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[分享] 在紫外光照射下下发光的原理是什么?

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发表于 2024-9-16 15:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
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发表于 2024-9-16 15:49 | 显示全部楼层
感谢 @潘安 提到我。
一个较为直接的简单说法就是,如果光源的频率匹配,原子分子会吸收光子成为激发态,但激发态不稳定,一段时间以后,原子分子再发射光子回到基态,就表现为发光。当然回家的路漫长,也可能不发光而经过IVR(inner vibrational redistribution)把吸收的光能以热运动的形式放出去,这样黯然回到基态。
如果分子的激发态比较刚性,或者分子本身是以分子晶体存在的,那么会主要的遵循垂直激发机理,哪里上来哪里下去,或者发射出来的光频率改变不大(部分光能送给了分子振动),这就叫荧光(fluorscence)。如果分子垂直激发态还能变成其他的激发态,即发生了所谓的系间窜跃(intersystem crossing),发光的时间会增长,叫磷光(phosphorescence)。而激发态原子/分子也可能自发辐射,这个发光机制最早由爱因斯坦予以解释,但没有给出成因;量子光学里由Wigner-Weisskopf公式给出。
具体理论细节等我慢慢补上。
有兴趣可以参考我的合作文章(虽然是一篇小文章,发表过程中我们也学习了不少相关知识):
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpca.6b12290也希望有兴趣的同学能详细研究,光谱是一个很有趣的研究领域。 @薛定豆 是业内理论专家。 @Luyao Zou 是实验专家。 @林舟 是业内超佬。
2020年5月更新:
受激辐射和自发辐射的机理我已经整理出,请看下边:
Yongle Li:(原子)自发辐射的半经典理论Yongle Li:(原子)自发辐射的cavity QED理论
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发表于 2024-9-16 15:50 | 显示全部楼层
谢邀
用我给学生上课的ppt讲好了


样品发光现象通常包含两类,
1、自发发光,比方说自发荧光。生物体都会自发荧光。下图是我们实验室里自己拍的花粉自发荧光结果。



实验室拍摄下的花粉自发荧光结果  姚组版权所有

2、激励发光(被动),包括光致发光、电致发光、声致发光、化学发光
而题主所题的紫外光激发发光就是光致发光(荧光、磷光)
为什么紫外光激发会发光呢?
这里要先讲一点原子物理,更多关于原子物理请咨询 @Yongle Li @奶牛小雪球 ,我不是很专业。
原子物理里很重要一条,泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)
在同一轨道上的两个电子的自旋方向要彼此相反,即基态分子的电子是自旋成对的,净自旋为零,这种电子都配对的分子电子能态称为单重态。
进而我们引入了单重态、三重态的概念。
单重态三重态是相对于基态是闭壳层的分子而言的,如果基态本身是开壳层,那么激发态也可以是二重态;针对 d 区过渡金属,也可以有五重态和七重态。
单重态 (singlet, S0,基态):同一轨道上的电子具有相反方向的自旋
单重激发态 (S1, S2…):被激发的电子在新轨道中的自旋方向和(自己)原来相同
三重激发态 (triplet, T1, T2…):被激发的电子在新轨道中的自旋方向和(自己)原来相反
其中S0态是基态,它很稳定,所以电子受激发之后最终要回到S0态。三重态(T)具有比单重态(S)更低的能量和更大的激发态寿命(时间)。
补充完这一知识后,我们看到右边的Jablonski能级图。
当样品(主要是生物样品,金属样品会发生光电效应)受到紫外光照射后,电子吸收能量受到激发,从S0态跃迁到S1或者S2激发态。那些到S2态的电子经过内转换/振动弛豫,回到S1态,与原先S1态的电子都会最终回到S0态,从而发射出光子,这个称为荧光。有的电子以放热的形式将多余的能量辐射给周围环境回到S0态,不发射光子。有的经过系间跨越到了T1、T2三重态,其中有到T2态的电子经过内部转移到T1态,和T1态的电子都最终回到S0基态,发出磷光。对荧光和磷光的区分,一般是区分激发态是否单三态,但更宏观的区分是判断亮态/发光态(bright state/emissive state)这个激发态多重度是否和基态一致,一致则是荧光,不一致就是磷光。
其中,以放热的形式将多余的能量辐射给周围环境包括振动弛豫、内部转移、系间跨越及外部转移等过程统称为无辐射跃迁
像荧光、磷光以放光的形式将多余的能量辐射给周围环境,称为辐射跃迁
系间跨跃是指不同多重态之间的无辐射跃迁过程,它涉及到受激发电子自旋状态的改变。如由第一激发单重态S1跃迁至第一激发三重态T1,使原来两个自旋配对的电子不再配对。这种跃迁是禁阻的。三重态禁阻则是因为对称性禁阻或者宇称禁阻,这一点在重原子效应下被微扰后,由于形成新的三重态(这里的三重态不是纯的三重态,是部分单重激发态和三重激发态经微扰后的混合三重态,此时选律不严格禁阻),加上本身形成三重态的概率和比单重态更稳定等因素,才有更长的激发态寿命,以及对应的发光寿命,寿命范围在10^-7~10^3s。因此,外光源照射停止后,磷光仍可持续一短时间。由于经过系间跨跃及T1中振动弛豫丢失了一部分能量,所以磷光波长比荧光波长要长.
必须指出的是 T1态还可能通过热激发而重新跃回S1,然后再由S1经辐射跃迁回S0,发出荧光,这种荧光称为延迟荧光,其寿命与磷光相近,但波长比磷光短。另一种延迟荧光则是两个三重态分子碰撞,形成一个基态分子和一个单重态分子(TTA-upconversion)。
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发表于 2024-9-16 15:50 | 显示全部楼层
电子因为被uv激发跃迁到高能级,因为高能级不稳定降为低能级时能量以光的形式散发出来
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