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荧光
指冷光现象。当常温物质受到一定波长的入射光(通常是紫外线或X射线)照射时,吸收光能后会进入激发态,并立即去激发,发出比入射光波长更长的出射光(通常在可见光波段);许多荧光物质一旦停止入射光,发光现象立即消失。具有这种性质的发射光称为荧光。
冷光
只发光不发热。有实验表明,正常状态下健康人的左右体表发光强度是对称的,而不同疾病患者的左右体表有一个或几个不对称的发光部位,称为病理发光信息点。比如感冒患者拇指尖有变化;高血压患者只在指尖;面瘫患者只在指尖;冠心病患者同时有两个发光信息点。脑血管意外患者有三种变化,...诸如此类。这些病理发光信息点的不平衡往往与中医的经络学说、脏腑学说、气血学说密切相关,似乎与医学信息论中剩余的基本意向信息的变化相一致。失衡的程度与疾病的严重程度和疗效有一定的数量关系。因此,冷光信息可以用来诊断疾病、观察疗效、判断预后等等。经针刺治疗后,患者的病理发光信息明显由不对称变为对称,证实了针刺对人体的调节作用。除了体表,人体其他部位也会发光。例如,血液的发光可以用于诊断炎症。根据苏联的研究,通过测量血液的发光强度,可以在20分钟内诊断出炎症的性质。当人体出现炎症时,血浆发光增强,在炎症的不同阶段,发光的强度不同。以前因为发光强度很弱,不容易测量,他们加入亚铁离子后,发光强度增强,用光电倍增管测试仪就可以很容易地测得光谱曲线。
光
能量守恒是自然界的基本原理,光本身也是一种能量,荧光的发射也来源于能量的转换。人类可见的光的波长约为400~700纳米,光(电磁波)的每一个波长或频率都可以对应量子光能或光子能──hν,其中H为普朗克常数,ν为电磁波频率。科学家经常用电子伏特(eV)来表示光的能量单位。1eV相当于一个带1.6×10-19库仑电荷的电子被1伏电位差加速所获得的动能(1.6×10-19焦耳)。紫光(400 nm)的光子能量约为3.1电子伏,而红光(700 nm)的光子能量约为1.8电子伏。
物质由原子组成。周期表列出了每种元素的电子数。根据包含不相容原理,电子可以从最低能量轨道或能级被填满。大部分我们熟悉的物质都不是单个原子,而是由几个原子组成或者周期性排列成晶体的分子。相互靠近的原子会形成不同的能级甚至能带,这是由各个原子之间的电子相互作用造成的。基态是指所有电子都处于最低能级的状态,而其他具有额外能量的状态一般称为“电子激发态”。当电子受到额外的能量到激发态时,电子通过发光的方式将能量释放回基态,这种方式发出的光可以广义地称为“荧光”。处于激发态的电子不一定要发光释放能量,也可以转化为热量,比如转移动能引起原子扰动,温度上升。在许多情况下,光和热都存在。当一个电子处于激发态时,它的一部分能量首先被热释放出来,然后光被释放出来,释放出来的光子能量就是能级之间的能量差。
荧光的科学定义
在科学上,荧光和磷光是通过电子停留在激发态的时间来区分的。一般来说,产生荧光的电子停留在激发态的时间为几纳秒(10-9秒)。如果电子停留超过微秒,它将被称为磷光。比如夜明珠在白天吸收光能后,电子处于激发态的时间以分钟计算,在黑暗中可以看到夜明珠缓慢释放电子到基态产生磷光。手表也经常使用磷光材料来帮助他们在黑暗中看时间。如果用荧光材料,只要没有光,所有电子都会在1微秒内释放能量发出荧光,这样就看不到亮光了。或者科学上所指的荧光,大多是利用光使电子达到激发态,然后发出荧光,称为“光致发光”。该材料吸收能量较高的光,如蓝光(2.8电子伏)使电子跃迁到激发态,电子通过能量损失发出能量较低的光,如绿光(2.4电子伏)。
除了光,还有其他方法让电子进入激发态。例如,荧光棒的内管和外管含有过氧化氢、酯化合物和荧光染料。当管壁弯曲破裂时,化合物之间的化学反应会继续将染料中的电子激发到激发态而发光,这就是所谓的“化学发光”。电子借助LED电流注入到发光材料发出的荧光中,称为“电致发光”。如果电子在true 空中直接发射到物质中发出荧光,称为“阴极发光”。萤火虫发出的光叫生物发光,其实就是化学荧光。荧光物质吸收能量后,大部分能量可以以光的形式释放出来,所以温度不会上升太多,也就是所谓的冷光。有时科学上用“发光”来避免讨论发光机理。
荧光的应用
日常生活中俗称的荧光,指的是可见光。比如LED就是利用发光材料发出荧光,属于“电致发光”。日常生活中常用LED,蓝色LED获得2014年诺贝尔物理学奖,使LED适用于白光照明。目前市面上的LED白光灯泡都是利用蓝色LED激发荧光粉中的电子,光致发光产生黄光,与原来的蓝光混合形成白光。荧光灯管、节能灯等。市场上通过电视管壁中的汞蒸汽发射具有高光子能量的紫外线。管壁内的磷荧光物质吸收紫外线后可发出可见光,也可通过光致发光产生白光。
LED屏幕
荧光棒也广泛用于娱乐目的,人类很容易被美丽多彩的灯光吸引。例如,人们喜欢在节日里把不同颜色的灯泡串在一起装饰。电脑、电视、手机、平板电脑等屏幕也可以属于娱乐范围。早期的CRTTV和大尺寸等离子电视,真空中发射的电子直接撞击不同的发光材料,通过“阴极荧光”混合出不同的颜色。目前,液晶屏中的液晶本身并不发光,而是用来控制光透射的强度。因此,有必要将白色背光的颜色与红色、绿色和蓝色滤光片混合。市面上所谓的led液晶屏,是指背光用的LED白光光源,并不是直接由三种不同颜色的LED组成。通过用发出不同颜色光的材料制造LED,有机发光二极管屏幕可以直接混合颜色。有机发光二极管的o指的是有机,即有机发光材料制成的LED(lightemittingdiode)。市场上也在推出量子点屏幕,利用无机LED的蓝光,通过“光致发光”激发不同的量子点发出不同颜色的光。
光也可以作为“信号”。比如古代的烽火台,就是用火来传递敌人进攻的信号。当然,现在已经不需要手持火炬传递信号了。比如电脑、电器里面就有很多“指标”。电源接通时,绿灯亮,电源断开时,红灯亮。广义来说,屏幕也可以作为一个智能的“指示器”。介绍到这里,你大概能感受到LED发出的“电致发光”在生活周围的应用有多广泛!当然,“光致发光”在生活中还有很多应用,比如有害的荧光物质残留。用紫光照射可以分辨出有没有荧光物质。为了视觉效果,这种无毒的荧光剂常被添加到白色的衣服和纸中,它吸收紫外线,发出蓝光,在阳光下可以提高视觉白度和亮度。这种荧光物质对人体无害。
科学研究中经常使用荧光物质来校准不发光的物质。例如,许多细胞不发光。在“荧光显微镜”中,荧光分子附着在生物细胞中的一些分子上。在激光的照射下,荧光分子可以显示某些细胞分子的位置。因此,许多具有高“荧光”率的染料分子被开发用于生物用途。在荧光显微镜技术中,可以用不同颜色的染料进行校准,同时观察不同的颜色来区分不同的细胞分子。一般来说,细胞被染色后就失去了活力,只能观察到死亡细胞的行为。2008年,诺贝尔化学奖表彰了绿色荧光蛋白(GFP)的发现,科学家们进一步开发出具有不同颜色荧光的蛋白质。水母发光蛋白很重要,因为它可以使细胞发光而不丧失活力。生命的许多奥秘,不是从“身体”结构上,而是从生命的动态中可以观察到的。因此,使活细胞发出荧光是一个重要的贡献,使生命科学家能够用荧光显微镜研究活细胞。
未来方向
人眼是最直接最自然的探测器,可以分辨颜色和位置,不需要额外的探测器就能给生活增添便利。虽然“荧光”应用广泛,但“荧光”其实更方便,因为它可以发光,不需要用电线和其他附加物质接触物体。比如,笔者最近听说了一种利用荧光蛋白将特殊细菌转化为发光体的技术。这些细菌可以移动到土壤中的矿上,并留下来生存,所以它们会在阳光下或光线下发光。所以人类能在远处发现地雷的存在,也是一种“信号”。或许读者也可以从“信号”的角度思考如何让荧光物质有新的应用。