Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 43 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
43
Dung lượng
342,5 KB
Nội dung
Trờng Đại học Vinh khoa vật lý ---------------------- Lu đức hoàn Nhữngtínhchấtquanghọcquantrọngcủaphốtphotinhthểvàsựpháthuỳnhquangcủaphốtpholoạisunfuakẽm Luận văn tốt nghiệp đại học ngành cử nhân khoa học vật lý VInh - 2006 1 mục lục Nội dung Tran g Mục lục 1 Mở đầu 2 Chơng I. Định nghĩa tínhchấthuỳnhquang 4 1.1. Định nghĩa về hiện tợng huỳnhquang 4 1.1.1. Hiện tợng huỳnhquang 4 1.1.2. Định nghĩa hiện tợng huỳnhquang 5 1.2. Tínhchấtcủa hiện tợng huỳnhquang . 5 1.2.1. Bản chấtcủa ánh sáng 5 1.2.2. Tínhchấtcủa hiện tợng huỳnhquang 6 1.3. Phân loại các dạng huỳnhquang theo tínhchấtcủanhững quá trình cơ bản gây ra sựphátquang 7 Chơng II. Nhữngtínhchấtquanghọcquantrọngcủaphốtphotinhthể . 10 2.1. Sơ lợc lịch sử về hiện tợng phátquangcủaphốtphotinhthể . 10 2.2. Thành phần và cấu tạo củaphốtphotinhthể 11 2.3. Phổ hấp thụ vàphổ bức xạ củaphốtphotinhthểSự liên hệ giữa phổ bức xạ vàphổ hấp thụ 13 2.3.1. Phổ hấp thụ củaphốtphotinhthể 13 2.4. ảnh hởng củanhững tác nhân bên ngoài vào thành phần củaphổ bức xạ . 17 2.5. Hiệu suất huỳnhquangcủaphốtphotinhthể . 18 2.6. Sự tăng dần và tắt dần của cờng độ phátquang 20 2.7. Khả năng tích luỹ củaphốtphotinhthể . 21 2.8. Những cơ sở của lý thuyết vùng để giải thích sựphátquangcủaphốtphotinhthể 22 2.9. Định luật tắt dần củasựphátquang kéo dài trongphốtphotinhthể 26 Chơng III. Phốtpholoạisunfuakẽm 29 3.1. Đặc tínhcủaloạiphốtphosunfuakẽm . 29 3.2. Phốtphosunfuakẽm với chất kích hoạt là Cu 31 3.2.1. Phổ bức xạ và hiệu suất huỳnhquang . 31 3.2.2. Đờng cong tắt dần 36 3.3. Phốtphosunfuakẽm với chất kích hoạt là Mn và Pb . 37 3.3.1. Phổ hấp thụ 37 3.3.2. Phổ bức xạ 37 3.3.3. Sự tơng tác của bức xạ Zn và Mn trongphốtphotinhthể ZnS.MnS 38 2 3.3.4. Phèt photinh thÓ víi chÊt kÝch ho¹t lµ Pb…………………………… 39 KÕt luËn .…………………………………………………………………… 40 Tµi liÖu tham .……………………………………………………………… 41 3 Mở đầu Nghiên cứu củahuỳnhquangcủa các chất là nghiên cứu về bài toán tơng tác giữa bức xạ với vật chất nói chung. Một số chất khi đợc chiếu bằng các bức xạ (ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại tia Rơnghen hay tia gamma .) thì nó sẽ phát ra bức xạ riêng có thành phần phổ khác với thành phần quangphổcủa ánh sáng tới và đợc xác định chỉ bởi thành phần hóa họcvà cấu tạo củachất đó. Bức xạ phát ra đợc gọi là bức xạ phát quang. Chính sự tơng tác giữa các Photon của bức xạ tới với các hạt vật chất (phân tử, nguyên tử, điện tử hay ion) dẫn tới sự chuyển mức của các hạt này, đồng thời giải phóng ra các bức xạ có bức sóng nằm trong một miền xác định. Các hiện tợng phátquang nói chung vàhuỳnhquangcủa một số chất nh các photpho tinhthể hay của photpho loạisunfuakẽm cũng nh các ứng dụng của chúng đã đợc nghiên cứu từ rất lâu bởi Vavilốp, Becquerel và nhiều nhà khoa học vật lý khác. Tuy nhiên trong chơng trình học, quá trình phátquangvà hiện tợng huỳnhquangcủa các chất cha đợc đề cập một cách có hệ thống với thời lợng thỏa đáng mà mới chỉ đợc giới thiệu tóm tắt trong phần quanghọc đại cơng. Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi mạnh dạn đặt vấn đề nghiên cứu về NhữngtínhchấtquanghọcquantrọngcủaphốtphotinhtinhthểvàSựpháthuỳnhquangcủaphốtpholoạisunfua kẽm. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đợc chia làm ba chơng chính nh sau: Chơng I. Định nghĩa, tínhchấtcủa hiện tợng huỳnhquang Nội dung của chơng này trình bày định nghĩa vàtínhchấtvà hiện tợng huỳnh quang. Các định nghĩa ở đây đợc trình bày theo các quan điểm của Vavilốp, theo kết quả thực nghiệm hay theo bản chấtcủa các quá trình tơng tác giữa bức xạ với các hạt vật chất. Trong chơng này cũng trình bày về các phơng pháp phân loại các dạng huỳnh quang. Chơng II. Nhữngtínhchấtquanghọcquantrọngcủa phốtpho tinhthể 4 Bắt đầu từ thành phần cấu tạo củaphốtphotinh thể, trong chơng này chúng tôi trình bày nhữngtínhchấtquantrọngcủaphốtphotinh thể, về phổ hấp thụ vàphổ bức xạ củanhững mối liên hệ giữa chúng. Nội dung của chơng này khẳng định bản chấtcủasựphátquangcủaphốtphotinhthểvà là phátquang tái hợp. Sử dụng lý thuyết truyền năng lợng để thiết lập công thức và dựa vào lý thuyết vùng năng l- ợng để giải thích bản chấtphátquangcủaphốtphotinhthể Chơng III. Sựpháthuỳnhquangcủa photpho sunfuakẽm Nội dung của chơng này chúng tôi nêu lên những đặc tính chung củaphốtpholoạisunfua kẽm. Và đi sâu vào xét cụ thểloạiphốtphosunfuakẽm với nhữngchất kích hoạt khác nhau, để tìm phổ bức xạ và hiệu suất huỳnhquangcủa từng loạichất kích hoạt đó. Do sự hạn chế về thời gian cũng nh về kiến thức, bản luận văn này cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy, cô giáo, các anh, chị và các bạn sinh viên để bản luận văn này đợc hoàn thiện hơn. Bản luận văn này đợc hoàn hiện nhờ quá trình phấn đấu của bản thân cộng với sự hớng dẫn tận tìnhcủa thầy giáo hớng dẫn Th.S. Nguyễn Văn Phú và các thầy, cô giáo trong khoa Vật Lý. Nhân dịp này cho phép em gửi lời chúc, lời cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ quý báu đó. Vinh, tháng 05 năm 2006 Sinh viên thực hiện Lu Đức Hoàn Chơng I 5 Định nghĩa tínhchấtcủa hiện tợng huỳnhquang 1.1.Định nghĩa về hiện tợng huỳnhquang 1.1.1-Hiện tợng huỳnhquang Có một chất khi đợc chiếu bằng các bức xạ (ánh sáng nhìn thấy tia tử ngoại, tia Rơnghen hay tia gamma .) thì nó sẽ phát ra các bức xạ riêng có thành phần khác với các thành phần quangphổcủa ánh sáng tới và đợc xác định bởi các thành phần hóa họcvà cấu tạo củachất đó đợc gọi là bức xạ phát quang. Theo thời gian phátquang ngời ta phân biệt hiện tợng phátquang thành hai dạng phát quang, dạng thứ nhất đợc gọi là sựhuỳnh quang, đó là sựphátquangvà thời gian phátquang cỡ 10 -8 s đến 10 -9 s và bé hơn. Dạng thứ hai đợc gọi là lân quang. Đây là hiện tợng phátquang có thời gian phátquang tơng đối lớn từ 10 -7 s đến hàng giờ. Theo Vavilốp thì hiện tợng phátquang đợc hiểu nh sau: Hiện tợng phátquangcủa một vật là sựphátnhững bức xạ d ngoài những bức xạ nhiệt củanhững vật đó ở cùng nhiệt độ trong miền quangphổ cho trớc và có thời gian phátquang lớn hơn 10 -10 s tức là không ngừng ngay sau khi thôi kích thích. Hiện tợng huỳnhquang là hiện tợng thờng xẩy ra ta thấy nhiều trong thiên nhiên. Trong thiên nhiên có nhiều chất có khả năng hấp thụ năng lợng bên ngoài và dùng năng lợng này để đa các phần tử của mình từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích, từ trạng thái kích thích các phần tử sẽ chuyển về trạng thái cơ bản và bức xạ ra ánh sáng. Các chất có khả năng biến các dạng năng lợng khác (điện năng, nhiệt năng .) sang dạng quang năng gọi là chấthuỳnh quang, còn sự bức xạ quanghọccủanhữngchấthuỳnhquang gọi là hiện tợng huỳnh quang. 1.1.2-Định nghĩa hiện tợng huỳnhquang 6 Thông thờng các bức xạ huỳnhquang nằm trong miền quanghọc nghĩa là các bức xạ huỳnhquang có bớc sóng nằm trong khoảng từ miền hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy cho đến miền tử ngoại. Nh vậy, huỳnhquang là bức xạ riêng không cân bằng củanhững phần tử ở trạng thái kích thích. Hai nhà bác học Viđôman và Vavilốp đã đa ra định nghĩa về hiện tợng huỳnhquang nh sau: Huỳnhquang là bức xạ còn d đối với bức xạ nhiệt trongtrờng hợp mà bức xạ còn d đó kéo dài trong khoảng thời gian 10 -10 s hoặc lớn hơn. Dùng định nghĩa này chúng ta có thể xác định đợc bản chấtcủaphátquang chẵng hạn, nhiều chấthuỳnhquang ở nhiệt độ phòng phát ra ánh sáng trong vùng nhìn thấy hoặc là miền tử ngoại trong khi đó vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ trong bức xạ của nó không chứa tia tử ngoại hay ánh sáng nhìn thấy. Nh vậy nếu ở nhiệt độ phòng một vật bức xạ ánh sáng nhìn thấy đợc chác chắn nguồn gốc bức xạ không phải là bức xạ nhiệt mà là bức xạ huỳnh quang. 1.2.Tính chấtcủa hiện tợng huỳnhquang 1.2.1- Bản chấtcủa ánh sáng Từ các hiện tợng mà ánh sáng gây ra khi tơng tác với môi trờng vật chấtvà các thuyết giải thích các hiện tợng đó, chúng ta có thể khẳng định rằng ánh sáng có lỡng tính sóng - hạt. Tínhchất sóng của ánh sáng thể hiện trên các hiện tợng nh giao thoa, nhiễu xạ, phân cực, hấp thụ hay tán xạ, tán sắc ánh sáng . các hiện tợng trên xuất hiện khi ánh sáng tơng tác với môi trờngchấtvà chỉ có thể giải thích đợc khi công nhận rằng, ánh sáng có tínhchất sóng.Thuyết điện từ về ánh sáng của Maxwell cũng đã giải thích thành công các hiện tợng này. Về tínhchất hạt của ánh sáng, thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài của Stoletov cho thấy, khi ánh sáng có bớc sóng thích hợp đợc chiếu vào bề mặt của một kim loại thì có sự giải phóng ra các êlectron. Ngoài ra các hiện tợng xuất hiện ở trong hiệu ứng compton khi quan sát sự tán xạ của tia x đơn sắc trên tinhthể 7 graphit cho thấy, chỉ có thể giải thích đợc các hiện tợng đó khi ta thừa nhận ánh sáng phát ra rời rạc, gián đoạn và thành từng phần có năng lợng xác định, nghĩa là ánh sáng là các hạt. Rõ ràng sựphát ra bức xạ riêng khi chiếu ánh sáng vào một số chất cũng cho thấy rằng ánh sáng có tínhchất hạt. Điều này nghĩa là hiện tợng phátquang cũng thể hiện lỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Trong hiện tợng phátquang thì huỳnhquang là một trờng hợp phátquang có thời gian phátquang kéo dài cỡ từ 10 -8 s đến 10 -9 s và có thể bé hơn nữa. Chúng ta sẽ đi khảo sát cụ thể hiện tợng phátquang này. 1.2.2- Tínhchấtcủa hiện tợng huỳnhquangSự bức xạ năng lợng khi ánh sáng tơng tác với môi trờngchất đợc giải thích theo sơ đồ sau: Hình 1.1 Mô tả quá trình chuyển mức và bức xạ của hệ l ợng tử Trên hình ( 1.1 ) của mức 0, 0 là những mức dao động thấp của trạng thái cơ bản I và trạng thái cơ bản II của phần tử. Mỗi một giá trị nhất định của năng l- ợng điện tử sẽ ứng với một giá trị khả dĩ của năng lợng dao động. Nếu bỏ qua năng lợng quay thì ở hai trạng thái trên ta sẽ có một số mức năng lợng 0, 1, 2 và 0,1,2. Các giá trị năng lợng này là tổng của năng lợng điện tử và năng lợng dao động. 8 2 II I h 1 0 2 0 1 2 Năng lợng nguyên tử là tổng hợp của các năng lợng: năng lợng điện tử, năng l- ợng dao động của hạt nhân và năng lợng quay, vì năng lợng quay là bé nên có thể bỏ qua, trên hình vẽ biểu diễn các mức năng lợng ứng với các trạng thái I và II khi bỏ qua năng lợng quay. Theo phân bố Bônxơman sự phân bố mật độ các hạt trên các mức có dạng: N=N 0 exp {- E i / kT } ( 1.1 ) Trong đó: N i - Số phần tử trên mức i. N o - Số phần tử có trong đơn vị thể tích. E i - Là năng lợng ở mức i. k - Là hằng số Bônxơman. T Là nhiệt độ tuyệt đối của hệ. Theo công thức ( 1.1 ) khi kT<<E i thì N i = 0, điều này có nghĩa là bình thờng (ở nhiệt độ phòng) phần lớn các phân tử nằm ở mức cơ bản (mức dao động thấp nhất) do vậy, ở điều kiện bình thờng vật chất là bền vững các phân tử nằm ở mức có năng lợng thấp nhất. Khi hấp thụ năng lợng bên ngoài, nhiệt độ tăng lên, các phân tử chuyển từ mức có năng lợng thấp lên mức có năng lợng cao hơn, sống một thời gian ngắn ở đó, sau đó chúng chuyển về mức có năng lợng thấp hơn, đồng thời giải phóng ra năng lợng dới dạng bức xạ huỳnh quang. 1.3. Phân loại các dạng huỳnhquang theo tínhchấtcủanhững quá trình cơ bản gây ra sựphátquang Dựa vào tínhchấtcủa các quá trình cơ bản gây ra sựphát quang, ngời ta phân loại các dạng huỳnhquang nh sau: * Phân loại theo tínhchất động họccủanhững quá trình xảy ra trongchấthuỳnh quang. * Phân loại theo thời gian phátquang kéo dài. * Phân loại theo các phơng pháp kích thích. * Phân loại theo tínhchất hoá học. 9 Theo kết quả thực nghiệm thì có thể chia phátquang thành 2 loại đó là phátquangcủanhững tâm bất liên tục vàphátquang tái hợp. Phátquangcủanhững tâm bất liên tục là loạiphátquang mà những quá trình diễn ra từ khi hấp thụ năng lợng đến khi bức xạ đều xảy ra trong cùng một tâm nhất định, tâm này có thể phân tử tập hợp các phần tử hay các ion. Những quá trình xảy ra trongnhững tâm bất liên tục là hoàn toàn độc lập đối với nhau và tơng tác giữa các tâm bất liên tục với nhau cũng nh ảnh hởng của môi trờng ngoài lên các tâm đó là không đáng kể. Phátquang tái hợp, đây là loạiphátquangtrong đó những quá trình chuyển hoá năng lợng kích thích sang bức xạ huỳnhquang đều có sự tham gia của toàn bộ chấthuỳnh quang, trongtrờng hợp này, vị trí kích thích không trùng với vị trí bức xạ, sự trao đổi năng lợng từ vị trí kích thích sang vị trí bức xạ phải qua những quá trình trung gian, những quá trình này liên quan đến sự dịch chuyển của các hạt mang điện nh : điện tử, lỗ trống hay các ion. Theo Vavilốp thì có thể chia làm 3 loạiphátquang nh sau: * Phátquang tự phát: quá trình này xảy ra khi phân tử ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản do tác dụng củatrờng nội tại cuả phân tử. Đặc điểm của quá trình này là sựphátquang không phụ thuộc gì vào tác dụng của yếu tố bên ngoài. * Phátquang cỡng bức: Trong quá trình này sựphátquang xảy ra do tác dụng củanhững yếu tố bên ngoài. Quá trình phátquang cỡng bức gồm 2 giai đoạn: Trong giai đoạn thứ nhất các điện tử sẽ chuyển từ mức siêu bền lên mức kích thích (trên hình vẽ 1.2 là từ mức 2 lên mức 3) dới tác dụng của bên ngoài, chẳng hạn dới tác dụng của ánh sáng kích thích có tần số xác định, lên mức 3. Trong giai đoạn thứ hai, các điện tử chuyển từ mức 3 về mức 1, đồng thời gây ra hiện tợng phát quang: 10 3 2 1 h . quan trọng của phốt pho tinh thể 11 Huỳnh quang Phát quang của những tâm bất liên tục Phát quang tái hợp Phát quang tự phát Phát quang cư ỡng bức Phát quang. dạng huỳnh quang theo tính chất của những quá trình cơ bản gây ra sự phát quang 7 Chơng II. Những tính chất quang học quan trọng của phốt pho tinh thể . 10