荧光物为什么会黑暗中发光?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-06-23 10:20:58

荧光物质在黑暗中发光的原理主要分为荧光和磷光。荧光是通过化学能激发荧光分子发光,寿命短;而磷光则是通过激发态的电子缓慢退激发而发光,寿命较长。荧光和磷光的区别在于电子的自旋状态和跃迁选择规则。

荧光表盘、荧光棒、荧光橡皮等荧光物质是怎么在黑暗中“发光”的?从某种程度上说,荧光棒的原理和摩擦荧光的原理是类似的。只不过摩擦荧光是机械能转化为电能激发氮分子发光,而荧光棒是通过化学反应的化学能激发荧光分子发光。在光谱学上,其发光都可称为“荧光”。而荧光表盘、橡皮等有夜明功能的东东发的光术语上叫做“磷光”。有啥区别呢?这可以从我们物质世界的基本单元——原子说起。

原子中的电子处于一系列的分立的能级上,由于泡利不相容原理,每个原子轨道上只能容纳两个自旋相反的电子。当原子形成分子时,轨道重新组合为分子轨道(如果原子结合成大块物体,就形成能带),能级通常也会发生一定的偏移。一般分子的基态都是自旋相反的电子两两配对占据从低到高一系列能量不同的分子轨道上,总自旋为0,这个状态记为S0(当然有些例外,比如基态氧分子就不是自旋相反配对的)。

如果激发后自旋依然两两相反,则称为单重态,用S1、S2…表示。如果自旋发生改变,有处于两个轨道上自旋平行的电子,总自旋为1,则称为三重态,用T1、T2…表示。S-S0的跃迁在量子力学的处理下符合跃迁选择规则,是允许跃迁,跃迁概率大,发光强度高,寿命相对较短,称为“荧光”。T-S0的跃迁不符合跃迁选择规则,称为禁阻跃迁。

虽然认为“禁阻”,但是我们处理光谱问题采取了“含时微扰”的近似手段,实际上依然有小概率发生该过程。相应的发光强度低、寿命长(电子在困难的事情面前也会犯拖延症),称为“磷光”。我们往往看到夜光表盘等东西经过光照后再拿到暗处会格外亮,正是因为吸收光能处于激发态的电子大大增多,在随后的缓慢退激发过程中也相应放出比较多的光能。以上的部分如果让你依然云里雾里,可以在心里狠扁答主怪其没讲懂。

不过你需要知道有些荧光虽然被称为“荧光”,实际上是磷光。它们发光过程中分子退激发的路径不太一样。

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