Как работает механизм испускания света при триболюминесценции? Знаменитый опыт с сахаром
Если разломить кусочек сахара, то выделяется еле заметный голубоватый свет. Сам факт такого свечения сахара при его механическом повреждении описывался ещё Френсисом Бэконом.
Сегодня таких опытов полно в интернете, да и сам я про это явление писал. Если взять прозрачный стакан и расколоть им кусочек сахара на тарелке, а делать опыт в темной комнате, то будет наблюдаться небольшая вспышка и при большой внимательности её можно заметить. Это, конечно, не вспышка фотоаппарата, но видно.
Явление называется триболюминесценция. Она характерна для многих кристаллических тел и проявляется при их разрушении. Сахар, кварц, ртуть в стекле и многие другие материалы способны проявлять такие свойства.
Тут ничего принципиально нового нет. Явление многократно описывалось и обмусоливалось. Но вот как физически объяснить происходящий процесс? Про это среди множества научпоп статей информации я не нашел. Поэтому, разберем физику процесса.
Удивительно, но до сих пор объяснение явления находится где-то на уровне физического парадокса. Единогласного мнения о его природе нет. Существует три базовых гипотетических объяснения и все они… считаются объективными. Получается, что остаётся выбрать ту, которая будет по душе.
В некоторых случаях явление объясняется возбуждением фотолюминесценции электрическими разрядами, происходящими при раскалывании кристаллического тела, в других случаях она вызывается движением дислокаций при деформации. Биологический феномен триболюминесценции обусловлен рекомбинацией свободных радикалов при механической активации. Ну, а лично моё профессиональное мнение — это выброс энергии в виде кванта света при разрушении структуры. Пробежимся по этим идеям.
Фотолюминесценция, возбуждаемая электрическими разрядами
По определению люминесценция — это нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Соответственно фотолюминесценция есть процесс, связанный с возбуждением посредством видимого света или потока электронов (они же электрические разряды).
Варианты люминесценция
При механическом повреждении материала в первую очередь страдает его структура. Структура в кристаллическом теле — это группы упорядоченных атомов, расположенных в некоторой последовательности. К атомам относятся электроны. При повреждении эти электроны начинают мигрировать и могут наблюдаться перетекания зарядов. Такое движение способно в некоторых случаях инициировать возбужденное состояние структуры материала и после возвращения на свои положения с верхних энергетических уровней, электроны будут отдавать энергию в виде кванта света. Это явление мы и наблюдаем.
Правда сложность возникает, когда речь идёт про неметаллы. Электронов, способных так «бегать», там значительно меньше. Но свечение при механическом воздействии мы вполне себе наблюдается. Получается, что механизм его возникновения может и отличаться от простого возбуждения электрическим разрядом.
Движение дислокаций
Что же, это, пожалуй, самая понятная для материаловеда форма описания процесса. Дислокационная логика построена на том, что в кристаллическом строении всегда есть «отклонения» от правильного расположения атомов. Скажем, 10 атомов будут расположены вдоль прямой, а 11 окажется чуточку смещён. Когда таких смещенных атомов появляется много, они оказываются расположены закономерно и образуется дислокация. Существование дислокация воспринимается материаловедами как естественное несовершенство любого материала.
Два типа дислокаций
Ну, а дальше, если начать, например, деформировать такое тело, то дислокации будут перемещаться и их обобщение приведет к формированию трещины. Это дислокационная теория разрушения.
Вместе с движение дислокации может не только формироваться трещина, а ещё и выделяться энергия. Энергия выделяется в виде кванта света и связано это и со взаимодействиями электронов, и с разрывом связей.
Технически этот механизм тоже хорошо бы подошёл именно для металлических тел. Но к неметаллам его отнести сложнее, хотя там тоже есть кристаллическая структура. Традиционно все дислокационные модели относят именно к металлическим материалам.
Может быть всё даже проще?
Что же, упомянутый выше биологический механизм я пытаться объяснять не буду, так как знаний в этой области не имею. Как я понял, там всё сводится к разрушению химических связей, что и инициирует реакцию с выделением света. Нечто типа свечения светлячка.
Моя логика процесса триболюминесценции проще и сложнее одновременно. Не совсем понятно, для чего тут искать какой-то промежуточный механизм.
Все вы наверняка ломали палку об колено. При этом выделяется энергия, которая заключена внутри материала. Разрыв связей приводит к инициированию звуковой волны. Как щелчок кнутом по воздуху. И тут, почему-то, не возникает путаницы. Механическая энергия инициирует колебания в среде.
Рассмотрим повреждение атомных связей внутри кристаллического материала. Классическая физика любит изображать это как некое подобие материальной струны между двумя частичками. Связь, само собой, содержит в себе энергию. При её разрушении энергия выделится в окружающую среду, но уже в виде кванта света. Это явление эквивалентно щелчку пальцами, однако в случае щелчка пальцами колебания возникают в воздухе, а в случае разрушения структуры «щелчок» возникает в электромагнитном поле. Его мы и видим как свет.
Вот только по этой логике любое тело при механическом повреждении… должно было бы испускать видимый свет. А мы наблюдаем явление только в некоторых случаях и для некоторых кристаллических материалов. Вероятно, такая специфика связана с количеством атомов на единицу объема. Что подразумевает определенное количество атомных связей. Я ещё изучу эту логику более детально и расскажу как-нибудь об этом подробнее.
Что же, остаётся только попросить поддержать мой канал про «Изобретения» подпиской. Там мы вместе учимся исследовать и это очень интересно.
