Введение

Люминесценция – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения.

Вторая часть – признак длительности – введена С.И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения – отражения и рассеяния светла, а также от вынужденного испускания, тормозного излучения заряженных частиц.

Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Для поддержания стационарной люминесценции этот источник должен быть внешним. Нестационарная люминесценция может происходить во время перехода тела в равновесное состояние после предварительного возбуждения (затухание люминесценции). Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам.

Элементарные акты возбуждения молекул и испускания света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Из определения люминесценции следует, также, что это понятие применимо только к телам имеющим определенную температуру. В случае сильного отклонения от теплового равновесия говорить о температурном равновесии или люминесценции не имеет смысла.

Признак длительности имеет большое практическое значение и дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. В частности он сыграл важную роль в истории открытия явления Вавилова-Черенкова, позволив установить, что наблюдавшееся свечения нельзя отнести к люминесценции. Вопрос о теоретическом обосновании критерия Вавилова рассматривался Б.И. Степановым и Б.А. Афанасевичем. Согласно им, для классификации вторичного свечения большое значение имеет существование или отсутствие промежуточных процессов между поглощением энергии, возбуждающей люминесценцию, и излучением вторичного свечения (например, переходов между электронными уровнями, изменений колебательной энергии и т.п.). Такие промежуточные процессы характерны для люминесценции (в частности они имеют место при неоптическом возбуждении люминесценции).

Люминесценция алмазов

Одним из весьма важных в практическом отношении свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, – а также при облучении ядерными частицами, образующимися, при распаде радиоактивных изотопов, алмазы начинают люминесцировать, т.е. светиться различными цветами.

Установлено, что под действием катодных и рентгеновских лучей светятся все разновидности алмазов, а ультрафиолетовых – только некоторые. Цвет люминесценции алмазов различен и зависит от способа возбуждения. Так, при возбуждении ультрафиолетовыми лучами одни кристаллы светятся голубым, другие желтым или зеленым цветом. Встречается также свечение красных, оранжевых и белесых тонов.

Алмазы, люминесцирующие по-разному в ультрафиолетовых лучах (например, голубым и зеленым светом), могут светиться одинаково (голубым) под действием рентгеновских лучей. Цвет рентгенолюминесценции природных алмазов поразительно однообразен – это как правило, белесо-голубое свечение. Отмечены лишь отдельные, редкие случаи зеленой и сине-фиолетовой рентгенолюминесценции. В 1939 г. М.Г. Богомольским было предложено использовать рентгенолюминесценцию алмазов для их обнаружения и извлечения. Поскольку рентгеновские лучи дают стопроцентное свечение алмазов и обеспечивают их высокую селективность, С тех пор этот метод используется как при разведке алмазных месторождений, так и в промышленности для извлечения алмазов из раздробленной горной породы.

На практике извлечение алмазов при помощи рентгенолюминесценции происходит следующим образом: расклассифицированный по определенной крупности материал из небольшого бункера подается на транспортерную ленту, передвигающуюся в закрытом аппарате. На эту ленту направляют рентгеновские лучи, которые вызывают люминесцирование алмазов и некоторых других минералов. Однако люминесценция алмазов в рентгеновских лучах настолько своеобразна, что обычно отличается от свечения других минералов, оператор, наблюдая за ходом процесса через защитное стекло, останавливает транспортер и вставленным в закрытый аппарат пинцетом снимает зерно алмаза в специальный ящик, откуда алмазы достают уже после остановки всего процесса и отключения рентгеновского аппарата. Так поступают с малыми пробами, при больших объемах материала этот процесс обычно автоматизирован Изучению люминесцентных свойств алмазов и их рентгенолюминесценции, в частности алмазов якутских месторождений, посвящено много работ.

Большой интерес в этом отношении представляют работы Г.О. Гомона. Он впервые показал, что оптические свойства природных алмазов и их люминесценция гораздо разнообразнее, чем это было принято считать ранее. Изучением рентгенолюминесценции занимались также и другие исследователи.

В результате исследований был установлен, как уже указывалось выше, весьма важный в практическом отношении факт, что при достаточном возбуждении под действием рентгеновских лучей способностью к свечению обладают все алмазы, интенсивность их свечения изменяется от 1 до 100 усл. ед. Было показано, что спектр рентгенолюминесценции значительно шире, чем спектр голубой фотолюминесценции, и лежит в области 360–700 нм. Отмечено также, что между отдельными участками в спектре рентгенолюминесценции для разных кристаллов имеются различия. Наиболее интенсивна для большинства кристаллов сине-голубая полоса. Во всех спектрах присутствует также желто-оранжевая полоса. Большой интерес представляет намечающаяся связь фотолюминесценции алмаза с одним из его важнейших в практическом отношении свойств – абразивной способностью. По данным А.А. Гумилевского, абразивная способность алмазов с голубой и желтой люминесценцией (в ультрафиолетовых лучах), а также алмазов, не проявляющих в тех же условиях видимой люминесценции, резко различна. Наиболее твердыми оказываются несветящиеся алмазы, а наименее твердыми – алмазы с голубым свечением. Алмазы с желтым свечением занимают промежуточное положение. Предполагают, что существует зависимость между некоторыми особенностями люминесценции алмаза и таким его свойством, как способность к счету ядерных частиц, которая основана на возможности некоторых видов алмазов изменять свою проводимость при возбуждении частицами с высокой энергией. Таким образом, знание особенностей люминесценции алмаза представляет большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Природа центров свечения алмазов до 1934 г. считалась достаточно ясной. Полагали, что они обусловлены наличием чужеродных атомов в решетке алмаза. В 1934 г. Робертсон, Мартин и Фоке на основании комплекса физических свойств установили наличие алмазов двух типов (I и II), различающихся по поглощению ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, люминесценции (I-люминесцирует, 11 – нет), электропроводности (I – неэлектропроводен, II – слабо электропроводен), двойному лучепреломлению (I – наблюдается, II-нет) и др.