Номер 4, страница 248 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

4. Какова природа фото- и электролюминесценции?

Фотолюминесценция и электролюминесценция — это два вида люминесценции (холодного свечения), которые различаются по способу возбуждения атомов или молекул вещества (люминофора), приводящего к излучению света. В обоих случаях природа явления квантовая и связана с переходами электронов между энергетическими уровнями в атомах.

Фотолюминесценция

Это свечение, возникающее под действием падающего на вещество света (фотонов). Природа этого явления заключается в следующем процессе:

1. Поглощение. Атом или молекула вещества поглощает фотон света. Энергия поглощенного фотона $E_{погл} = h\nu_1$ переводит электрон в атоме с основного энергетического уровня $E_0$ на один из возбужденных уровней $E_1$.

2. Релаксация и излучение. Атом находится в возбужденном состоянии очень короткое время (порядка $10^{-8}$ с). Затем он самопроизвольно возвращается в основное состояние. Этот переход может происходить либо сразу на основной уровень, либо через промежуточные уровни. При переходе электрона с возбужденного уровня на более низкий уровень излучается новый фотон с энергией $E_{изл} = h\nu_2$. Как правило, часть поглощенной энергии теряется на неоптические процессы (например, переходит в тепловую энергию колебаний кристаллической решетки), поэтому энергия излученного фотона меньше энергии поглощенного ($E_{изл} < E_{погл}$), а его длина волны, соответственно, больше ($ \lambda_{изл} > \lambda_{погл}$). Это явление известно как закон Стокса.

Ответ: Природа фотолюминесценции заключается в поглощении веществом квантов света (фотонов), что приводит к переходу его атомов в возбужденное состояние, с последующим испусканием квантов света при возвращении атомов в основное состояние.

Электролюминесценция

Это свечение, возникающее при пропускании через вещество электрического тока или при воздействии на него сильного электрического поля. Источником энергии для возбуждения атомов служит электричество.

Наиболее распространенный пример — свечение светодиодов (LED). Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом. При подаче на p-n переход прямого напряжения электрическое поле вызывает инжекцию носителей заряда: электроны из n-области и дырки (вакантные места для электронов) из p-области перемещаются навстречу друг другу в активную зону перехода.

В активной зоне происходит их рекомбинация — встреча и «уничтожение» электронов и дырок. Электрон, переходя из зоны проводимости в валентную зону, занимает место дырки. При этом высвобождается энергия, равная примерно ширине запрещенной зоны полупроводника $E_g$. В люминесцирующих полупроводниках (например, арсенид галлия) эта энергия выделяется в виде кванта света — фотона. Энергия (а значит, и цвет) излученного фотона определяется материалом полупроводника: $E_{изл} \approx E_g$.

Ответ: Природа электролюминесценции заключается в преобразовании электрической энергии в световую. Возбуждение атомов вещества происходит за счет энергии электрического поля или тока, например, в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках или соударений ускоренных полем электронов с атомами.