 | Фотохромизм |  |
Обратимое изменение спектра поглощения вещества под действием оптического излучения
Описание Многие вещества под действием электромагнитного излучения, в частности рентгеновского и сверхвысокочастотного, изменяют свою окраску. Явление фотохромизма связывается с воздействием на вещества электромагнитного излучения оптического диапазона в широком смысле, т.е. под действием оптического, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Явление фотохромизма объясняется переходом вещества при поглощении света из основного состояния, называемого состоянием A, в т.н. фотоиндуцированное состояние B, для которого характерен иной спектр поглощения света, чем в состоянии A. Фотоиндуцированное состояние B, в которое под действием света переходят некоторые вещества под действием света, имеет определённое время жизни (»10-8 сек.), по истечении которого происходит самопроизвольный обратный переход в состояние A за счёт внутренней энергии вещества. Процесс перехода из состояния B в состояние A может происходить в достаточно широком временном интервале от 10-6 сек. до нескольких месяцев и убыстряться под действием внешних источников тепла и света, поглощаемых веществом в фотоиндуцированном состоянии B. Вещества, в которых наблюдается фотохромизм, называются фотохромными. Для наблюдения явления фотохромизма можно поставить следующий опыт. Параллельный пучок с произвольным состоянием поляризации, в частности, линейно поляризованного естественного света проходит через прозрачное фотохромное вещество (ФВ), предварительно подсвеченного лазерным излучением определённой длины волны., например ультрафиолетовое излучение, которое может быть получено с помощью ультрафиолетового лазера на парах кадмия (Kd) или аргонового (Ar) лазера. Выбор длины волны подсвечивающего лазерного излучения определяется спектром поглощения kA(l) ФВ и должно соответствовать максимуму полосы поглощения основного состояния А. Вследствие явления фотохромизма ФВ переходит в фотоиндуцированное состояние B. В состоянии B ФВ имеет свой спектр поглощения kB(l), отличный от спектра поглощения kA(l) в состоянии А. В частности, полосы поглощения в состоянии А и B могут быть разнесены по длинам волн или частично перекрываться. Для примера на рис. 1 приведены спектры поглощения в состоянии A и B для поликристаллического слоя салицилиденанилина. Изменение спектра поглошения при фотохромном эффекте 
Рис. 1 1 - спектр поглощения поликристаллического слоя салицилиденанилина в основном состоянии (состояние A); 2 - спектр поглощения поликристаллического слоя салицилиденанилина в фотоиндуцированном состоянии (состояние B). В результате при прохождении света через подсвеченное ФВ будут подавлены те его спектральные составляющие, которые соответствуют полосе поглощения ФВ в состоянии B. В этом случае экран S окажется окрашенным. Цвета окраски определяются положением полосы поглощения ФВ в состоянии B в спектре видимого света. Физическая причина появления окраски ФВ может быть обусловлена различными механизмами перехода ФВ в фотоиндуцированное состояние под действием внешнего источника света. Основными из них являются следующие: а) химический фотохромизм; б) физический фотохромизм. Химический фотохромизм в органических веществах является следствием межмолекулярных и внутримолекулярных обратимых фотохимических реакций, в результате которых либо перестраиваются валентные связи, либо изменяется конфигурация молекул. Химический фотохромизм в неорганических веществах проявляется из-за обратимых процессов фотодиссоциации соединений, а также обратимых процессов фотопереноса электронов, сопровождающихся изменением валентности ионов кристаллов и появлением центров окраски различного типа. Физический фотохромизм ряда органических веществ имеет место при переходе света из основного синглетного состояния в возбуждённое синглетное или триплетное состояния. Изменение окраски в этом случае связано с изменением заселённости электронных уровней. Такой фотохромизм наблюдается только под действием мощных световых потоков. При действии мощного лазерного излучения на ФВ наблюдается также многофотонный фотохромизм, состоящий в переводе ФВ в фотоиндуцированное состояние под действием света с частотой много ниже самого низко энергетического перехода. Условием наблюдения многофотонного фотохромизма является превышение суммы энергий фотонов, участвующих в переводе ФВ в фотоиндуцированное состояние, разности значений энергии уровней, между которыми происходит переход. Двухфотонный фотохромизм наблюдался в жидких и твёрдых растворах пироспиранов и в поликристаллических порошках салицилиденанилина. Из сказанного следует, что окрашивание ФВ при прохождении света через него имеет место вследствие изменения спектра поглощения k(l) ФВ при переходе в фотоиндуцированное состояние под действием проходящего излучения. В результате поглощение различных спектральных компонент проходящего света будет неодинаковым, поскольку им соответствуют различные коэффициенты поглощения g(l), зависящие от соответствующей длины волны l. Вследствие этого и на основании закона Бугера - Ламберта отношение интенсивности двух спектральных составляющих проходящего света I (l1), соответствующей длине волны l1 внутри фотоиндуцированной полосы поглощения Dl, и I (l2), соответствующей длине волны l2 вне фотоиндуцированной полосы поглощения, по мере распространения в ФВ будет затухать экспоненциально для коэффициентов поглощения k(l1)>k(l2): I (l1)/ I(l2) =( I01/I02) exp(-(k(l1)-k(l2 )) x), (1) где I01 и I02 - интенсивности соответствующие длинам волн l1 обыкновенного и l2 спектральных составляющих света перед прохождением ФВ. Отметим, также, что, в соответствии с формулой (1) явление фотохромизма, главным образом, проявляется в полосах поглощения ФВ, т.е. спектральные составляющие с длинами волн lНDl будут отсутствовать в спектре света, прошедшего ФВ. Соответственно из-за рассеяния света на неоднородностях ФВ его окраска не будет содержать поглощённых спектральных компонент света. Этот результат составляет содержание явления фотохромизма. Явление фотохромизма широко используется в оптике, оптоэлектронике и голографии. В частности, явление фотохромизма применяется в устройствах регистрации, обработки и хранения оптической информации, устройствах модуляции оптического излучения (лазерный затворы). Временные характеристики Время инициации (log to от -9 до -8); Время существования (log tc от -6 до 7); Время деградации (log td от -6 до 7); Время оптимального проявления (log tk от -9 до -8). Диаграмма: 
Технические реализации эффекта Адаптивный светофильтр Техническая реализация - адаптивный светофильтр, пропускание которого уменьшается по мере увеличения интенсивности проходящего через него света на основе явления фотохромизма, представлено на рис. 2. Адаптивный светофильтр 
Рис. 2 На пути распространения произвольно поляризованого светового пучка 1, интенсивность которого может меняться, помещается линза 2, расширяющая пучок, и прозрачное фотохромное вещество 3 (например, фотохромное стекло, содержащее микрокристаллы галогенидов серебра - AgCl , AgBr и др.), спектр поглощения которого в фотоиндуцированном состоянии совпадает со спектром источника 1. В результате изменения спектра поглощения света веществом, атомы и молекулы которого находятся в фотоиндуцированном состоянии, интенсивность света уменьшается тем сильнее, чем больше атомов и молекул находятся в фотоиндуцированном состоянии. При прохождении света через фотохромное вещество 3 по мере увеличения его интенсивности увеличивается число атомов и молекул вещества, находящихся в фотоиндуцированном состоянии. Очевидно, что с ростом интенсивности проходящего через фотохромное вещество света на экране наблюдения 4(S), помещённом после фотохромного вещества, по мере увеличения интенсивности будет увеличиваться степень затемнения. И, наоборот, по мере уменьшения интенсивности проходящего светового пучка освещённость экрана 4(S) будет увеличиваться. Применение эффекта Использующие явление фотохромизма приборы широко используется в оптике, оптоэлектронике и голографии. В частности, явление фотохромизма применяется в устройствах регистрации, обработки и хранения оптической информации, устройствах модуляции оптического излучения (лазерный затворы), в качестве светофильтров, стекол очков, прозрачность которых уменьшается по мере увеличения интенсивности проходящего через них света. Литература  1. Физический энциклопедический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1984.- С.827-828.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.- М.: Наука, 1980.- С.485-490. |