляется на механизированных поточных линиях сборки производительностью 700-800 штук в 1 ч. В СССР и за рубежом ведутся работы по повышению световой отдачи ламп до 85 лм/вти срока службы до 12-15 тысяч чпри 8-кратном включении и выключении ламп в течение суток (вместо современного 4-кратного включения), по разработке оборудования производительностью 2500-3000 штук в 1 ч.
Лит.:Фабрикант В. А., Физика и техника люминесцентных ламп, «Успехи физических наук», 1945, т. 27, в. 2; Вавилов С. И., О «теплом» и «холодном» свете, М., 1956; Федоров В. В., Новое в физике и технике люминесцентных ламп, «Светотехника», 1966, № 9-10; его же, Производство люминесцентных ламп, 2 изд., М., 1969.
В. В. Федоров.
Рис. 1. Ртутная люминесцентная лампа: 1 - трубка-колба; 2 - катод; 3 - цоколь; 4 - штырёк; 5 - изолирующая прокладка.
Рис. 2. Зависимость светового потока ламп с жидкой ртутью от температуры стенок.
Люминесцентная микроскопия
Люминесце'нтная микроскопи'я, метод наблюдения под микроскопом люминесцентного свечения микрообъектов при освещении их сине-фиолетовым светом или ультрафиолетовыми лучами (см. ).
Люминесцентно-битуминологический каротаж
Люминесце'нтно-би'туминологический карота'ж, способ определения количественного содержания и качественного состава битуминозного вещества, главным образом в горных породах, основанный на их люминесцирующих свойствах (см. ). Л.-б. к. применяется в сочетании с геологическими данными для оценки перспектив нефтегазоносности геологических регионов, районов или отдельных структур, а также для стратиграфического расчленения толщ осадочных пород, особенно если они лишены остатков фауны и флоры, и для корреляции нефтяных пластов. Л.-б. к. производится с помощью стационарных или передвижных станций, оборудованных люминесцентной аппаратурой. Для анализа битуминозности вынутого из буровой скважины , шлама, глинистого раствора используются ультрафиолетовые лучи солнечного света или кварцево-ртутных ламп. Результаты Л.-б. к. изображаются графически совместно с литолого-стратиграфической колонкой.
Простота выполнения, несложность оборудования, большая производительность обеспечили широкое внедрение Л.-б. к. в практику геологоразведочных работ. Л.-б. к. может применяться в комплексе с другими видами каротажа (например, с ).
Лит.:Флоровская В. Н., Люминесцентно-битуминологический метод в нефтяной геологии, М., 1957; Руководство по методике люминесцентно-битуминологических исследований, Л., 1966.
В. Н. Флоровская.
Люминесцентный анализ
Люминесце'нтный ана'лиз, метод исследования различных объектов, основанный на наблюдении их . При Л. а. наблюдают либо собственное свечение исследуемых объектов (например, паров исследуемого газа), либо свечение специальных , которыми обрабатывают исследуемый объект. Аппаратура, применяемая для Л. а., содержит источник возбуждения люминесценции и регистрирующее устройство. Чаще всего возбуждают фотолюминесценцию объекта, однако в некоторых случаях наблюдают катодолюминесценцию, радиолюминесценцию и хемилюминесценцию. Фотовозбуждение обычно производится кварцевыми ртутными лампами, причём с помощью светофильтров из их спектра обычно вырезается ультрафиолетовая часть. Кроме ртутных ламп, в качестве источника света в Л. а. применяют ксеноновые лампы, искры в воздухе, лазеры. Регистрация люминесценции обычно осуществляется визуально или с помощью фотоэлектронных приборов, которые повышают точность Л. а.
При количественном и качественном химическом Л. а. регистрируется чаще всего самостоятельное свечение веществ. С помощью количественного химического Л. а. по интенсивности света люминесценции определяют концентрацию люминесцирующего вещества (при малых оптических толщинах его и концентрациях, меньших 10 -4-10 -5 г/см 3). Чувствительность количественного Л. а. очень велика и достигает нескольких единиц на 10 -10 г/см 3при обнаружении ряда органических веществ. Это позволяет использовать Л. а. для контроля чистоты веществ. Лучом газового лазера удаётся возбуждать люминесценцию отдельных изотопов и проводить, таким образом, изотопный Л. а.
Качественный химический Л. а. позволяет обнаруживать и идентифицировать некоторые вещества в смесях. В этом случае с помощью спектрофотометров изучают распределение энергии в спектре люминесценции веществ при низких температурах (см., например, ) и в вязких растворах (маслах). Некоторые нелюминесцирующие вещества обнаруживают по люминесценции продуктов их взаимодействия со специально добавляемыми веществами.
Сортовой Л. а. позволяет по характеру люминесценции обнаруживать различие между предметами, кажущимися одинаковыми. Он применяется для диагностики заболеваний (например, ткань, пораженную микроспорумом, обнаруживают по яркой зелёной люминесценции её под действием ультрафиолетового света), для определения поражённости семян и растений болезнями, определения содержания органических веществ в почве и т.п. С помощью сортового Л. а. производят анализ горных пород для обнаружения нефти и газов (см. ), изучают состав нефти, минералов, горных пород, сортируют алмазы и т.д. Используя свойство алмазов люминесцировать под действием мягких рентгеновских лучей, строят автоматические системы их отбора. В сортовом Л. а. часто рассматривают несобственное свечение объектов. При поиске некоторых химических элементов (например, редкоземельных) образцы породы обрабатывают специальными соединениями, которые создают с искомыми веществами люминесцирующие комплексы. В биологии живые ткани окрашивают спец. красителями, в результате взаимодействия которых с биологическим веществом также образуются люминесцирующие комплексы. Например, ядра клеток соединительной ткани, окрашенные акридином оранжевым, дают яркую люминесценцию, причём, если клетка раковая, цвет излучения меняется.
Иногда исследуемый объект, не обладающий собственной люминесценцией, подвергают предварительной обработке, заключающейся в добавлении спец. люминофора. При этом люминофор либо растворяется в исследуемой жидкости, либо адсорбируется на поверхности исследуемого объекта. При исследовании движения подземных вод в них растворяют люминофор (например, флуоресцеин) и производят Л. а. воды источников. Аналогично поступают при изучении движения прибрежных песков; в этом случае люминофор адсорбируется на поверхности песчинок.
Л. а. находит применение также в криминалистике (для определения подлинности документов, обнаружения следов токсических веществ и т.п.), реставрационных работах, . Л. а. находит применение в гигиене (определение качества некоторых продуктов, питьевой воды) и промышленно-санитарной химии (определение содержания вредных веществ в воздухе) и т.п. Способность некоторых веществ ( ) люминесцировать под действием элементарных частиц высоких энергий обеспечило широкое применение методов Л. а. в ядерной физике (см. , ).
Л. а., в котором применяется микроскоп, называется люминесцентной микроскопией (см. ).
Лит.:Люминесцентный анализ. Сборник статей под редакцией М. А. Константиновой-Шлезингер, М., 1961.
Э. А. Свириденков.
Люминесценция
Люминесце'нция(от латинского lumen - свет и -escent - суффикс, означающий слабое действие), излучение, представляющее собой избыток над тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения отделяет Л. от теплового равновесного излучения и показывает, что понятие Л. применимо только к совокупности атомов (молекул), находящихся в состоянии, близком к равновесному, так как при сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или Л. не имеет смысла. Тепловое излучение в видимой области спектра заметно только при температуре тела в несколько сотен или тысяч градусов, в то время как люминесцировать оно может при любой температуре. Л. поэтому часто называется холодным свечением. Вторая часть определения (признак длительности) была введена С. И. , чтобы отделить Л. от различных видов , , параметрического преобразования света (см. ), и . От различных видов рассеяния Л. отличается тем, что при Л. между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы, длительность которых больше периода световой волны. В результате этого при Л. теряется корреляция между фазами колебаний поглощённого и излученного света.
Первоначально понятие Л. относилось только к излучению видимого света, в настоящее время оно применяется и к излучению в ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.
Природные явления Л. - северное сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева - были известны с очень давних времён, однако систематически изучать Л. стали с конца 19 века (Э. и А. Беккерели, Ф. , У. и другие). Интерес к исследованию свечения различных веществ привёл В. К. к открытию рентгеновских лучей, а в 1896 А. , занимавшийся изучением люминофоров, открыл явление радиоактивности. В установлении основных законов Л., а также в развитии её применений исключительное значение имели работы советской школы физиков, созданной С. И. Вавиловым.
Л. можно классифицировать по типу возбуждения, механизму преобразования энергии, временным характеристикам свечения. По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом); радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией), частными случаями которой являются рентгенолюминесценция (возбуждение рентгеновскими лучами), (возбуждение электронным пучком), ионолюминесценция (возбуждение ускоренными ионами), альфа-люминесценция (возбуждение альфа-частицами) и так далее; электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем); триболюминесценцию (возбуждение механическими деформациями); хемилюминесценцию (возбуждение в результате химических реакций); кандолюминесценцию (возбуждение при рекомбинации радикалов на поверхности).
По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро затухающую Л.) и фосфоресценцию (длительную Л.). Деление это условное, так как нельзя указать строго определённой временной границы: она зависит от временного разрешения регистрирующих приборов.
По механизму элементарных процессов различают резонансную, спонтанную, вынужденную и рекомбинационную Л. Элементарный акт Л. состоит из поглощения энергии с переходом атома (молекулы) из основного состояния 1 ( рис. 1 ) в возбуждённое состояние 3, безызлучательного перехода на уровень 2 и излучательного перехода в основное состояние 1. В частном случае излучение Л. может происходить при переходе атома (молекулы) с уровня 3 на уровень 1. В этом случае Л. называют резонансной. Резонансная Л. наблюдается чаще всего в атомных парах (Hg, Cd, Na и других), в некоторых простых молекулах, примесных кристаллах.
В большинстве случаев вероятность перехода атома (молекулы) с уровня 3 на уровень 2 больше вероятности прямого перехода на основной уровень 1. Уровень 2 чаще всего лежит ниже уровня поглощения 3, поэтому часть энергии теряется на тепло (возбуждаются колебания атомов) и квант света Л. имеет меньшую энергию (и большую длину волны), чем кванты возбуждающего света ( ). Однако возможно наблюдение антистоксовой Л. В этом случае за счёт поглощения колебательной энергии молекула переходит на более высокий относительно уровня 3 излучающий уровень 2; энергия испущенного кванта при антистоксовой Л. больше энергии возбуждающего кванта, её интенсивность мала.
Уровень излучения 2 может принадлежать как тому же атому (молекуле), который поглотил энергию возбуждения (в таком случае атом называется центром свечения, а переход внутрицентровым), так и другим атомам. В простейшем случае, когда энергия возбуждения остаётся в том же атоме, Л. называется спонтанной. Этот вид Л. характерен для атомов и молекул в парах и растворах и для примесных атомов в кристаллах. В некоторых случаях атом (молекула), прежде чем перейти на уровень излучения 2 ( рис. 2 ), оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4 (см. ) и для перехода на уровень излучения ему необходимо сообщить дополнительную энергию, например энергию теплового движения или инфракрасного света. Л., возникающая при таких процессах, называется метастабильной (стимулированной).
Процесс Л. в различных веществах отличается в основном механизмом перехода частицы с уровня поглощения 3 на уровень излучения 2. Передача энергии другим атомам (молекулам) осуществляется электронами при электронно-ионных ударах и при процессах ионизации и рекомбинации или обменным путём при непосредственном столкновении возбуждённого атома с невозбуждённым. Из-за малой концентрации атомов в газах процессы резонансной и обменной передачи энергии играют малую роль. Они становятся существенными в конденсированных средах. В них энергия возбуждения может передаваться также с помощью колебаний ядер. И, наконец, в кристаллах определяющей становится передача энергии с помощью электронов проводимости, дырок и электронно-дырочных пар ( ). Если заключительным актом передачи энергии является рекомбинация (восстановление частиц, например электронов и ионов или электронов и дырок), то сопровождающая этот процесс Л. называется рекомбинационной.
Способность к Л. обнаруживают различные вещества (см. ). Чтобы вещество было способно люминесцировать, его спектры должны носить дискретный характер, то есть его уровни должны быть разделены зонами запрещенных энергий. Поэтому металлы в твёрдой и жидкой фазе, обладающие непрерывным энергетическим спектром, не дают Л.: энергия возбуждения в металлах непрерывным образом переходит в тепло.
Вторым необходимым условием Л. является превышение вероятности излучательных переходов над вероятностью безызлучательных. Повышение вероятности безызлучательных переходов влечёт за собой тушение Л. Вероятность безызлучательных переходов зависит от многих факторов, например возрастает при повышении температуры (температурное тушение), концентрации люминесцирующих молекул (концентрационное тушение) или примесей (примесное тушение). Такое тушение Л. связано с передачей энергии возбуждения молекулам тушителя или её потерей при взаимодействии люминесцирующих молекул между собой и с тепловыми колебаниями среды. Следовательно, способность к Л. зависит как от природы люминесцирующего вещества и его фазового состояния, так и от внешних условий. При низком давлении люминесцируют пары металлов и благородные газы (это явление применяется в газоразрядных источниках света, люминесцентных лампах и газовых лазерах). Л. жидких сред в основном характерна для растворов органических веществ.
Яркость Л. кристаллов зависит от наличия в них примесей (так называемых активаторов), энергетические уровни которых могут служить уровнями поглощения, промежуточными или излучательными уровнями. Роль этих уровней могут выполнять также энергетические зоны (валентная и проводимости). Кристаллы, обладающие Л., называются .
В кристаллофосфорах возбуждение светом, электрическим током или пучком частиц создаёт свободные электроны, дырки и эксптоны ( рис. 3 ). Электроны могут мигрировать по решётке, оседая на ловушках 4. Л., происходящая при рекомбинации свободных электронов с дырками, называется межзонной (а). Если рекомбинирует электрон с дыркой, захваченной центром свечения (атомом примеси или дефектом решётки), происходит Л. центра (б). Рекомбинация экситонов даёт экситонную Л. (в). Спектр Л. кристаллофосфоров состоит из межзонной, экситонной и примесной полос.
Основные физические характеристики Л.: способ возбуждения (для фотолюминесценции - спектр возбуждения); спектр излучения (изучение спектров излучения Л. составляет часть спектроскопии); состояние поляризации излучения; выход излучения, то есть отношение поглощённой энергии к излученной (для фотолюминесценции вводится понятие квантового выхода Л. - отношения числа излученных квантов к числу поглощённых). Поляризация Л. связана с ориентацией и мультипольностью излучающих и поглощающих атомных систем.
Кинетика Л., то есть зависимость свечения от времени, интенсивности излучения I, от интенсивности возбуждения, а также зависимость Л. от различных факторов (например, температуры) служит важной характеристикой Л. Кинетика Л. в сильной степени зависит от элементарного процесса. Кинетика затухания резонансной Л. при малой плотности возбуждения и малой концентрации возбуждённых атомов носит экспоненциальный характер: I= l 0 е -t/ t, где t характеризует время жизни на уровне возбуждения и равно обратной величине вероятности спонтанного перехода в единицу времени (см. , ), t- длительность свечения. При большой плотности возбуждения наблюдается отклонение от экспоненциального закона затухания, вызванное процессами вынужденного излучения. Квантовый выход резонансной Л. обычно близок к 1. Кинетика затухания спонтанной Л. также обычно носит экспоненциальный характер. Кинетика рекомбинационной Л. сложна и определяется вероятностями рекомбинации, захвата и освобождения электронов ловушками, зависящими от температуры. Наиболее часто встречается гиперболический закон затухания: I= I 0/ (1 + pt) a( р- постоянная величина, a обычно принимает значение от 1 до 2). Время затухания Л. изменяется в широких пределах - от 10 -8 секдо нескольких часов. Если происходят процессы тушения, то сокращаются выход Л. и время её затухания. Исследование кинетики тушения Л. даёт важные сведения о процессах взаимодействия молекул и .
Изучение спектра, кинетики и поляризации излучения Л. позволяет исследовать спектр энергетического состояния вещества, пространственную структуру молекул, процессы миграции энергии. Для исследования Л. применяются приборы, регистрирующие свечение и его распределение по спектру, - спектрофотометры. Для измерения времён затухания применяются тауметры и флуорометры. Люминесцентные методы являются одними из наиболее важных в физике твёрдого тела. Л. некоторых веществ лежит в основе действия лазеров. Л. ряда биологических объектов позволила получить информацию о процессах, происходящих в клетках на молекулярном уровне (см. ). Для исследования кристаллофосфоров весьма плодотворно параллельное изучение их Л. и проводимости. Широкое исследование Л. обусловлено также важностью её практических применений. Яркость Л. и её высокий энергетический выход позволили создать люминесцентные источники света с высоким кпд, основанные на электролюминесценции и фотолюминесценции (см.