Номер 1184, страница 156 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

1184. Стеклянный баллон лампы дневного света покрывают с внутренней стороны люминофором — веществом, которое при облучении фиолетовым или ультрафиолетовым светом даёт спектр, близкий к солнечному. Объяснить причину явления.

Решение

Явление, описанное в задаче, называется люминесценцией, а точнее — фотолюминесценцией (или флуоресценцией). Оно заключается в способности вещества (люминофора) поглощать энергию в виде света одной длины волны и затем излучать её в виде света другой, как правило, большей длины волны. Этот процесс объясняется на основе квантовой теории строения атома.

1. Атомы люминофора поглощают фотоны фиолетового или ультрафиолетового света. Эти фотоны обладают высокой энергией, так как энергия фотона $E$ обратно пропорциональна длине волны $\lambda$ и прямо пропорциональна частоте $\nu$: $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$, где $h$ — постоянная Планка, а $c$ — скорость света. Ультрафиолетовый свет имеет короткую длину волны и, соответственно, высокую энергию фотонов.

2. Поглотив фотон, электрон в атоме люминофора переходит на более высокий энергетический уровень. Атом оказывается в возбужденном состоянии.

3. Это возбужденное состояние является неустойчивым, и электрон стремится вернуться на свой первоначальный, более низкий энергетический уровень (в основное состояние). Возврат может происходить не одним скачком, а через несколько промежуточных энергетических уровней. При каждом таком переходе "вниз" атом излучает фотон.

4. Энергия излучённого фотона $E_{изл}$ равна разности энергий между уровнями, между которыми совершается переход. Так как часть поглощенной энергии может быть потеряна нерадиационно (например, на колебания кристаллической решетки, то есть в тепло) или возврат в основное состояние происходит ступенчато, то энергия каждого излучённого фотона оказывается меньше энергии поглощенного фотона: $E_{изл} < E_{погл}$.

5. Согласно формуле $E = hc/\lambda$, меньшей энергии фотона соответствует большая длина волны. Таким образом, люминофор преобразует невидимое коротковолновое ультрафиолетовое излучение в видимый свет с большей длиной волны.

Для того чтобы итоговое излучение имело спектр, близкий к солнечному (то есть было белым), в качестве люминофора используют смесь нескольких веществ. Каждое вещество в смеси испускает свет в своей определенной части видимого спектра (например, красной, зеленой и синей). Совокупность этих излучений воспринимается человеческим глазом как белый свет.

Ответ: Причиной явления является фотолюминесценция. Атомы люминофора поглощают высокоэнергетические фотоны ультрафиолетового света, переходя в возбужденное состояние. Затем они возвращаются в основное состояние, излучая фотоны с меньшей энергией, что соответствует свету с большей длиной волны, который находится в видимой части спектра. Использование смеси различных люминофоров позволяет получить суммарный спектр излучения, близкий к спектру солнечного света.