Глава 3. Определение концентрации вещества люминесцентным методом
Люминесценция (от лат. lumen, род. падежluminis– свет и -escent – суффикс, означающий слабое действие) – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающим период световых колебаний. Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения и показывает, что понятие «люминесценция» применимо только к совокупности атомов и молекул, находящихся в состоянии, близком к равновесному. Вторая часть определения была введена С.И. Вавиловым (советский физик, президент Академии наук СССР с 1945 года, 1891 – 1951), чтобы отделить люминесценцию от различных видов рассеяния и отражения света, параметрического преобразования света, тормозного излучения и излучения Черенкова-Вавилова (Черенков П.А. – советский физик, лауреат Нобелевской премии, 1904 – 1990).
Излучение люминесценции лежит в видимом, ближнем УФ и ИК диапазонах. Природные явления люминесценции – северное сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева – были известны ещё в древности, систематически же изучать люминесценцию стали с XIXвека.
По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией), к ней, в частности, относятся рентгенолюминесценция, катодолюминесценция, ионолюминес-ценция, α-люминесценция, электролюминесценцию (возбужде-ние электрическим полем), триболюминисценцию (возбуждение при механических воздействиях), хемилюминесценцию, которая возникает при химических реакциях.
По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро затухающую люминесценцию) и фосфоресценцию (длительная люминесценция).
По механизму элементарных процессов различают резонансную, спонтанную, вынужденную и рекомбинационную люминесцентную. Элементарный акт люминесценции состоит из поглощения энергии с переходом атома (молекулы) с основного уровня энергии 1(рис. 3.1) на возбуждённый уровень3, безызлучательного перехода3→2и излучательного перехода2→1.
3
2
1
Рис. 3.1. Схема квантовых переходов при элементарном процессе люминесценции:
1
– основной уровень энергии;2–
уровень излучения;3– уро-вень
возбуждения; – переход,
соответствующий резонанс-ной люминесценции
При количественном и качественном люминесцентном анализе регистрируют чаще всего самостоятельное свечение вещества.
Концентрацию вещества в смесях осуществляют по интенсивности его спектральных линий. Чувствительность количественного люминесцентного анализа очень велика и достигает 10-10г/см3при обнаружении некоторых органических веществ. Это позволяет использовать люминесцентный анализ для контроля чистоты вещества. Лучом газового лазера удаётся возбуждать люминесценцию отдельных изотопов и проводить изотопный анализ.
Качественный химический люминесцентный анализ позволяет обнаруживать и идентифицировать (от позднелат. Identifico – отождествляю) некоторые вещества в смесях.
В сортовом анализе по характеру вещества различают предметы, кажущиеся одинаковыми. Он применяется при диагностике (от греч. – способный распознавать) заболеваний, определении поражённости семян и растений болезнями, определения содержания органических веществ в почве и т.п. С помощью сортового люминесцентного анализа производят анализ горных пород для разведки нефти и газа, изучают состав нефти, минералов, горных пород, сортируют анализы и т.д.
Люминесцентный анализ находит применение также в криминалистике (для определения подлинности документов, обнаружения следов токсичных (от греч– яд) веществ и т.п.), реставрационных работах, дефектоскопии, в экологии (определение качества некоторых продуктов, питьевой воды, содержания вредных веществ в воздухе) и т.п.