การเรืองแสง


การเรืองแสงคือการปล่อยรังสีแสง (อัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็นได้ หรืออินฟราเรด) โดยสารเนื่องจากกระบวนการอื่นที่ไม่ใช่การให้ความร้อน[ 1 ]ในความหมายทางเคมี/เคมีแสงโดยทั่วไป การเรืองแสงคือการปล่อยรังสีโดยธรรมชาติจากสปีชีส์ที่ถูกกระตุ้นทางอิเล็กตรอนหรือการสั่นสะเทือนซึ่งไม่ได้อยู่ในสมดุลทางความร้อนกับสิ่งแวดล้อม[ 2 ]
การเรืองแสงแตกต่างจากการเปล่งแสงซึ่งแสงเกิดจากการแผ่รังสีความร้อนจากสสารร้อน (อธิบายได้โดยประมาณด้วยการแผ่รังสีของวัตถุดำ ) [ 3 ]เนื่องจากการปล่อยแสงเรืองแสงอาจเกิดขึ้นที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ จึงมักถูกอธิบายอย่างไม่เป็นทางการว่าแสงเย็น[ 3 ]
พื้นฐานทางกายภาพ
การเรืองแสงเกิดขึ้นเมื่อระบบดูดซับหรือได้รับพลังงาน ทำให้เกิดสถานะอิเล็กตรอนและ/หรือการสั่นสะเทือนที่ถูกกระตุ้น จากนั้นจึงกลับสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าโดยการปล่อยโฟตอน กระบวนการ ที่ไม่แผ่รังสี ที่แข่งขันกัน (เช่น การผ่อนคลายการสั่นสะเทือนการแปลงภายในหรือการข้ามระบบ ) สามารถกระจายพลังงานกระตุ้นเป็นความร้อนแทนที่จะเป็นแสง ทำให้ประสิทธิภาพการเรืองแสงลดลง[ 4 ]
การเรืองแสงและการเปล่งแสงฟอสฟอเรสเซนซ์
โดยทั่วไปแล้ว การเรืองแสงมักถูกกล่าวถึงในแง่ของฟลูออเรสเซนซ์และฟอสฟอเรสเซนซ์
- ฟลูออเรสเซนส์คือการเรืองแสงที่เกิดขึ้นเฉพาะในขณะที่สารนั้นถูกฉายรังสี (กล่าวคือ เกิดขึ้นทันทีหลังจากการกระตุ้น) [ 5 ]
- ฟอสฟอเรสเซนซ์คือการเรืองแสงที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของสปินมัลติพลิซิตี้ (โดยทั่วไปคือการปล่อยจากสถานะทริปเล็ต) ซึ่งมักทำให้การเปลี่ยนผ่านการแผ่รังสีค่อนข้างช้า คำนี้ยังถูกใช้ในเชิงปรากฏการณ์สำหรับแสงเรืองรองที่คงอยู่นาน[ 6 ]
โปรดทราบว่าวัสดุที่ใช้งานได้จริงซึ่งวางจำหน่ายในชื่อ "เรืองแสงในที่มืด" มักจะอาศัยการเรืองแสงแบบต่อเนื่อง (การเรืองแสงหลังการตกกระทบที่เกิดจากการดักจับ) มากกว่าการเรืองแสงฟอสฟอเรสเซนซ์ที่ห้ามการหมุนอย่างเคร่งครัด การปล่อยแสงแบบต่อเนื่องสามารถคงอยู่ได้นานหลายนาทีถึงหลายชั่วโมงหลังจากการกระตุ้น ขึ้นอยู่กับความลึกของการดักจับและจลนศาสตร์การปลดปล่อย[ 7 ]
ลักษณะสเปกตรัม
วัสดุเรืองแสงมักถูกอธิบายด้วยคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
- สเปกตรัมการปล่อย (การกระจายสเปกตรัมของโฟตอนที่ปล่อยออกมา)
- สเปกตรัมการกระตุ้น (การกระจายสเปกตรัมที่ตกกระทบซึ่งทำให้เกิดการเรืองแสงที่ความยาวคลื่นการปล่อยที่กำหนด) [ 8 ]
สำหรับระบบโฟโตลูมิเนสเซนต์จำนวนมาก การปล่อยแสงเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า (พลังงานโฟตอนต่ำกว่า) เมื่อเทียบกับการดูดกลืน ความแตกต่างระหว่างค่าสูงสุดของแถบการดูดกลืนและการเรืองแสงที่เกิดจากการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนเดียวกันเรียกว่าการเลื่อนสโตกส์[ 9 ]
ประสิทธิภาพและจลนศาสตร์
ตัวชี้วัดผลงานที่ใช้กันทั่วไปสองประการ ได้แก่:
- ผลผลิตควอนตัม (สัดส่วนของการกระตุ้นที่ก่อให้เกิดโฟตอนที่ปล่อยออกมา)
- อายุการใช้งาน (ช่วงเวลาโดยทั่วไปของการสลายตัวของสถานะกระตุ้น)
ทั้งสองขึ้นอยู่กับอัตราสัมพัทธ์ของเส้นทางการลดพลังงานแบบแผ่รังสีและไม่แผ่รังสี และอาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากสภาพแวดล้อมในท้องถิ่น (ตัวทำละลาย อุณหภูมิ ออกซิเจน ข้อบกพร่อง ฯลฯ) [ 4 ]
การจำแนกประเภทตามกลไกการกระตุ้น
ปรากฏการณ์เรืองแสงมักได้รับการตั้งชื่อโดยใช้คำนำหน้าที่บ่งบอกถึงวิธีการสร้างสถานะการปล่อยแสง (หรือวิธีการปล่อยพลังงานกระตุ้นที่เก็บไว้) หมวดหมู่ด้านล่างมีการทับซ้อนกันในทางปฏิบัติ (เช่น เปลวไฟสามารถขับเคลื่อนทั้งการกระตุ้นทางเคมีและการปล่อยอะตอมที่อุณหภูมิสูง) และบางคำถูกใช้ในสาขาย่อยเฉพาะมากกว่าคำอื่นๆ[ 3 ]
การเรืองแสงที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง
- โฟโตลูมิเนสเซนซ์คือการเรืองแสงที่เกิดจากการดูดซับรังสีแสง [ 10 ]ซึ่งรวมถึงการเรืองแสง/ฟอสฟอเรสเซนซ์ของโมเลกุลส่วนใหญ่และการปล่อยแสงของสารกึ่งตัวนำและวัสดุนาโนจำนวนมาก
- ในระบบโฟโตลูมิเนสเซนต์ การปล่อยแสงแบบทันทีมักเรียกว่าฟลูออเรสเซนซ์ในขณะที่การปล่อยแสงที่ช้ากว่าซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของมัลติพลิซิตี้ของสปินเรียกว่า ฟ อสฟอเรสเซนซ์[ 5 ] [ 6 ]
- เม็ดสี "เรืองแสงในที่มืด" จำนวนมากแสดงการเรืองแสงอย่างต่อเนื่อง (การเรืองแสงหลังการตกกระทบที่เกิดจากการดักจับ) แทนที่จะเป็นการเรืองแสงฟอสฟอเรสเซนซ์ที่ถูกห้ามโดยการหมุนอย่างเคร่งครัด[ 7 ]
- ในวัสดุที่มีประจุที่ถูกกักไว้ การกระตุ้นด้วยแสงสามารถปลดปล่อยประจุที่เก็บไว้และทำให้เกิดการปล่อยแสง (เช่นการเรืองแสงที่กระตุ้นด้วยแสง ) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการหาอายุและการวัดปริมาณรังสี[ 11 ]
การเรืองแสงที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า
- การเปล่งแสงด้วยไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อพลังงานไฟฟ้าสร้างสถานะกระตุ้นที่คลายตัวแบบแผ่รังสี ในสารกึ่งตัวนำ การรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮลแบบแผ่รังสีเป็นพื้นฐานของ LED และ OLED [ 12 ]
- การเรืองแสงด้วยไฟฟ้าเคมี (เรียกอีกอย่างว่าการเรืองแสงด้วยไฟฟ้าเคมี) คือการเรืองแสงที่เริ่มต้นโดยปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี โดยทั่วไปจะเกิดขึ้นในสารละลายใกล้กับอิเล็กโทรด [ 13 ]
- กัลวาโนลูมิเนสเซนซ์เป็นคำศัพท์ทางประวัติศาสตร์สำหรับปรากฏการณ์การเรืองแสงที่สังเกตได้ที่อิเล็กโทรดระหว่างการอิเล็กโทรไลซิส (เช่น ที่แอโนดในเซลล์อิเล็กโทรไลติก) [ 14 ]
การเรืองแสงที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีและเปลวไฟ
- เคมีลูมิเนสเซนซ์คือการปล่อยแสงที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี (เช่น ลูมินอล) [ 3 ]
- การเรืองแสงทางชีวภาพคือการเรืองแสงทางเคมีในระบบสิ่งมีชีวิต [ 15 ]
- ไลโอลูมิเนสเซนซ์คือการปล่อยแสงที่สังเกตได้เมื่อของแข็งที่ได้รับรังสีบางชนิดละลายในตัวทำละลาย (ซึ่งพัฒนาขึ้นในอดีตในด้านการวัดปริมาณรังสี) [ 16 ]
- แคนโดลูมิเนสเซนซ์คือการปล่อยแสงที่ไม่ใช่ความร้อนจากของแข็งที่ถูกกระตุ้นด้วยเปลวไฟ มีการศึกษาทั้งในฐานะปรากฏการณ์พื้นฐานและในฐานะสัญญาณวิเคราะห์ที่ใช้เปลวไฟสำหรับการวิเคราะห์ร่องรอย [ 17 ] [ 18 ]
- ไพโรลูมิเนสเซนซ์ (การปล่อยแสงจากเปลวไฟ) คือการแผ่รังสีสเปกตรัมลักษณะเฉพาะจากก๊าซหรือไอที่ถูกกระตุ้นด้วยอุณหภูมิสูง (เช่น เกลือที่ระเหยกลายเป็นไอในเปลวไฟ) [ 19 ]
การกระตุ้นโดยอนุภาคและรังสีไอออนไนซ์
- การเรืองแสงจากรังสีคือการเรืองแสงที่เกิดจากอนุภาคพลังงานสูงหรือรังสีไอออนไนซ์ [ 20 ]
- แสงวาบสั้นๆ ที่เกิดขึ้นทีละเหตุการณ์เรียกว่าการเรืองแสง [ 21 ] สารเรืองแสงที่เชื่อมต่อกับโฟโตดีเทคเตอร์เป็นส่วนสำคัญของเครื่องตรวจจับรังสีหลายชนิด[ 22 ]
- แคโทดลูมิเนสเซนซ์คือการเรืองแสงที่เกิดจากการกระทบของอิเล็กตรอน ใช้ในการกำหนดลักษณะวัสดุและกล้องจุลทรรศน์ [ 23 ]
- ไอโอโนลูมิเนสเซนซ์ (มักอธิบายในเชิงปฏิบัติการว่าเป็นการเรืองแสงที่เกิดจากลำแสงไอออน IBIL) คือการเรืองแสงที่ถูกกระตุ้นโดยไอออนความเร็วสูง และใช้เป็นตัวตรวจสอบวิเคราะห์ข้อบกพร่องและพันธะในวัสดุ[ 24 ]
การกระตุ้นทางกลและทางเสียง
- การเรืองแสงเชิงกลคือการปล่อยแสงที่เกิดจากการกระทำเชิงกลบนของแข็ง (การถู การแตก การกด) [ 25 ]
- ไตรโบรูมิเนสเซนส์และแฟรกโตรูมิเนสเซนส์เป็นคำที่ใช้กันทั่วไปสำหรับปรากฏการณ์การปล่อยแสงที่เกี่ยวข้องกับการเสียดสีและ/หรือการแตกหัก
- เพียโซลูมิเนสเซนซ์คือการปล่อยแสงที่เกิดจากแรงดัน (โดยทั่วไปเป็นแบบไดนามิก) หรือการเสียรูปยืดหยุ่นในของแข็งบางชนิด [ 26 ]
- โซโนลูมิเนสเซนซ์คือการปล่อยแสงจากฟองอากาศที่ยุบตัวลงเนื่องจากสนามเสียงที่มีความเข้มสูง [ 27 ]
ปรากฏการณ์ที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยความร้อน การเปลี่ยนแปลงสถานะ และปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ
- เทอร์โมลูมิเนสเซนซ์เกิดขึ้นเมื่อความร้อนปลดปล่อยประจุที่ถูกดักจับหรือสปีชีส์ที่ถูกกระตุ้นที่ถูกดักจับในเมทริกซ์แข็ง ทำให้เกิดการปล่อยแสงแบบหน่วงเวลา [ 28 ]
- คริสตัลโลลูมิเนสเซนซ์คือลูมิเนสเซนซ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการตกผลึก (มักรายงานในระหว่างการตกตะกอนหรือการก่อตัวของนิวเคลียสอย่างรวดเร็ว) [ 29 ]
- ไครโอลูมิเนสเซนซ์ถูกนำมาใช้สำหรับการปล่อยแสงที่สังเกตได้เมื่อวัสดุเรืองแสงบางชนิดเย็นตัวหรือแข็งตัว (บางครั้งถูกกล่าวถึงว่าเป็น "สิ่งที่ตรงกันข้าม" กับการปล่อยแสงที่เกิดจากความร้อน) [ 30 ]
วัสดุและตัวปล่อย
การเปล่งแสงสามารถเกิดขึ้นได้จากตัวปล่อยแสงทางกายภาพหลากหลายประเภท:
- โมเลกุล (สีย้อมอินทรีย์ สารประกอบเชิงซ้อน) ที่มีการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะอิเล็กตรอนที่แยกจากกัน หลายชนิดได้รับการออกแบบให้เป็นฟลูออโรฟอร์สำหรับการถ่ายภาพและการตรวจจับ[ 31 ]
- สารเรืองแสง (มักเป็นของแข็งอนินทรีย์) ซึ่งมีไอออนตัวกระตุ้น (เช่น ธาตุหายาก โลหะทรานซิชัน เช่น Cr 3+ ) ปล่อยแสงในโครงสร้างผลึก สภาพแวดล้อมสนามผลึกสามารถปรับสเปกตรัมและความเสถียรทางความร้อน ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ตั้งแต่การให้แสงสว่างไปจนถึงการถ่ายภาพทางชีวภาพ[ 32 ]
- สารกึ่งตัวนำที่การรวมตัวกันใหม่แบบแผ่รังสีของอิเล็กตรอนและโฮลทำให้เกิดแสง (LED, ไดโอดเลเซอร์) [ 12 ]
- ข้อบกพร่องและศูนย์กลางสีในของแข็งและแร่ธาตุ ซึ่งสามารถเปล่งแสงได้ภายใต้รังสียูวี ลำแสงอิเล็กตรอน หรือรังสีไอออนไนซ์ ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการระบุแร่ธาตุและลักษณะเฉพาะของวัสดุ
การวัดและการกำหนดคุณลักษณะ
โดยทั่วไปแล้ว การเรืองแสงจะถูกจำแนกตามสเปกตรัม ความเข้ม การโพลาไรซ์ และการพึ่งพาเวลา เครื่องมือที่ใช้ได้แก่:
- เครื่องวัดสเปกตรัมการเรืองแสงสำหรับการวัดสเปกตรัมการปล่อยแสง[ 33 ]
- ฟลูออริมิเตอร์ (เครื่องมือวัดการเรืองแสงประเภทหนึ่ง) สำหรับวัดความเข้มของการเรืองแสงและการกระจายสเปกตรัม มักใช้สำหรับการวิเคราะห์ร่องรอย [ 34 ]
- วิธีการ ที่แก้ไขตามเวลา (เช่น การกระตุ้นแบบพัลส์ การนับโฟตอน) เพื่อแยกอายุการใช้งานและแยกแยะการปล่อยที่ทับซ้อนกัน[ 4 ]
แอปพลิเคชัน
แสงไฟและการจัดแสดง
- หลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดปล่อยประจุอื่นๆ แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งถูกแปลงลงมาเป็นแสงที่มองเห็นได้โดยสารเรืองแสง[ 3 ]
- ไดโอดเปล่งแสงและไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLED) ผลิตอิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์โดยตรงในชั้นเซมิคอนดักเตอร์หรือชั้นอินทรีย์ และมีการใช้งานอย่างแพร่หลายสำหรับตัวบ่งชี้ แสงสว่างทั่วไป และจอแสดงผล[ 12 ]
- เม็ดสีเรืองแสงแบบคงตัวใช้ในป้ายความปลอดภัย หน้าปัดนาฬิกา และผลิตภัณฑ์ตกแต่ง เนื่องจากสามารถเปล่งแสงได้อย่างต่อเนื่องหลังจากได้รับแสง[ 7 ]
เคมีวิเคราะห์และการตรวจวัด
การเรืองแสงเป็นวิธีการตรวจจับหลักในการวิเคราะห์ทางเคมี (เช่น การทดสอบการเรืองแสง การดับออกซิเจน การทดสอบภูมิคุ้มกัน และการตรวจจับโดยใช้เคมีไฟฟ้าเรืองแสง) ซึ่งได้รับการยกย่องว่ามีความไวสูงและมีพื้นหลังต่ำ[ 4 ] [ 13 ]
การถ่ายภาพทางชีวภาพและการแพทย์
โปรตีนเรืองแสง สีย้อมอินทรีย์ และฟอสฟอร์นาโนอนุภาคช่วยให้สามารถถ่ายภาพเซลล์และเนื้อเยื่อได้ ฟอสฟอร์เรืองแสงอินฟราเรดใกล้และนาโนอนุภาคเรืองแสงแบบต่อเนื่องได้รับการศึกษาเพื่อการถ่ายภาพเนื้อเยื่อที่ลึกขึ้นโดยลดการเรืองแสงอัตโนมัติ[ 32 ] [ 7 ] [ 35 ]
การตรวจจับรังสีและการวัดปริมาณรังสี
สาร เรืองแสงจะแปลงรังสีพลังงานสูงให้เป็นโฟตอนที่มองเห็นได้ซึ่งตรวจจับโดยโฟโตมัลติพลายเออร์หรือโฟโตไดโอด ทำให้สามารถทำสเปกโทรสโกปีและการถ่ายภาพในเวชศาสตร์นิวเคลียร์ ฟิสิกส์พลังงานสูง และการตรวจคัดกรองความปลอดภัยได้[ 22 ]วัสดุเรืองแสงแบบใช้กับดักยังเป็นพื้นฐานของเครื่องวัดปริมาณรังสีแบบเทอร์โมลูมิเนสเซนต์และเครื่องตรวจจับที่เกี่ยวข้องอีกด้วย[ 22 ]
วิทยาศาสตร์โลกและการหาอายุ
การหาอายุด้วยเทอร์โมลูมิเนสเซนซ์และ การหาอายุ ด้วยออปติคอลสติมูเลเต็ดลูมิเนสเซนซ์ (OSL) วัดสัญญาณลูมิเนสเซนซ์ของประจุที่ถูกดักจับเพื่อประมาณเวลาตั้งแต่แร่ธาตุถูกให้ความร้อนหรือสัมผัสกับแสงแดดครั้งสุดท้าย ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในทางโบราณคดีและธรณีวิทยายุคควอเทอร์นารี[ 11 ]
ประวัติศาสตร์
คำว่าการเรืองแสงถูกนำมาใช้ในปี พ.ศ. 2431 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันEilhard Wiedemannในบริบทของการจำแนกรูปแบบการปล่อยแสงที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยความร้อนเพียงอย่างเดียว การศึกษาอย่างเป็นระบบในช่วงแรกของการเรืองแสงและการเปล่งแสงเกิดขึ้นก่อนทฤษฎีควอนตัมและเป็นแรงบันดาลใจให้เกิดแบบจำลองสถานะกระตุ้นและศัพท์ทางเคมีแสงในภายหลัง[ 36 ]
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- ชูเบิร์ต, อี. เฟร็ด (2006). ไดโอดเปล่งแสง ( ฉบับที่ 2). สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. doi : 10.1017/CBO9780511790546 . ISBN 978-0-521-86538-8.
- Lakowicz, Joseph R. (2006). หลักการของสเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์ ( ฉบับที่ 3). Springer. ISBN 978-0-387-31278-1.
- Knoll, Glenn F. (2010). การตรวจจับและการวัดรังสี ( ฉบับที่ 4). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-13148-0.
- Brenner, Michael P.; Hilgenfeldt, Sascha; Lohse, Detlef (2002). "Single-bubble sonoluminescence". Reviews of Modern Physics . 74 (2): 425– 484. doi : 10.1103/RevModPhys.74.425 .
- Aitken, MJ (1998). บทนำเกี่ยวกับการหาอายุด้วยแสง: การหาอายุของตะกอนยุคควอเทอร์นารีโดยใช้การเรืองแสงที่กระตุ้นด้วยโฟตอนสำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดdoi : 10.1093/oso/9780198540922.001.0001 ISBN 978-0-19-854092-2.
ลิงก์ภายนอก
- "e-ILV (CIE International Lighting Vocabulary)" . คณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยการส่องสว่าง. สืบค้นเมื่อ2026-03-01 .
- "IUPAC Gold Book: การเรืองแสง (L03641)"สหภาพเคมีบริสุทธิ์และประยุกต์ระหว่างประเทศสืบค้นเมื่อ2026-03-01