Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня мы кратко поговорим с вами о фосфоресценции.
Итак, если упростить, то фосфоресценция — это процесс, при котором энергия, поглощенная веществом, высвобождается относительно медленно в виде света. Фосфоресценция является разновидностью люминесценции как и флуоресценция. Основное отличие фосфоресценции от флуоресценции для обывателя заключается именно во времени послесвечения.
Если свечение сохраняется только во время засветки — это флуоресценция (например, родамины, куркумин, флуоресцеин являются флуоресцентными пигментами). Если свечение сохраняется некоторое время после засветки — это фосфоресценция.
Наиболее распространённой основой для современных пигментов данного класса являются алюминаты стронция, активированные редкоземельными элементами: европием и диспрозием. Самые распространенные цвета свечения – желто-зеленый, бирюзовый и небесно-голубой (синий). Для получения жёлто-зелёного свечения обычно используют алюминат стронция состава SrAl₂O₄:Eu,Dy; для получения бирюзового — Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu,Dy; а для получения небесно-голубого (синего) — CaSr₄Al₁₆O₂₉:Eu,Dy,La. Все три этих соединения достаточно известны и хорошо описаны в научной литературе.
Для получения других цветов свечения возможна модификация самой матрицы пигмента, либо добавление в исходный фосфоресцентный пигмент небольшой добавки флуоресцентного пигмента. В этом случае флуоресцентный пигмент поглощает излучение, испускаемое фосфоресцентным пигментом и излучает в другом диапазоне длин волн. Этот подход достаточно распространён, но не особо эффективен из за больших потерь энергии.
Если же рассмотреть чистый активированный алюминат стронция без добавок при дневном свете, то его цвет практически белый, либо чуть зеленоватый.
Как уже было сказано выше, фосфоресцентные пигменты — это пигменты с длительным послесвечением. В пигментах на основе алюминатов стронция свечение иногда может сохраняться до 8-12 часов. Наиболее яркое свечение будет наблюдаться в первые 40-60 минут с последующим нелинейным угасанием.
В подборке фото ниже наглядно показан пигмент жёлто-зелёного, небесно-голубого и красного цвета (считая слева на право). На первом и втором фото — при дневном освещении; с третьего по седьмое фото включительно — при освещении УФ-лампой; на восьмом и девятом фото — в темноте.
Но давайте посмотрим на каких длинах волн в реальности находится пик фосфоресценции желто-зелёного и небесно-голубого пигментов и сравним с литературными данными. На рисунке ниже представлен спектр фосфоресценции желто-зелёного пигмента.
По представленному спектру хорошо видно, что максимум излучения лежит в области 520 нм, что хорошо согласуется с литературными данными для SrAl₂O₄:Eu,Dy. А это спектр фосфоресценции небесно-голубого пигмента.
А вот у него максимум излучения лежит в области 470 нм, что наиболее близко к 480 нм для CaSr₄Al₁₆O₂₉:Eu,Dy,La.
Почему мы считаем данный пигмент именно небесно-голубым (синим), а не бирюзовым или фиолетовым несмотря на небольшое различие в положении максимума излучения по сравнению с литературными данными?
Дело в том, что максимум излучения бирюзового пигмента Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu,Dy примерно соответствует 490 нм, что соответствует сине-зелёной области. Основной же фиолетового пигмента чаще всего служит активированный алюминат кальция CaAl₂O₄:Eu,Dy,La с максимумом излучения на 460 нм. А вот небесно-голубой как раз занимает промежуточное положение между бирюзовым и фиолетовым. По литературным данным соотношением Ca/Sr можно регулировать положение максимума излучения, а добавление La вызывает дополнительный синий сдвиг.
А что же будет, если мы смешаем желто-зелёный и небесно-голубой пигменты вместе в соотношении 1:1? — а в этом случае мы получим сине-зелёный пигмент с достаточно широкой полосой излучения. Спектр фосфоресценции такой смеси представлен на рисунке ниже.
Основная сфера применения фосфоресцентных пигментов — изделия для использования в чрезвычайных ситуациях: аварийные указатели выхода, маркировка направления движения и пр. Кроме того такие материалы наносят на циферблаты и стрелки часов, шкалы и стрелки приборов, что позволяет считывать их показания в темноте определённый промежуток времени. Именно этот класс пигментов и пришёл на замену радиолюминесцентным на основе радия-226 (светомассе постоянного действия, СПД).
Фосфоресцентные пигменты также применяют для раскраски игрушек и нанесения на одежду изображений, светящихся в темноте; для изготовления различных декоративных изделий, что показано в подборке фото ниже.
Кроме того последние годы ряд производителей начал выпуск различных пластиков для 3D-печати с использованием данных пигментов. Так, например, в подборке фото ниже представлен череп, напечатанный пластиком PLA как раз с жёлто-зелёным фосфоресцентным пигментом в составе.
Внутри модель полая, что позволяет установить декоративную подсветку либо собрать внутри какое-то другое электронное устройство и использовать череп в качестве корпуса.
P.S. И, напоследок небольшой исторический казус: хорошо известное свечение белого фосфора при контакте с воздухом, давшее название самому явлению фосфоресценции, на самом деле является хемилюминесценцией, сопровождающей процесс окисления… Но о фосфоре мы поговорим в отдельной статье.
А на этом на сегодня всё. Спасибо, что дочитали до конца!
Список использованной литературы:
- Кратко о фосфоресценции
- Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978 гг.
- Группа компаний «Невидаль». Официальный сайт
- Технология неорганических люминофоров : учеб. пособие для студентов специальности «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий» : в 2 ч. / А. Н. Мурашкевич. – Минск : БГТУ, 2021 г.