Страница:
14.2. Фотохимические явления.
Виды воздействия светового излучения на вещество весьма разнообразны. В частности, под действием света могут происходить реакции химических превращений веществ (фотохимическая реакция). Одни из этих реакций приводя к образованию сложных молекул из простых (например, образование хлористого водорода при освещении смеси водорода и хлора), другие - к разложению молекул на составные части (например, фотохимеческое разложение бромистого серебра с выделением металлического серебра и брома), в результате третьих молекула не изменяет своего состава, изменяется лишь ее пространственная конфигурация, приводящая к изменению ее свойств (возникают тереоизомеры).
Фотохимические процессы вызываются только поглащаемым светом, действующим на движение валентных электронов в атомах и молекулах. В основе таких процессов лежит явление фотоэффекта.
Многие фотохимические превращения идут в два этапа. Первичный процесс характеризуется изменением молекулы под действием поглощенного ею кванта света - это собственно фотохимическая реакция. Во всех вторичных процессах мы имеем дело с сугубо химическими реакциями продуктов первичных реакций. Так при образовании хлористого водорода первичным является лишь расщепление молекулы хлора, поглотившей квант света, на атомарный хлор, который далее через день вторичных химических реакций приводит к образованию конечного продукта. Для первичных процессов справедлив закон эквивалентности. Каждому поглощенному кванту света соответствует превращение одной поглотившей свет молекулы. В общем случае количество химически прореагировавшего вещества пропорционально поглощенному световому потоку и времени его воздействия. Величина коэффициента пропорциональности определяется природой вторичных процессов.
Фотохимическую реакцию может вызвать лишь излучение, энергия кванта которого больше энергии активации молекулы. Этим обьясняется повышение фотохимеческой активности ультрафиолетового излучения.
Следует отметить, что фотохимеческими процессами обьясняются многие природные явления, такие как синтез углеводов листьв в листьях растений или чувствительность глаза к световому излучению.
Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра (и других его коллоидных солей) использована для получения фотографических изображений. Изображение представляет собой локальные почернения фотоматериала из-за выделившихся под действием отраженного от обьекта света частичек серебра.
14.2.1. К фотохимическим явлениям относится и так называемый фотохромный эффект, который состоит в следующем.
Некоторые химические вещества обычно со сложным строением молекулы, изменяют свою окраску под действием видимого или ультрафиолетового излучения. В отличии от обычного выцветания красок этот эффект обратим. Первоначальная окраска или отсутствие таковой восстанавливается через некоторое время в темноте, под действием излучения другой частоты или при нагревании. Но наведенную окраску можно и сохранить сколь угодно долго, если охладить фотохромное вещество или обработать его некоторыми газами, фотохромизм восстанавливается при соответсвующей вторичной обработке.
Скорость окрашивания и интенсивность окраски зависят не только от структуры молекул самого фотохромного соединения, но и от среды в которую оно может быть введено (стекло, керамика, жидкость, пластмасса, ткань и др.).
Многие фотохромные вещества при облучении интенсивным светом могут темнеть, причем их "быстродействие" достигает несколько микросекунд. Это позволяет использовать фотохромные тела как светохатворы для защиты глаз или светочувствительных приборов от неожиданной вспышки мощного излучения. Есть возможность использовать их как регуляторы светопропускания в зависимости от интенсивности света.
Фирма "Корнинг Гласс" выпустила светозащитные очки с фотохромными стеклами, изменяющими степень светопропускания в зависимости от интенсивности потока ультрафиолетовых лучей.
А.с.267 967: Устройство для представления информации в трехмерной форме, отличающееся тем, что с целью улучшения стереоскопического восприятия трехмерных изображений и упрощения устройства оно содержит три параллельных ряда плоских панелей, на противоположных концах которых нанесены изготовленные из фотохромного материала активные зоны одна из которых служит для просмотра изображения, а другая - для обработки информации, причем все панели установлены на разной высоте на трех осях вращения, сдвинутых относительно друг друга на 120 градусов.
2. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что над каждой из фотохромных информационных панелей в зоне, противоположной зоне просмотра, установлена матричная излучающая панель.
3. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что к каждой из панелей подведена линейка волоконных световодов связанных с источником импульсов излучения активизирующего фотохромный материал.
Патент США 3 558 802: Устойчивое фотохромное воспроизводящее устройство, предназначенном для работы с плекой покрытой фотохромным материалом, содежащим сахарин, имеется центральная камера, в которой находится электроннолучевая трубка. На нормальной прозрачной пленке образубтся непрозрачные участки обратимого изображения соответствующего изображению на экране электронно-лучевой трубки. При обработки пленки двуокисью серы, находящейся в газообразном состоянии, проэкспонированные участки фотохромного материала остаются непрозрачными. После этого газ откачивается и камеру подается тепловое излучение, обращающее те обработанные газообразной двуокисью серы участки, которые были прозрачными во время экспонирования. Участки пленки, временно сделавшиеся не прозрачными под воздействием изображения, проявляющегося на экране электронно-лучевой трубки, постоянно фиксируются. В состав конструкции устройства входит камера для ввода пленки и камера для вывода пленки , связанные с вакуумной откачивающей системой. Выходящая из центральной камеры двуокись серы в газообразном состоянии засасывается вакуумной откачной системой и не попадает в атмосферу.
14.2.2. В основе фотохимических процессов лежит взаимодействие излучения с электронами вещества. Это преполагает наличие возможности управлять ходом фотохимической реакции воздействие электрического поля. Возможно, что природа недавно открытого фотоэлектрического эффекта обьясняется стимуляцией фотохромного эффекта электрическим полем. Эффект состоит в следующем: На тонкую прозрачную пластину керамики с включением железа, свинца лантана, цикония и титана, помещенную в постоянное электрическое поле, перпендикулярное ее поверхности, проектируют негативное изображение видимых и ультрафиолетовых лучах. При этом в пластине появляется видимое позитивное изображение здесь наблюдается интересная особенность: При изменении направления поля на обратное, изображение из позитивного становится негативным. Изображение устойчиво и стирается лишь при равномерном облучении ультрафиолетовыми лучами с одновременной переполюсовкой поля.
Американские специалисты открывшие этот эффект предполагают его использовать в утройствах для хранения визуальной информации.
Л И Т Е Р А Т У Р А
к 14.1.1. С.Ю.Лукьянов, Фотоэлементы, М-Л, 1968.
2. С.Таланский, Революция в оптике, М.,"Мир",1971.
3. А.В.Соколов, Оптические свойства металлов, М.,1961.
4. А.Н.Арсеньева-гейль,Внешний фотоэффект с полупровод
ников и диэлектриков, М.,1957.
5. Р.Бьюб,Фотопроводимость твердых тел,М.,1962.
6. С.М.Рывкин, Фотоэлктрические явления в полупровод
никах, М.,1963.
7. А.М.Васильев и др., Полупроводниковые преобразова
тели, М.,"Соврадио",1971. к 14.2.1. Г.С.Ландсберг,"Оптика", М.,"Наука",1976.
2. Б.Баршевский,Квантовооптические явления, М.,
"Высшая школа",1968.
3. Фотоферроэлектрический эффект,"Техника молодежи"-5,
1977.
15. ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ.
Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым излучением тела, и имеющее длительность, прерывающую период световых колебаний. Люминесценция возникает при возбуждении вещества за счет притока энергии, и в отличии от других видов "холодного" свечения (например, излучение Вавилова-Черникова), продолжается в течении некоторого времени после прекращения возбуждения (1,2).
О продолжительности после свечения выделют флуоресценцию (менее 10 сек.) и фосборесценцию; последнее продолжается в заметный промежуток времени после снятия возбуждения (от 10 сек. до нескольких часов).
Способность люминесцировать обладает большая группа, газообразных, жидких и твердых веществ, как органических так и неорганических (люминофоров). Характер процесса люминесценции существенным образом зависит от агрегатного состояния вещества и типа возбуждения.
Люминофоры являются своеобразными преобразователями энергии из одного вида в другой; на входе это может быть энергия электромагнитного излучения, энергия ускореннго отока частиц, энергия химических реакций или механическая энергия, - любой вид энергии, кроме тепловой, - на выходе - световое излучение. Отдельные атомы и молекулы люминофора, поглощая один из этих видов энергии, возбуждаются, т.е. перходя на более высокие энергетические уровни по сравнению с павновесным состоянием, и затем самопроизвольно совершают обратный переход излучая избыток энергии ввиде света. Способ возбуждения лежит в основе классификации различных видов Люминесценции.
15.1. Люминесценции, возбуждаемая электромагнитным излучением.
15.1.1. Фотолюминесценция - свечение возникающее при поглощении люминофором ИК, видимого или УФ-излучения. Спектр поглощения и излучения люминофоров связаны правилом Стокса-Люмиаля, согласно которому максимум спектра излучения смещен по отношению к максимуму спектра поглощения в сторону длинных волн (например, при облучении ультрафиолетом люминофор излучает видимый свет).
А.с. 331 271: Способ контроля геометричности сварных изделий с помощью люминофора, при котором изделие направляют ультрафиолетовые лучи и судят о герметичности по свечению люминофора, отличающийся тем, что с целью повышения производительности путем осуществлениЯ контроля непосредственно в процессе сварки, люминоформную суспензию наносят на внутреннюю поверхность свариваемых деталей перед сваркой, а в качестве источника УФ-лучей используют сварочную дугу.
А.с. : Способ количественного определения горечи (кукурбитационов) в огурцах, включиющий взятие образцов экстрогирование спиртом и определение кукурбитационов, отличающееся тем, что с целью ускорения процесса, экстракт облучают ультрафиоетовым светом измеряют интенсивность вторичного свечения и количество кукурбитационов, определяют по показаниям прибора и калибровочному графику.
Наиболее широко фотоЛюминесценция применяется в лампах дневного света. В них свечение люминофора происходит под действием ультрафиолета, которым богато излучение газоразрядной части лампы ( в связи с наличием паров ртути).
15.1.2. Однако есть исключение из правила Стокса-Люмеля это так называемые, антистоксовские люминофоры, которые при возбуждении в ИК-области спектра излучают в видимой области.
Применение этих люминофоров связано с преобразованием ИКизлучения в видимое например, для визуализации излучения ИК-лазеров, для создания лазеров видимого диапазона с ИК-накачкой, а светодиодов.
15.1.3. РентгеноЛюминесценция. Специфика возбуждения рентгеновскими лучами, по сравнению с фотовзбуждением, состоит в том, что на люминофор воздействуют фотоны со значительно большей энергией. При этом свечение люминофора вызывается не непосредственым действием самих рентгеновских лучей, в воздействием электронов, выраваемых из основы люминофора рентгеновскими лучами. Вследствие этого ретгеноЛюминесценция имеет многие общие черты с катодоЛюминесценцией (3).
Основное применение - в экранах для рентгеноскопии и рентгенографии.
15.2. Люминесценция, возбуждаемая корпусным излучением.
15.2.1. КатодоЛюминесценция - возбуждается воздействием на люминофор потока электронов. Основное применение - визуализация электронного изображения на экранах телескопов телевизоров, осцилографов и других подобных приборов, а также электроннооптических преобразователей (3).
15.2.2. ИоноЛюминесценция - свечение возникающее при бомбардировке люминофора пучком ионов.
При ионоЛюминесценции, также как при катодоЛюминесценци, энергия возбуждения поглощается в тонком приповерхностном слое люминофора, поэтому здесь оказывает состояние поверхности, в частности, хемосороция различных газов (см."Сороция")(3,4).
15.2.3. РадиоЛюминесценция. Для создания самосветящихся красок постоянного действия, не нуждающихся в поточниках внешнего возбуждения, в люминофор вводят радиоактивные изотопы продукты распада которых (например, альфа и бетта частиц) возбуждают в нем свечение. Время в течении которого люминофор излучает свет, определяется периодом полураспада изотопа (десятки лет). РадиоЛюминесценция все более широко применяется в дозиметрии радиоактивных излучений (3).
15.3. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем (5).
15.3.1. ЭлектроЛюминесценция (эффект Дестрио). Многие кристаллические порошкообразные люминофоры, помещенные в конденсатор, питаемый переменным напряжением 100-220 В. с частотой 400-3000 Гц. начинают интенсивно Люминесцировать. Спектральный состав и интенсивность излучения существенно зависят от частоты возбуждения. Некоторые люминофоры излучают и при возбуждении постоянным электрическим полем (5).
А.с. 320710: Система для измерения распределения давления на поверхности модели летательного аппарата, содержащая чувствительный э.лемент, оптическое сканирующее устройство и фотоэлектрический регистратор, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности непрерывного измерения профиля давления на исследуемой поверхности вдоль заданной линии, в ней чувствительный элемент выполнен ввиде электролюминесцентного конденсатора, одна обкладка которого образована поверхностью металлической модели, а другая - прозрачным электропроводящим слоем, между которыми нанесен электролюминесциновый слой и слой диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого зависит от давления, например, слой эпоксидной смолы.
Основная область применения электролюминесценсии - индикаторные устройства, подсветка шкал, преобразователи изображения. Применение электролюминофоров считают перспективным для создания телевизионных экранов.
15.3.2. Инжекционная электролюминесценция (эффект Лосева). Свечение возникает под действием зарядов, инжектируемых в полупроводниковые кристаллы. При пропускании тока через полупроводниковый диод в области перехода инжектируются избыточные носители тока (электроны и дырки), рекомендация которых сопровождается оптическим излучением (3).
Широкое применение основанных на этом эффекте светодиодов обусловленно следующими их особенностями: высокая надежность (срок службы 10 в шестой степени часов), малое энергопотребление (1,5-30 В, 10 мА), малая инерционность (10 в минус девятой степени сек.), высокая яркость свечения в зеленой, красной и инфракрасной областях спектра.
А.с. 245 892: Устройство для регистрации электрических сигналов на фотопленку, содержащее источник электрических сигналов, измерительный механизм и механизм протягивания пленки, отличающийся тем, что с целью повышения надежности и упрощения конструкции, в нем измерительный механизм выполнен ввиде полупроводникового электролюминесцентного преобразователя, состоящего из кристалла полупроводника с широкой запрещенной зоной, содержащего p-n-переход и контакты с выводами, служащими для пропускания тока электролюминесценции и тока управления площадью свечения.
15.4. Люминесценция возбуждаемая за счет энергии химических реакций, называется хемилюсценцией (4). Этим видом люминесценции обьясняется свечение гнилушек, светлячков, многих глубоководных рыб.
Хемилюсценция использована фирмой "Ремингтон Армс" для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химически активные вещества.
15.4.1. Частным случаем хемилюсценции является радиокалолюминесценция - излучение вещества-катализатора при адсорбции и рекомендации на его поверхность свободных атомов или радикалов в молекулы (см."Сорбция")
США патент 3 659 100: Способ анализа загрязнения атмосферы окисями азота и серы основанный люминесценции между люминофором и перикисью водорода. В качестве люминофора используется 5-амино-2,3 дигидро-4-фтолозин-диол.
15.4.2. Если источником радикала служит пламя, то свечение называют кандолюминесценцией. Для возникновения кандолюминесценции необходим контакт пламени с люминофором, при этом он не должен сильно нагреваться.
15.5. Источником возбуждения люминесценции может служить и механическая энергия. Такой процесс называют механо или триболюминесценцией. Чаще всего возникает при трении или ударе двух тел, сопровождающихся их разрушением (так сахар при раскалывании иногда светится)
А.с. 275 497: Способ излучения структурных превращений полимерных материалов по интенсивности и характеру люминесценции, отличающийся тем,что с целью упрощения и повышения точности, оценивают интенсивность и характер механолюминесценции, возбуждаемой при механической деформации и разрушении полимерных материалов.
15.6. Радиотермолюминесценция (РТЛ). Оказалось, что если сильно охлажденный образец вещества преварительно облученный гамма-лучами, альфа-частицами или электронами, постепенно нагревать, то он начинает интенсивно светиться.Практически все вещества могут таким образом "накапливать" в себе свет и долго сохранять его. И лишь при нагреве свет как бы "оттаивает", начинается рекомбинация "замороженных" электронов, сопровождаемая световым излучением. Цвет свечения постепенно меняется, изменяется также и его интенсивность. При этом пики интенсивности соответствуют температурам структурных переходов, что особенно заметно у различных полимеров. Даже незначительные изменения структуры вещества: повышение степени кристалличности, изменение взаимного расположения макромолекул, существенно влияют на характер свечения. РТЛ весьма чувствительна к механическим напряжениям в полимере. (см.18.7).
Все это позволило создать на основе РТЛ простые и точные методики анализа структуры, излучения степени однородности смесей, исследования деформационных свойств и других характеристик полимеров, причем для анализа достаточно образца весов в сотые доли милиграмма.
15.7. Интересной особенностью люминесценции, возбуждаемой каким-либо источником энергии, является усиление свечения при воздействии другого источника энергии. Происходит так называемая стимуляция люминесценции. Стимулирующие воздействия могут оказывать изменения температуры, видимое, ИК и УФ-излучение, электрическое поле, присутствие некоторых газов и т.д. Стимуляция люминесценции электрическим полем называется эффектом Гуддена-Поля. (6).
А.с. 286 100: Способ получения изображения, состоящий в том, что люминесценный экран равномерно облучают ультрафиолетовым светом, проектируют на экран изображение в инфракрасном свете, фиксируют свечение экрана на светочувствительном материале, отличающийся тем, что с целью расширения области чувствительности, одновременно с облучением ультрафиолетовым светом прикладывают к экрану электрическое поле, и после проектирования изображения подают переменное напряжение на экран, причем люминофор, из которого изготовлен экран, должен обладать эффектом Гуддена-Поля.
15.8. Факторы, стимулирующие люминесценцию, при определенных условиях могут дать обратный эффект, т.е. уменьшить интенсивность свечения или совсем прекратить его. Это явление называют уменьшением люминесценции. Повышение температуры, изменение влажности, ИК-облучение, электрическое поле, изменение внешнего давления, наличие некоторых газов - все эти факторы могут привести к тушению люминесценции. Так, например, присутствие кислорода, бензохинона или йода уменьшает интенсивность фотолюминесценции, в тоже время как присутствие молекул воды увеличивает ее; наличие электрического поля, перпендикулярного поверхности люминофора, тушит радикалолюминесценцию, изменение же направления поля на обратное усиливает свечение (3),(4).
А.с. 510 186: Способ выделения жизнесопособных семян растений, включающий отбор семян по люминесценции, отличающийся тем, что с целью сохранения целостности семян, их обрабатывают ослабляющими люминесценцию веществами, выбранными из группы, включающей и с последующим отбором семян, имеющих пониженную интенсивность свечения.
Великобритания, акц. заявка 1 327 839: Прибор для непрерывного определения концентрации кислорода или кислородосодержащих соединений в потоке газа. Определение осоновано на способности указанных веществ гасить фотолюминесценцию, например, плена или овалена.
15.9. Поляризация люминесценции. Излучение люминесценции при некоторых условиях может быть поляризованным (обычно это линейная поляризация, очень редко - циркулярная). (см."Поляризация", "Анизотропия и свет").
Для поляризации люминесценции необходимо, чтобы люминофор обладал либо собственной, либо наведенной анизотропией. Поляризованные люминофоры получаются при механических растяжениях полимерных пленок, "Пропитанных" анизотропными люминосцензирующими молекулами. Искуственную ориентацию таких молекул можно вызвать также с помощью сильных электричеких и магнитных полей или же в потоке жидкости (аналогично эффекту Маховелла). В случае фотолюминесценции ее поляризация обнаруживается при возбуждении поляризованным светом.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Люминесценция, в книге "Физический энцеклопидический сло
варь" т.3,М.,1963.
2. С.И.Вавилов, О "горячем" и "холодном" свете,
М., "Знание",1959.
3. В.А.Соколов, А.Н.Горбань, Люминесценция и адсорбция, М.,
"Наука",1963.
4. Неорганические люминофоры, Л.,"Химия", 1975.
5. И.К.Верищагин, Электролюминесценция кристалов, М., "Наука",
1974.
6. П.Ребань, Люминесценциям издание Тартусского университета,
1968.
7. А.с. 179072, 180859, 181823, 186366, 187080, 227805,
232500, 232548, 234710, 256332, 257052, 274486, 276495,
280979, 288482, 340966, 512452, 525910, 526072.
США патенты 3261979, 3561271, 3562525, 3566114.
16. АНИЗОТРОПИЯ И СВЕТ.
Превращение естественного света в поляризованный и изменение типа поляризации (см."Поляризация") при различных оптических явлениях почти всегда связаны с оптической анизотропией вещества, т.е. с различием оптических свойств по различным направлениям. Оптическая анизотропия является следствием анизотропии структуры и вещества. Создавать или менять анизотропию структуры и вещества можно воздействием самых различных факторов (деформация, электрическое поле и т.д.). Этим и обьясняется разнообразие эффектов, так или иначе влияющих на поляризацию светового излучения.
В ряде таких эффектов поляризация света происходит без дополнительного воздействия на вещество. Так, например, естественный свет, отраженный под углом Брюстера, полностью линейно поляризованный (см."Отражение и преломление"), а правоциркулярно-поляризованный свет при перпендикулярном отражении от стеклянной пластинки превращается в левоциркулярно-поляризованный.
16.1. На границе анизотропных прозрачных тел (в первую очередь кристаллов) свет испытывает двойное лучепреломление т. е. расцепляется на два взаимно-перпендикулярно поляризованных луча, имеющие различные скорости распространения в среде обыкновенный и необыкновенный. Первый из них поляризован перпендикулярно оптической оси кристалла и распространяется в нем как в изотропной среде. Второй луч поляризован в главной плоскости кристалла и испытывает на себе все "превратности анизотропии". Так его коэффицент преломления изменяется с направлением, он преломляется даже при нормальном падении на кристалл.
Так происходит двулучепреломление в одноосных кристаллах. В случае двуосных кристаллов картина расщепления несколько сложнее (1-3,6,7,).
Эффект двойного преломления положен Николем в основу изобретенной им поляризационной призмы. Он использовал различие показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, создав для одного из них условия полного внутреннего отражения, после которого этот луч, изменив свое направление, поглощается зачерненной боковой гранью призмы. Другой луч полного внутреннего отражения не испытывает и проходит сквозь призму, а так как это полностью поляризованный луч, то на выходе призмы получается полностью линейно-поляризованный свет.
16.2. Механо-оптические явления.
Здесь рассматривается ряд эффектов, приводящих к возникновению оптической анизотропии под действием механических сил.
16.2.1. Фотоупругость - так называется возникновение в изотропных прозрачных твердых телах оптической анизотропии и связанного с ней двойного лучепреломления под действием механических нагрузок, создающих в твердых телах деформации.
При пропускании луча света через такое , пре, тело возникает два луча и различной поляризации,интерференция между которыми приводит к образованию интерференционной картины, вид кот позволяет судить о величинах и распределении напряжений в теле или же об изменениях структуры вещества. Поскольку оптичеспия обусловлена именно нарушениями первоначальной изотропной структуры вещества, то эффект фотоупругости позволяет визуализировать как упругие деформации, так и остаточные, а это значит , что о деформациях и нагрузках можно судить и после снятия этих нагрузок.
Виды воздействия светового излучения на вещество весьма разнообразны. В частности, под действием света могут происходить реакции химических превращений веществ (фотохимическая реакция). Одни из этих реакций приводя к образованию сложных молекул из простых (например, образование хлористого водорода при освещении смеси водорода и хлора), другие - к разложению молекул на составные части (например, фотохимеческое разложение бромистого серебра с выделением металлического серебра и брома), в результате третьих молекула не изменяет своего состава, изменяется лишь ее пространственная конфигурация, приводящая к изменению ее свойств (возникают тереоизомеры).
Фотохимические процессы вызываются только поглащаемым светом, действующим на движение валентных электронов в атомах и молекулах. В основе таких процессов лежит явление фотоэффекта.
Многие фотохимические превращения идут в два этапа. Первичный процесс характеризуется изменением молекулы под действием поглощенного ею кванта света - это собственно фотохимическая реакция. Во всех вторичных процессах мы имеем дело с сугубо химическими реакциями продуктов первичных реакций. Так при образовании хлористого водорода первичным является лишь расщепление молекулы хлора, поглотившей квант света, на атомарный хлор, который далее через день вторичных химических реакций приводит к образованию конечного продукта. Для первичных процессов справедлив закон эквивалентности. Каждому поглощенному кванту света соответствует превращение одной поглотившей свет молекулы. В общем случае количество химически прореагировавшего вещества пропорционально поглощенному световому потоку и времени его воздействия. Величина коэффициента пропорциональности определяется природой вторичных процессов.
Фотохимическую реакцию может вызвать лишь излучение, энергия кванта которого больше энергии активации молекулы. Этим обьясняется повышение фотохимеческой активности ультрафиолетового излучения.
Следует отметить, что фотохимеческими процессами обьясняются многие природные явления, такие как синтез углеводов листьв в листьях растений или чувствительность глаза к световому излучению.
Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра (и других его коллоидных солей) использована для получения фотографических изображений. Изображение представляет собой локальные почернения фотоматериала из-за выделившихся под действием отраженного от обьекта света частичек серебра.
14.2.1. К фотохимическим явлениям относится и так называемый фотохромный эффект, который состоит в следующем.
Некоторые химические вещества обычно со сложным строением молекулы, изменяют свою окраску под действием видимого или ультрафиолетового излучения. В отличии от обычного выцветания красок этот эффект обратим. Первоначальная окраска или отсутствие таковой восстанавливается через некоторое время в темноте, под действием излучения другой частоты или при нагревании. Но наведенную окраску можно и сохранить сколь угодно долго, если охладить фотохромное вещество или обработать его некоторыми газами, фотохромизм восстанавливается при соответсвующей вторичной обработке.
Скорость окрашивания и интенсивность окраски зависят не только от структуры молекул самого фотохромного соединения, но и от среды в которую оно может быть введено (стекло, керамика, жидкость, пластмасса, ткань и др.).
Многие фотохромные вещества при облучении интенсивным светом могут темнеть, причем их "быстродействие" достигает несколько микросекунд. Это позволяет использовать фотохромные тела как светохатворы для защиты глаз или светочувствительных приборов от неожиданной вспышки мощного излучения. Есть возможность использовать их как регуляторы светопропускания в зависимости от интенсивности света.
Фирма "Корнинг Гласс" выпустила светозащитные очки с фотохромными стеклами, изменяющими степень светопропускания в зависимости от интенсивности потока ультрафиолетовых лучей.
А.с.267 967: Устройство для представления информации в трехмерной форме, отличающееся тем, что с целью улучшения стереоскопического восприятия трехмерных изображений и упрощения устройства оно содержит три параллельных ряда плоских панелей, на противоположных концах которых нанесены изготовленные из фотохромного материала активные зоны одна из которых служит для просмотра изображения, а другая - для обработки информации, причем все панели установлены на разной высоте на трех осях вращения, сдвинутых относительно друг друга на 120 градусов.
2. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что над каждой из фотохромных информационных панелей в зоне, противоположной зоне просмотра, установлена матричная излучающая панель.
3. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что к каждой из панелей подведена линейка волоконных световодов связанных с источником импульсов излучения активизирующего фотохромный материал.
Патент США 3 558 802: Устойчивое фотохромное воспроизводящее устройство, предназначенном для работы с плекой покрытой фотохромным материалом, содежащим сахарин, имеется центральная камера, в которой находится электроннолучевая трубка. На нормальной прозрачной пленке образубтся непрозрачные участки обратимого изображения соответствующего изображению на экране электронно-лучевой трубки. При обработки пленки двуокисью серы, находящейся в газообразном состоянии, проэкспонированные участки фотохромного материала остаются непрозрачными. После этого газ откачивается и камеру подается тепловое излучение, обращающее те обработанные газообразной двуокисью серы участки, которые были прозрачными во время экспонирования. Участки пленки, временно сделавшиеся не прозрачными под воздействием изображения, проявляющегося на экране электронно-лучевой трубки, постоянно фиксируются. В состав конструкции устройства входит камера для ввода пленки и камера для вывода пленки , связанные с вакуумной откачивающей системой. Выходящая из центральной камеры двуокись серы в газообразном состоянии засасывается вакуумной откачной системой и не попадает в атмосферу.
14.2.2. В основе фотохимических процессов лежит взаимодействие излучения с электронами вещества. Это преполагает наличие возможности управлять ходом фотохимической реакции воздействие электрического поля. Возможно, что природа недавно открытого фотоэлектрического эффекта обьясняется стимуляцией фотохромного эффекта электрическим полем. Эффект состоит в следующем: На тонкую прозрачную пластину керамики с включением железа, свинца лантана, цикония и титана, помещенную в постоянное электрическое поле, перпендикулярное ее поверхности, проектируют негативное изображение видимых и ультрафиолетовых лучах. При этом в пластине появляется видимое позитивное изображение здесь наблюдается интересная особенность: При изменении направления поля на обратное, изображение из позитивного становится негативным. Изображение устойчиво и стирается лишь при равномерном облучении ультрафиолетовыми лучами с одновременной переполюсовкой поля.
Американские специалисты открывшие этот эффект предполагают его использовать в утройствах для хранения визуальной информации.
Л И Т Е Р А Т У Р А
к 14.1.1. С.Ю.Лукьянов, Фотоэлементы, М-Л, 1968.
2. С.Таланский, Революция в оптике, М.,"Мир",1971.
3. А.В.Соколов, Оптические свойства металлов, М.,1961.
4. А.Н.Арсеньева-гейль,Внешний фотоэффект с полупровод
ников и диэлектриков, М.,1957.
5. Р.Бьюб,Фотопроводимость твердых тел,М.,1962.
6. С.М.Рывкин, Фотоэлктрические явления в полупровод
никах, М.,1963.
7. А.М.Васильев и др., Полупроводниковые преобразова
тели, М.,"Соврадио",1971. к 14.2.1. Г.С.Ландсберг,"Оптика", М.,"Наука",1976.
2. Б.Баршевский,Квантовооптические явления, М.,
"Высшая школа",1968.
3. Фотоферроэлектрический эффект,"Техника молодежи"-5,
1977.
15. ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ.
Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым излучением тела, и имеющее длительность, прерывающую период световых колебаний. Люминесценция возникает при возбуждении вещества за счет притока энергии, и в отличии от других видов "холодного" свечения (например, излучение Вавилова-Черникова), продолжается в течении некоторого времени после прекращения возбуждения (1,2).
О продолжительности после свечения выделют флуоресценцию (менее 10 сек.) и фосборесценцию; последнее продолжается в заметный промежуток времени после снятия возбуждения (от 10 сек. до нескольких часов).
Способность люминесцировать обладает большая группа, газообразных, жидких и твердых веществ, как органических так и неорганических (люминофоров). Характер процесса люминесценции существенным образом зависит от агрегатного состояния вещества и типа возбуждения.
Люминофоры являются своеобразными преобразователями энергии из одного вида в другой; на входе это может быть энергия электромагнитного излучения, энергия ускореннго отока частиц, энергия химических реакций или механическая энергия, - любой вид энергии, кроме тепловой, - на выходе - световое излучение. Отдельные атомы и молекулы люминофора, поглощая один из этих видов энергии, возбуждаются, т.е. перходя на более высокие энергетические уровни по сравнению с павновесным состоянием, и затем самопроизвольно совершают обратный переход излучая избыток энергии ввиде света. Способ возбуждения лежит в основе классификации различных видов Люминесценции.
15.1. Люминесценции, возбуждаемая электромагнитным излучением.
15.1.1. Фотолюминесценция - свечение возникающее при поглощении люминофором ИК, видимого или УФ-излучения. Спектр поглощения и излучения люминофоров связаны правилом Стокса-Люмиаля, согласно которому максимум спектра излучения смещен по отношению к максимуму спектра поглощения в сторону длинных волн (например, при облучении ультрафиолетом люминофор излучает видимый свет).
А.с. 331 271: Способ контроля геометричности сварных изделий с помощью люминофора, при котором изделие направляют ультрафиолетовые лучи и судят о герметичности по свечению люминофора, отличающийся тем, что с целью повышения производительности путем осуществлениЯ контроля непосредственно в процессе сварки, люминоформную суспензию наносят на внутреннюю поверхность свариваемых деталей перед сваркой, а в качестве источника УФ-лучей используют сварочную дугу.
А.с. : Способ количественного определения горечи (кукурбитационов) в огурцах, включиющий взятие образцов экстрогирование спиртом и определение кукурбитационов, отличающееся тем, что с целью ускорения процесса, экстракт облучают ультрафиоетовым светом измеряют интенсивность вторичного свечения и количество кукурбитационов, определяют по показаниям прибора и калибровочному графику.
Наиболее широко фотоЛюминесценция применяется в лампах дневного света. В них свечение люминофора происходит под действием ультрафиолета, которым богато излучение газоразрядной части лампы ( в связи с наличием паров ртути).
15.1.2. Однако есть исключение из правила Стокса-Люмеля это так называемые, антистоксовские люминофоры, которые при возбуждении в ИК-области спектра излучают в видимой области.
Применение этих люминофоров связано с преобразованием ИКизлучения в видимое например, для визуализации излучения ИК-лазеров, для создания лазеров видимого диапазона с ИК-накачкой, а светодиодов.
15.1.3. РентгеноЛюминесценция. Специфика возбуждения рентгеновскими лучами, по сравнению с фотовзбуждением, состоит в том, что на люминофор воздействуют фотоны со значительно большей энергией. При этом свечение люминофора вызывается не непосредственым действием самих рентгеновских лучей, в воздействием электронов, выраваемых из основы люминофора рентгеновскими лучами. Вследствие этого ретгеноЛюминесценция имеет многие общие черты с катодоЛюминесценцией (3).
Основное применение - в экранах для рентгеноскопии и рентгенографии.
15.2. Люминесценция, возбуждаемая корпусным излучением.
15.2.1. КатодоЛюминесценция - возбуждается воздействием на люминофор потока электронов. Основное применение - визуализация электронного изображения на экранах телескопов телевизоров, осцилографов и других подобных приборов, а также электроннооптических преобразователей (3).
15.2.2. ИоноЛюминесценция - свечение возникающее при бомбардировке люминофора пучком ионов.
При ионоЛюминесценции, также как при катодоЛюминесценци, энергия возбуждения поглощается в тонком приповерхностном слое люминофора, поэтому здесь оказывает состояние поверхности, в частности, хемосороция различных газов (см."Сороция")(3,4).
15.2.3. РадиоЛюминесценция. Для создания самосветящихся красок постоянного действия, не нуждающихся в поточниках внешнего возбуждения, в люминофор вводят радиоактивные изотопы продукты распада которых (например, альфа и бетта частиц) возбуждают в нем свечение. Время в течении которого люминофор излучает свет, определяется периодом полураспада изотопа (десятки лет). РадиоЛюминесценция все более широко применяется в дозиметрии радиоактивных излучений (3).
15.3. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем (5).
15.3.1. ЭлектроЛюминесценция (эффект Дестрио). Многие кристаллические порошкообразные люминофоры, помещенные в конденсатор, питаемый переменным напряжением 100-220 В. с частотой 400-3000 Гц. начинают интенсивно Люминесцировать. Спектральный состав и интенсивность излучения существенно зависят от частоты возбуждения. Некоторые люминофоры излучают и при возбуждении постоянным электрическим полем (5).
А.с. 320710: Система для измерения распределения давления на поверхности модели летательного аппарата, содержащая чувствительный э.лемент, оптическое сканирующее устройство и фотоэлектрический регистратор, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности непрерывного измерения профиля давления на исследуемой поверхности вдоль заданной линии, в ней чувствительный элемент выполнен ввиде электролюминесцентного конденсатора, одна обкладка которого образована поверхностью металлической модели, а другая - прозрачным электропроводящим слоем, между которыми нанесен электролюминесциновый слой и слой диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого зависит от давления, например, слой эпоксидной смолы.
Основная область применения электролюминесценсии - индикаторные устройства, подсветка шкал, преобразователи изображения. Применение электролюминофоров считают перспективным для создания телевизионных экранов.
15.3.2. Инжекционная электролюминесценция (эффект Лосева). Свечение возникает под действием зарядов, инжектируемых в полупроводниковые кристаллы. При пропускании тока через полупроводниковый диод в области перехода инжектируются избыточные носители тока (электроны и дырки), рекомендация которых сопровождается оптическим излучением (3).
Широкое применение основанных на этом эффекте светодиодов обусловленно следующими их особенностями: высокая надежность (срок службы 10 в шестой степени часов), малое энергопотребление (1,5-30 В, 10 мА), малая инерционность (10 в минус девятой степени сек.), высокая яркость свечения в зеленой, красной и инфракрасной областях спектра.
А.с. 245 892: Устройство для регистрации электрических сигналов на фотопленку, содержащее источник электрических сигналов, измерительный механизм и механизм протягивания пленки, отличающийся тем, что с целью повышения надежности и упрощения конструкции, в нем измерительный механизм выполнен ввиде полупроводникового электролюминесцентного преобразователя, состоящего из кристалла полупроводника с широкой запрещенной зоной, содержащего p-n-переход и контакты с выводами, служащими для пропускания тока электролюминесценции и тока управления площадью свечения.
15.4. Люминесценция возбуждаемая за счет энергии химических реакций, называется хемилюсценцией (4). Этим видом люминесценции обьясняется свечение гнилушек, светлячков, многих глубоководных рыб.
Хемилюсценция использована фирмой "Ремингтон Армс" для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химически активные вещества.
15.4.1. Частным случаем хемилюсценции является радиокалолюминесценция - излучение вещества-катализатора при адсорбции и рекомендации на его поверхность свободных атомов или радикалов в молекулы (см."Сорбция")
США патент 3 659 100: Способ анализа загрязнения атмосферы окисями азота и серы основанный люминесценции между люминофором и перикисью водорода. В качестве люминофора используется 5-амино-2,3 дигидро-4-фтолозин-диол.
15.4.2. Если источником радикала служит пламя, то свечение называют кандолюминесценцией. Для возникновения кандолюминесценции необходим контакт пламени с люминофором, при этом он не должен сильно нагреваться.
15.5. Источником возбуждения люминесценции может служить и механическая энергия. Такой процесс называют механо или триболюминесценцией. Чаще всего возникает при трении или ударе двух тел, сопровождающихся их разрушением (так сахар при раскалывании иногда светится)
А.с. 275 497: Способ излучения структурных превращений полимерных материалов по интенсивности и характеру люминесценции, отличающийся тем,что с целью упрощения и повышения точности, оценивают интенсивность и характер механолюминесценции, возбуждаемой при механической деформации и разрушении полимерных материалов.
15.6. Радиотермолюминесценция (РТЛ). Оказалось, что если сильно охлажденный образец вещества преварительно облученный гамма-лучами, альфа-частицами или электронами, постепенно нагревать, то он начинает интенсивно светиться.Практически все вещества могут таким образом "накапливать" в себе свет и долго сохранять его. И лишь при нагреве свет как бы "оттаивает", начинается рекомбинация "замороженных" электронов, сопровождаемая световым излучением. Цвет свечения постепенно меняется, изменяется также и его интенсивность. При этом пики интенсивности соответствуют температурам структурных переходов, что особенно заметно у различных полимеров. Даже незначительные изменения структуры вещества: повышение степени кристалличности, изменение взаимного расположения макромолекул, существенно влияют на характер свечения. РТЛ весьма чувствительна к механическим напряжениям в полимере. (см.18.7).
Все это позволило создать на основе РТЛ простые и точные методики анализа структуры, излучения степени однородности смесей, исследования деформационных свойств и других характеристик полимеров, причем для анализа достаточно образца весов в сотые доли милиграмма.
15.7. Интересной особенностью люминесценции, возбуждаемой каким-либо источником энергии, является усиление свечения при воздействии другого источника энергии. Происходит так называемая стимуляция люминесценции. Стимулирующие воздействия могут оказывать изменения температуры, видимое, ИК и УФ-излучение, электрическое поле, присутствие некоторых газов и т.д. Стимуляция люминесценции электрическим полем называется эффектом Гуддена-Поля. (6).
А.с. 286 100: Способ получения изображения, состоящий в том, что люминесценный экран равномерно облучают ультрафиолетовым светом, проектируют на экран изображение в инфракрасном свете, фиксируют свечение экрана на светочувствительном материале, отличающийся тем, что с целью расширения области чувствительности, одновременно с облучением ультрафиолетовым светом прикладывают к экрану электрическое поле, и после проектирования изображения подают переменное напряжение на экран, причем люминофор, из которого изготовлен экран, должен обладать эффектом Гуддена-Поля.
15.8. Факторы, стимулирующие люминесценцию, при определенных условиях могут дать обратный эффект, т.е. уменьшить интенсивность свечения или совсем прекратить его. Это явление называют уменьшением люминесценции. Повышение температуры, изменение влажности, ИК-облучение, электрическое поле, изменение внешнего давления, наличие некоторых газов - все эти факторы могут привести к тушению люминесценции. Так, например, присутствие кислорода, бензохинона или йода уменьшает интенсивность фотолюминесценции, в тоже время как присутствие молекул воды увеличивает ее; наличие электрического поля, перпендикулярного поверхности люминофора, тушит радикалолюминесценцию, изменение же направления поля на обратное усиливает свечение (3),(4).
А.с. 510 186: Способ выделения жизнесопособных семян растений, включающий отбор семян по люминесценции, отличающийся тем, что с целью сохранения целостности семян, их обрабатывают ослабляющими люминесценцию веществами, выбранными из группы, включающей и с последующим отбором семян, имеющих пониженную интенсивность свечения.
Великобритания, акц. заявка 1 327 839: Прибор для непрерывного определения концентрации кислорода или кислородосодержащих соединений в потоке газа. Определение осоновано на способности указанных веществ гасить фотолюминесценцию, например, плена или овалена.
15.9. Поляризация люминесценции. Излучение люминесценции при некоторых условиях может быть поляризованным (обычно это линейная поляризация, очень редко - циркулярная). (см."Поляризация", "Анизотропия и свет").
Для поляризации люминесценции необходимо, чтобы люминофор обладал либо собственной, либо наведенной анизотропией. Поляризованные люминофоры получаются при механических растяжениях полимерных пленок, "Пропитанных" анизотропными люминосцензирующими молекулами. Искуственную ориентацию таких молекул можно вызвать также с помощью сильных электричеких и магнитных полей или же в потоке жидкости (аналогично эффекту Маховелла). В случае фотолюминесценции ее поляризация обнаруживается при возбуждении поляризованным светом.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Люминесценция, в книге "Физический энцеклопидический сло
варь" т.3,М.,1963.
2. С.И.Вавилов, О "горячем" и "холодном" свете,
М., "Знание",1959.
3. В.А.Соколов, А.Н.Горбань, Люминесценция и адсорбция, М.,
"Наука",1963.
4. Неорганические люминофоры, Л.,"Химия", 1975.
5. И.К.Верищагин, Электролюминесценция кристалов, М., "Наука",
1974.
6. П.Ребань, Люминесценциям издание Тартусского университета,
1968.
7. А.с. 179072, 180859, 181823, 186366, 187080, 227805,
232500, 232548, 234710, 256332, 257052, 274486, 276495,
280979, 288482, 340966, 512452, 525910, 526072.
США патенты 3261979, 3561271, 3562525, 3566114.
16. АНИЗОТРОПИЯ И СВЕТ.
Превращение естественного света в поляризованный и изменение типа поляризации (см."Поляризация") при различных оптических явлениях почти всегда связаны с оптической анизотропией вещества, т.е. с различием оптических свойств по различным направлениям. Оптическая анизотропия является следствием анизотропии структуры и вещества. Создавать или менять анизотропию структуры и вещества можно воздействием самых различных факторов (деформация, электрическое поле и т.д.). Этим и обьясняется разнообразие эффектов, так или иначе влияющих на поляризацию светового излучения.
В ряде таких эффектов поляризация света происходит без дополнительного воздействия на вещество. Так, например, естественный свет, отраженный под углом Брюстера, полностью линейно поляризованный (см."Отражение и преломление"), а правоциркулярно-поляризованный свет при перпендикулярном отражении от стеклянной пластинки превращается в левоциркулярно-поляризованный.
16.1. На границе анизотропных прозрачных тел (в первую очередь кристаллов) свет испытывает двойное лучепреломление т. е. расцепляется на два взаимно-перпендикулярно поляризованных луча, имеющие различные скорости распространения в среде обыкновенный и необыкновенный. Первый из них поляризован перпендикулярно оптической оси кристалла и распространяется в нем как в изотропной среде. Второй луч поляризован в главной плоскости кристалла и испытывает на себе все "превратности анизотропии". Так его коэффицент преломления изменяется с направлением, он преломляется даже при нормальном падении на кристалл.
Так происходит двулучепреломление в одноосных кристаллах. В случае двуосных кристаллов картина расщепления несколько сложнее (1-3,6,7,).
Эффект двойного преломления положен Николем в основу изобретенной им поляризационной призмы. Он использовал различие показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, создав для одного из них условия полного внутреннего отражения, после которого этот луч, изменив свое направление, поглощается зачерненной боковой гранью призмы. Другой луч полного внутреннего отражения не испытывает и проходит сквозь призму, а так как это полностью поляризованный луч, то на выходе призмы получается полностью линейно-поляризованный свет.
16.2. Механо-оптические явления.
Здесь рассматривается ряд эффектов, приводящих к возникновению оптической анизотропии под действием механических сил.
16.2.1. Фотоупругость - так называется возникновение в изотропных прозрачных твердых телах оптической анизотропии и связанного с ней двойного лучепреломления под действием механических нагрузок, создающих в твердых телах деформации.
При пропускании луча света через такое , пре, тело возникает два луча и различной поляризации,интерференция между которыми приводит к образованию интерференционной картины, вид кот позволяет судить о величинах и распределении напряжений в теле или же об изменениях структуры вещества. Поскольку оптичеспия обусловлена именно нарушениями первоначальной изотропной структуры вещества, то эффект фотоупругости позволяет визуализировать как упругие деформации, так и остаточные, а это значит , что о деформациях и нагрузках можно судить и после снятия этих нагрузок.