Trờng Đại học Vinh khoa vật lý ---------------------- Lu đức hoàn Những tính chất quang học quan trọng của phốt pho tinh thể và sự phát huỳnh quang của phốt pho loại sunfua kẽm 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 tính chất huỳnh quang 4 1.1. Định nghĩa về hiện tợng huỳnh quang 4 1.1.1. Hiện tợng huỳnh quang 4 1.1.2. Định nghĩa hiện tợng huỳnh quang 5 1.2. Tính chất của hiện tợng huỳnh quang . 5 1.2.1. Bản chất của ánh sáng 5 1.2.2. Tính chất của hiện tợng huỳnh quang 6 1.3. Phân loại các 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 2.1. Sơ lợc lịch sử về hiện tợng phát quang của phốt pho tinh thể . 10 2.2. Thành phần và cấu tạo của phốt pho tinh thể 11 2.3. Phổ hấp thụ và phổ bức xạ của phốt pho tinh thể Sự liên hệ giữa phổ bức xạ và phổ hấp thụ 13 2.3.1. Phổ hấp thụ của phốt pho tinh thể 13 2.4. ảnh hởng của những tác nhân bên ngoài vào thành phần của phổ bức xạ . 17 2.5. Hiệu suất huỳnh quang của phốt pho tinh thể . 18 2.6. Sự tăng dần và tắt dần của cờng độ phát quang 20 2.7. Khả năng tích luỹ của phốt pho tinh thể . 21 2.8. Những cơ sở của lý thuyết vùng để giải thích sự phát quang của phốt pho tinh thể 22 2.9. Định luật tắt dần của sự phát quang kéo dài trong phốt pho tinh thể 26 Chơng III. Phốt pho loại sunfua kẽm 29 3.1. Đặc tính của loại phốt pho sunfua kẽm . 29 3.2. Phốt pho sunfua kẽm với chất kích hoạt là Cu 31 3.2.1. Phổ bức xạ và hiệu suất huỳnh quang . 31 3.2.2. Đờng cong tắt dần 36 3.3. Phốt pho sunfua kẽm 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 trong phốt pho tinh thể ZnS.MnS 38 2 3.3.4. Phèt pho tinh thÓ víi chÊt kÝch ho¹t lµ Pb…………………………… 39 KÕt luËn .…………………………………………………………………… 40 Tµi liÖu tham .……………………………………………………………… 41 3 Mở đầu Nghiên cứu của huỳnh quang của 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 quang phổ của ánh sáng tới và đợc xác định chỉ bởi thành phần hóa học và cấu tạo của chất 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 phát quang nói chung và huỳnh quang của một số chất nh các photpho tinh thể hay của photpho loại sunfua kẽm 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 phát quang và hiện tợng huỳnh quang của 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 quang học đại cơng. Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi mạnh dạn đặt vấn đề nghiên cứu về Những tính chất quang học quan trọng của phốt pho tinh tinh thể và Sự phát huỳnh quang của phốt pho loại sunfua kẽm. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đợc chia làm ba chơng chính nh sau: Chơng I. Định nghĩa, tính chất của hiện tợng huỳnh quang Nội dung của chơng này trình bày định nghĩa và tính chất và 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 chất của 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. Những tính chất quang học quan trọng của phốtpho tinh thể 4 Bắt đầu từ thành phần cấu tạo của phốt pho tinh thể, trong chơng này chúng tôi trình bày những tính chất quan trọng của phốt pho tinh thể, về phổ hấp thụ và phổ bức xạ của những mối liên hệ giữa chúng. Nội dung của chơng này khẳng định bản chất của sự phát quang của phốt pho tinh thể và là phát quang 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 chất phát quang của phốt pho tinh thể Chơng III. Sự phát huỳnh quang của photpho sunfua kẽm Nội dung của chơng này chúng tôi nêu lên những đặc tính chung của phốt pho loại sunfua kẽm. Và đi sâu vào xét cụ thể loại phốt pho sunfua kẽm với những chất kích hoạt khác nhau, để tìm phổ bức xạ và hiệu suất huỳnh quang của từng loại chất 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 tình của 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 tính chất của hiện tợng huỳnh quang 1.1.Định nghĩa về hiện tợng huỳnh quang 1.1.1-Hiện tợng huỳnh quang 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 quang phổ của ánh sáng tới và đợc xác định bởi các thành phần hóa học và cấu tạo của chất đó đợc gọi là bức xạ phát quang. Theo thời gian phát quang ngời ta phân biệt hiện tợng phát quang thành hai dạng phát quang, dạng thứ nhất đợc gọi là sự huỳnh quang, đó là sự phát quang và thời gian phát quang cỡ 10 -8 s đến 10 -9 s và bé hơn. Dạng thứ hai đợc gọi là lân quang. Đây là hiện tợng phát quang có thời gian phát quang tơng đối lớn từ 10 -7 s đến hàng giờ. Theo Vavilốp thì hiện tợng phát quang đợc hiểu nh sau: Hiện tợng phát quang của một vật là sự phát những bức xạ d ngoài những bức xạ nhiệt của những vật đó ở cùng nhiệt độ trong miền quang phổ cho trớc và có thời gian phát quang lớn hơn 10 -10 s tức là không ngừng ngay sau khi thôi kích thích. Hiện tợng huỳnh quang 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 chất huỳnh quang, còn sự bức xạ quang học của những chất huỳnh quang gọi là hiện tợng huỳnh quang. 1.1.2-Định nghĩa hiện tợng huỳnh quang 6 Thông thờng các bức xạ huỳnh quang nằm trong miền quang học nghĩa là các bức xạ huỳnh quang có bớc sóng nằm trong khoảng từ miền hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy cho đến miền tử ngoại. Nh vậy, huỳnh quang là bức xạ riêng không cân bằng của những phần tử ở trạng thái kích thích. Hai nhà bác học Viđôman và Vavilốp đã đa ra định nghĩa về hiện tợng huỳnh quang nh sau: Huỳnh quang là bức xạ còn d đối với bức xạ nhiệt trong trờng 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 chất của phát quang chẵng hạn, nhiều chất huỳnh quang 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 chất của hiện tợng huỳnh quang 1.2.1- Bản chất của ánh sáng Từ các hiện tợng mà ánh sáng gây ra khi tơng tác với môi trờng vật chất và các thuyết giải thích các hiện tợng đó, chúng ta có thể khẳng định rằng ánh sáng có lỡng tính sóng - hạt. Tính chất 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 trờng chất và chỉ có thể giải thích đợc khi công nhận rằng, ánh sáng có tính chất sóng.Thuyết điện từ về ánh sáng của Maxwell cũng đã giải thích thành công các hiện tợng này. Về tính chất 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 tinh thể 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 sự phát ra bức xạ riêng khi chiếu ánh sáng vào một số chất cũng cho thấy rằng ánh sáng có tính chất hạt. Điều này nghĩa là hiện tợng phát quang cũng thể hiện lỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Trong hiện tợng phát quang thì huỳnh quang là một trờng hợp phát quang có thời gian phát quang 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 phát quang này. 1.2.2- Tính chất của hiện tợng huỳnh quang Sự bức xạ năng lợng khi ánh sáng tơng tác với môi trờng chất 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 huỳnh quang theo tính chất của những quá trình cơ bản gây ra sự phát quang Dựa vào tính chất của các quá trình cơ bản gây ra sự phát quang, ngời ta phân loại các dạng huỳnh quang nh sau: * Phân loại theo tính chất động học của những quá trình xảy ra trong chất huỳnh quang. * Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài. * Phân loại theo các phơng pháp kích thích. * Phân loại theo tính chất hoá học. 9 Theo kết quả thực nghiệm thì có thể chia phát quang thành 2 loại đó là phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang tái hợp. Phát quang của những tâm bất liên tục là loại phát quang 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 trong những 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. Phát quang tái hợp, đây là loại phát quang trong đó những quá trình chuyển hoá năng lợng kích thích sang bức xạ huỳnh quang đều có sự tham gia của toàn bộ chất huỳnh quang, trong trờng 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 loại phát quang nh sau: * Phát quang tự phát: quá trình này xảy ra khi phân tử ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản do tác dụng của trờng nội tại cuả phân tử. Đặc điểm của quá trình này là sự phát quang không phụ thuộc gì vào tác dụng của yếu tố bên ngoài. * Phát quang cỡng bức: Trong quá trình này sự phát quang xảy ra do tác dụng của những yếu tố bên ngoài. Quá trình phát quang 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