建筑物紧急通道处的安全指示牌,是我们日常生活中最常见的光致发光现象,它不需要电力即可在黑暗中发光。在停电(黑暗)或者火灾(有烟)等紧急情况下,它会立即亮起指示安全出口。
图2. 一个光致发光的安全出口标志。左:日光条件下。右:黑暗环境下。
光致发光的理论解释:
当物质受到光照或外加电场的激发后,就会吸收外界能量使其电子处于激发态,当外界激发停止后,处于激发态的电子就会跃迁回到基态。在跃迁的过程中一部分能量会以光子的形式发射出来,这种现象就是光致发光现象[2]。简单地说,光致发光现象就是物质吸收能量后再以光辐射的形式发射能量的一种过程。
光致发光可分为两类:荧光(Fluorescence)和磷光(Phosphorescence)。荧光是物质受到激发后,立即发射光子,发光时间≤
s。 而磷光能够长期持续发光,通常发光时间≥
s。
荧光和磷光的区别:
在介绍荧光和磷光之前,首先我们需要对电子能级图有一个大致的了解。如图3所示,是荧光和磷光发生过程的电子能级转换示意图。S0为电子基态,即分子中的电子没有受到能量激发时的状态,其中的不同横线代表了不同的电子振动能级,振动能级越往上,电子能量越高。S1和T1属于电子被激发后的状态。其中,S0为基态单重态,S1属于激发单重态,而T1属于激发三重态。电子激发态的多重度用M=2s+1表示,s为电子自旋量子数的代数和,其数值为0或1。根据泡利不相容原理,分子中同一轨道所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向,即自旋配对,即s=0, M=1,该分子体系便处于单重态,用符号S表示。大多数有机分子的基态是处于单重态的S0。分子吸收能量后,若分子在跃迁过程中不发生自旋方向的改变,这时分子处于激发单重态S1。如果分子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变,这时分子便具有两个自旋不配对的电子,即s=1,分子的多重度M=3,分子处于激发三重态T1。处于分立轨道上的非成对电子,平行自旋要比成对自旋更稳定些(洪特规则),因此三重态T1能级总是比相应的单重态S1能级略低。
图3.荧光和磷光发生过程的电子能级转换示意图。
荧光:光子的吸收使分子激发到第一激发态S1的若干振动能级之一,电子自旋守恒,S0和S1始终属于单重态。在激发态S1上的电子,通过振动弛豫(vr)先降低到激发态的最低振动能级,再通过发射光子返回基态S0,就会发生荧光。因为两种状态具有相同的自旋单重态,所以S1态衰减到S0是一种在量子力学理论范畴中被允许的跃迁,会导致在皮秒到纳秒时间尺度内发生的瞬间光致发光,即荧光[3]。一旦激发源被移除,荧光就会迅速衰减。
磷光:光子的吸收使分子激发到第一激发态S1后,有可能会发生了系统间交叉(ISC),其中处于激发态基态振动能级的分子进入具有不同自旋态的较低能量电子态的较高振动能级T1。处于三重电子激发态T1的分子,通过振动弛豫(vr)先降低到最低振动能级,然后当分子释放出光子而降低能量到基态时,就会产生磷光[4]。由于激发态T1和基态S0具有不同的自旋多重度,所以这一跃迁过程是被跃迁选择规则禁戒的,也称为禁戒跃迁。