Что общего между светлячком, зеленоватой дымкой над болотом, голубым свечением моря ночью? Всё это примеры природной люминесценции, которые были знакомы нашим предкам ещё с античности. Они считали это магией, но только сейчас мы понимаем, что это не так. Люминофоры очень прочно вошли в нашу жизнь, настолько, что мы даже этого не замечаем. А зря! Ведь они хранят в себе много тайн, некоторые из них даже на данный момент остаются загадками. Именно поэтому на люминесценцию возлагаются большие надежды в будущем. Например, учёные работают над созданием люминесцирующих деревьев, которые будут освещать дорогу в ночи. Но и в настоящем она нашла множество применений. Об этих применениях и о многом другом можно узнать из данной статьи.
Цель нашей работы: Исследовать зависимость периода послесвечения борного фотолюминофора от активатора.
Задачи:— изучить и проанализировать информацию о явлении люминесценции и люминофорах; — понять, как используют «холодный свет» живые организмы в природе; -исследовать области применения люминофоров; -синтезировать борные люминофоры с различными активаторами.
Люминесценция. Области применения
Научное объяснение явлению люминесценции ученые смогли дать только после открытия строения атома. Люминесценция—это свечение веществ, избыточное над их тепловым излучением при данной температуре и возбужденное какими-либо источниками энергии.Люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами — катодолюминесценцией, под действием электрического поля — электролюминесценцией, под действием химических превращений — хемилюминесценцией.1
Суть явления люминесценции такова. Большинство электронов в атоме находятся в основном энергетическом состоянии. При получении атомами дополнительной энергии — часть электронов переходят в возбужденное состояние. Возвращаясь в основное электронное состояние, вещество излучает фотон света. 2
Люминофор—вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение. Люминофоры отличаются друг от друга по различным признакам, а именно: по длительности послесвечения, по способу подвода к атомам энергии, — по химической природе люминофоры разделяются на неорганические и органические.
Химики синтезировали много люминофоров, и область их применения очень разнообразна. На первом месте стоит производство фотолюминофоров для ламп дневного света (90 % от мирового выпуска все классов люминофоров). Люминофоры широко применяются в текстильной, пищевой промышленностях, материаловедении, криминалистике, искусстве, медицине, фармацевтике, банковском деле, в обороте ценных бумаг и т. д. Например, криминалисты заставляют биологические жидкости флуоресцировать под действием УФ, чтобы обнаружить следы крови, мочи, слюны и т. д. на месте преступления. Флуоресцентные зонды и красители используют для визуализации опухолей в сложных операциях. Белая бумага, произведённая до 1950 года, не содержала флуоресцентных веществ в отличие от современной. Таким образом, подделка исторических документов может быть обнаружена при облучении образца ультрафиолетом. 53
Живые организмы стали использовать люминесценцию в своих целях гораздо раньше человека. Биолюминесценция— это способность живых организмов светиться. Такая люминесценция встречается у некоторых бактерий, грибов, водорослей, червей, моллюсков, насекомых, рыб, но никогда не наблюдается у более высокоорганизованных животных. Биолюминесценция основывается на химических процессах и обусловлена двумя типами веществ, объединенных общими названиями люциферина и люциферазы. Конкретный состав этих веществ у разных организмов различен. Люцифераза − это фермент, биологический катализатор реакций, при которых люцеферины окисляются кислородом. При этом выделяемая энергия реакции излучается в виде фотона света.
люциферин + O2 → оксилюциферин + свет
Таким образом, хемилюминесценция включает в себя и биолюминесценцию. Биологическая роль, которой связана с такими аспектами поведения живых организмов, как нападение, защита и коммуникация. 3
Методика изготовления борного люминофора
Наиболее доступным в условиях школьной лаборатории является синтезирование борного люминофора. В его основе лежит борный ангидрид (HBO2 и H2B4O7) с добавками небольшого количества органических активаторов. Эти фотолюминофоры представляют собой аморфную стекловидную массу. При его синтезе необходимо обезводить борную кислоту, а потом сплавить её с активатором в определённых пропорциях. Эти пропорции были подобраны мною экспериментально и для разных активаторов они различаются.
При сплавлении необходимо выпарить лишнюю воду при температуре не выше 200оС, иначе смесь будет обуглена, что приведет к снижению интенсивности послесвечения. Потому что не распавшаяся органическая молекула активатора является единственной причиной люминесценции, т. е. центром люминесценции. После полученный люминофор необходимо измельчить, дабы улучшить люминесценцию и хранить его во влагозащищённом сосуде.
Рис. 1. Готовый фотолюминофор
Чтобы исследовать период послесвечения, я освещал истолченный люминофор диодной лампой в течение 1 минуты, и фиксировал зеленовато-желтое и зеленое послесвечение веществ (λ от 510–575 нм). Температура окружающей среды 220С. Полученные мной данные при вышеописанных условиях представлены на диаграмме.
Но яркость и длительность послесвечения, видимого для глаз человека, субъективна и зависит от температуры окружающей среды, наличия примесей посторонних веществ в люминофоре (угнетающих люминесценцию), индивидуальных особенностей зрения человека, степени затенённости помещения, а также от времени «зарядки» образца. Длина волны излучаемого света, т. е. цвет излучения, напрямую зависит от активатора и его концентрации.
Выводы
Я достиг поставленной цели. Мною были получены люминофоры борной кислоты, активируемые органическими веществами. Эти фосфоресцирующие вещества, обладают стекловидным строением, большой яркостью свечения и лёгкой возбудимостью от обычных источников света. В ходе экспериментов я выяснил, что наилучшими активаторами среди исследуемых мною веществ, являются флуоресциин и смесь салициловой и лимонной кислот. Проанализировав полученные данные, я понял, что одним из факторов, влияющих на время послесвечения является строение молекулы активатора. А именно вещества, имеющие сопряжённые системы π-связей, особенно гетероциклического строения, как у флуорсцеина, обладают наиболее выраженной люминесценцией.
Литература:
- [Электронный ресурс] Доступ к ресурсу: https://ru.wikipedia.org
- Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. — М.: Мир, 1986. — 496 с.
- А. Н. Ремизов, Медицинская и биологическая физика. М: Высшая школа 1987, с.525
- Владимиров Ю. А., Шерстнев М. П. Хемилюминесценция клеток животных. Итоги Науки и Техники, Сер. Биофизика, том. 24, Москва, ВИНИТИ, 1989.
- И. А. Леенсон «Удивительная химия» —М.: ЭНАС, 2009. — 176 с.
