George Gabriel Stokes ja fluorestsentsi fenomen

Mis on fluorestsents?

'Nähtav või nähtamatu kiirgus, mis tekib teatud ainetest lühema lainepikkusega langeva kiirguse, näiteks röntgeni- või ultraviolettkiirguse tagajärjel. See on omadus absorbeerida lühikese lainepikkusega valgust ja kiirgada pikema lainepikkusega valgust. [Oxfordi inglise keele sõnaraamat]

'Luminestsents, mis on põhjustatud kiirguse neeldumisest ühel lainepikkusel, millele järgneb peaaegu kohene uuesti kiiritamine tavaliselt erineval lainepikkusel ja mis lakkab peaaegu kohe, kui langev kiirgus peatub.' [Merriam-Websteri sõnaraamat]

  04265840016097797058895.jpg Weardale fluoriit Inglismaalt Rogerley kaevandusest  07717990016097797057337.jpg Lähemalt ja osaliselt pikalainelise UV-valguse all  02725530016097793116906.jpg Weardale fluoriit Inglismaalt Rogerley kaevandusest  07717990016097797057337.jpg Lähemalt ja osaliselt pikalainelise UV-valguse all  02725530016097793116906.jpg Weardale fluoriit Inglismaalt Rogerley kaevandusest  07717990016097797057337.jpg Lähemalt ja osaliselt pikalainelise UV-valguse all

'Meil on väga raske öelda, millised tunded oleks olnud, kui sellist treeningut poleks kunagi toimunud.'
- Sir George Stokes, 1. parunett

  01641190016097899409177.jpg George G. Stokesi pilt 1857. aastast
George Gabriel Stokes sündis 13. augustil 1819 Iirimaal Sligo maakonnas. Ta oli Sligo maakonna Skreeni (An Scrin) koguduse Iirimaa kiriku rektori kaheksast lapsest noorim. Tema isa, samuti Gabriel Stokes, pärines silmapaistvast matemaatikute, arstide ja inseneride perekonnast ning tema poja George'i matemaatilisi oskusi märgati juba varases nooruses. Nüüdseks on üldtunnustatud, et George Gabriel Stokes oli polümaat, kes andis suure panuse matemaatika, keemia, füüsika, vedelike ja optika valdkondadesse.

  08415160016097899388895.jpg Endine pastoraat Iirimaal Sligo maakonnas Skreenis
Pärast koolis käimist Skreenis ja Dublinis, Iirimaal ja Bristolis Inglismaal, astus ta ametlikult sisse Pembroke College’i, Cambridge’i, Inglismaal. Tema saavutused tõid ta valimise kolledži stipendiaadiks ja 1849. aastal määrati Stokes Lucasian matemaatikaprofessuuriks Cambridge'is. Hilisemas elus tehti temast baronet (pärilik tiitel, mille omistas Briti kroon) 1889. aastal ja teenis tema ülikooli, esindades seda parlamendis aastatel 1887–1892 ühena kahest Cambridge'i ülikooli valimisringkonna liikmest. Osa sellest perioodist (1885–1890) oli ta ka Kuningliku Seltsi president, mille üheks sekretäriks oli ta alates 1854. aastast. Stokes jäi Cambridge'i ülikooli matemaatikaprofessoriks kuni 1902. aastani, mil päev enne tema 83. sünnipäeval valiti ta ülikooli Pembroke'i kolledži magistriks. Kahjuks ei pidanud ta seda ametit kaua, sest ta suri Cambridge'is järgmise aasta 1. veebruaril ja maeti Mill Roadi kalmistule. Londonis Westminsteri kloostri põhjapoolses koorikäigus on ka tema pronksist büsti mälestusmärk.

  05238630016097899397337.jpg Pronksbüst Inglismaal Londonis Westminster Abbeys
Oma eluajal andis Stokes füüsikuna olulise ja murrangulise panuse vedelike mehaanikasse ja füüsikalisse optikasse, tehes märkimisväärseid töid fluorestsentsi ja polarisatsiooni alal. Matemaatikuna populariseeris ta Stokesi teoreemi vektorarvutuses ja andis oma panuse asümptootiliste laienduste teooriasse. Koos Felix Hoppe-Seyleriga (Saksa füsioloog ja keemik) demonstreeris Stokes esmalt hemoglobiini hapniku transportimise funktsiooni ja näitas hemoglobiinilahuste aereerimisel tekkinud värvimuutusi. 1893. aastal pälvis ta Kuningliku Seltsi Copley medali, mis oli tollal maailma prestiižseim teadusauhind, 'teaduslike uuringute ja avastuste eest füüsikateaduses'.

Stokes kirjeldab hetke ühes oma katses, mil ta lasi kiniinsulfaadi toru läbi oma aparaadi tekitatud päikesevalguse spektri:

'Peaaegu kogu nähtava spektri ulatuses läbis valgus vedelikku, nagu oleks läbinud nii palju vett; kuid jõudes peaaegu violetse äärmuseni, lõi otse üle toru kummitusetaoline kahvatusinise valguse sära. Toru liigutamist jätkates suurenes sinise valguse intensiivsus ja seejärel järk-järgult kadus. Siiski ei lakanud see ilmumast enne, kui toru oli nihutatud ekraanil nähtava spektri violetsest äärmusest kaugele ja kindlasti oli uudishimulik näha, kuidas toru nähtamatutesse kiirtesse sukeldudes silmapilkselt süttib: see oli sõna otseses mõttes nähtamatu pimedus.'
Mineraalide vaatenurgast võttis sõna 'fluorestsents' esmakordselt kasutusele George Gabriel Stokes joonealuses märkuses leheküljel 479 oma väidetavalt oma suurima teose pealkirjaga 'Valguse murduvuse muutumisest', mis avaldati 1. jaanuaril 1852. ajakiri Philosophical Transactions. Refragibility on Collinsi inglise sõnaraamatus (2018) määratletud kui murdumisvõime.

Kuid termini fluorestsents tuletamine ja kasutamine tekitab mõningaid probleeme. Fluorestsents on üks fotoluminestsentsi vorme (luminestsents on valguse emissioon), mille puhul aine kiirgab valgust pärast footoni neeldumist (elektromagnetkiirgus), teine ​​vorm on fosforestsents. Fotoluminestsentsi kahe vormi (st fluorestsentsi ja fosforestsentsi) erinevus on ajaline. Pärast footoni neeldumist on fluorestsentsi emissiooni eluiga või poolestusaeg kiire, mõnest pikosekundist (pikosekund on üks triljonik sekundist) kuni sadade nanosekunditeni (nanosekund on üks miljardik sekundist). Fosforestsentsi puhul on see üldiselt palju aeglasem, tuhandiksekunditest päevade või isegi aastateni; metallikomplekside puhul võib aga fosforestsents olla kiire, suurusjärgus kümneid nanosekundeid.

Sel perioodil, mil Stokes fluorestsentsi uuris, ei olnud nii lühikesi ajavahemikke selgelt võimalik mõõta ja see pidi ootama aatomistruktuuri kvantteooria arengut 20. sajandi alguses ja sellele järgnenud prantsuse füüsiku Francis Perrini uurimusi 1929. aastal. ja Poola füüsik Aleksander Jabloński 1935. aastal fotoluminestsentsi selgitamiseks aatomitasandil. Tegelikult võimaldasid need uuringud vahet teha fosforestsentsi ja fluorestsentsi vahel, kusjuures esimene, kuid mitte teine, hõlmates metastabiilset vaheolekut. Sellegipoolest, mõistes, et fluorestsents ja fosforestsents erinevad valguse emissiooni kiiruse poolest, ehitas prantsuse füüsik Alexandre-Edmond Becquerel 1858. aastal fosforoskoobi, millega alustas fotoluminestsentsi kiiruse mõõtmist. Kuigi Stokes ei olnud ajalooliselt esimene, kes fluorestsentsi nähtust täheldas, oli tema artikkel 1852. aastal selle nähtuse kõige põhjalikum uurimine.

  08192270016097901438895.jpg George Gabriel Stokes 1860. aastatel
George Gabriel Stokes oli viljakas teadustööde kirjutaja ja ta pidas sageli kirjavahetust teiste teadlastega. Sissejuhatuses paberitesse alustas ta teiste inimeste töö tunnustamisega, mis näitasid tema sügavat teaduslikku ausust. Stokes tunnustas oma 1852. aasta artiklis “Valguse refrabiliseeritavuse muutumisest” kaht Sir John Herscheli (inglise polümaat, matemaatik, astronoom, keemik, leiutaja, eksperimentaalne fotograaf) 1845. aastal avaldatud artiklit, milles Herschel kirjeldab fluorestsentsi nähtust kiniinsulfaadi lahuse pind. Teises neist kirjutistest nimetab Herschel seda nähtust valguse epipoliliseks hajutamiseks; epipoliitne tähendus pinnal.

Stokesile ei meeldinud aga Herscheli termin „epipoliline hajutamine” ega ka termin „dispersiivne refleksioon”, mida Stokes ise oli oma artikli tekstis kasutanud. Seetõttu märkis ta joonealuses märkuses leheküljel 479:

„Tunnistan, et see termin (hajutav refleksioon) mulle ei meeldi. Olen peaaegu valmis sõna võtma ja nimetama välimust fluorestsentsi fluorestsentsi järgi, kuna analoogne termin opalestsents on tuletatud mineraali nimest (opaal).
See on mõiste 'fluorestsents' esimene kasutus. Seega on fluorestsentsi 'fluori' osa tuletatud fluoriidist (teise nimega fluoriit), kaltsiumfluoriidi mineraalsest vormist ( CaF kaks ). Derbyshire'is leiti väikesed fluoriidi lademed, mis olid Stokesi käsutuses. Erinevate lisandite olemasolu fluorestsentsis põhjustab selle fluorestsentsi muutuva värvuse. Praegu kasutatakse sõna fluoriit kõige sagedamini fluoriidi kui tööstusliku ja keemiakauba kohta, samas kui fluoriiti kasutatakse mineraloogiliselt ja enamikus muudes tähendustes.

Link fluoriidi mineraalide lehele Mindatis: Fluoriit

  07610110016097793028895.jpg Fluoriit

Ladywashi kaevandus, Eyam, Derbyshire Dalesi piirkond, Derbyshire, Inglismaa, Ühendkuningriik
Oma artikli lisas tunnustas Stokes ka Alexandre-Edmond Becquereli tähelepanekuid, kes 9 aastat tagasi (1843) oli kirjeldanud fluorestsentsi nähtust ja oli tõepoolest esimene, kes näitas, et kiiratava valguse lainepikkus oli pikem kui langeva valguse lainepikkus. , nähtust, mida praegu nimetame Stokesi nihkeks. Stokesi artikkel oli Becquereli märkimisväärselt vihastanud niivõrd, et ta esitas omaenda vaatluste prioriteedinõude ja tegi isegi ettepaneku loobuda terminist fluorestsents, kuna ta uskus, et fluorestsents ja fosforestsents on vaid sama nähtuse erinevad vormid, kuna fluorestsents on kiirem. . Kuid üheksateistkümnenda sajandi keskel edastati teaduslikke tähelepanekuid palju aeglasemas tempos kui praegu ja tõepoolest ei olnud inglise keel teadussuhtluse universaalne keel.

Teises 1853. aastal avaldatud fluorestsentsi käsitlevas artiklis, milles seda terminit kasutatakse läbivalt, käsitleb Stokes ka Sir David Brewsteri (Briti teadlane, leiutaja, autor ja akadeemiline administraator) tööd, kes väitis, et lahuste fluorestsents on tingitud suspensioonis olevate osakeste valguse hajumine. Selles artiklis ei nõustunud Stokes viisakalt Brewsteri järeldustega ja pidas fluorestsentsi nähtust fosforestsentsist erinevaks.

  08948500016097868498895.jpg Fluoriit West Pasture'i kaevandusest, Stanhope, Inglismaa  06264430016097868517337.jpg Tugevalt fluorestseeruv pikalainelise UV-valguse all  08948500016097868498895.jpg Fluoriit West Pasture'i kaevandusest, Stanhope, Inglismaa  06264430016097868517337.jpg Tugevalt fluorestseeruv pikalainelise UV-valguse all  08948500016097868498895.jpg Fluoriit West Pasture'i kaevandusest, Stanhope, Inglismaa  06264430016097868517337.jpg Tugevalt fluorestseeruv pikalainelise UV-valguse all
Fluorestsentsi nähtuse uurimiseks oli Stokes ehitanud üllatava lihtsusega katseaparaadi. Nii lasi ruloode allatõmbamisega pimendatud ruumis väike auk ruloos päikesevalgust läbi. Kohe augu all oli riiul optikaseadmetega. Üldiselt läbisid päikesekiired läätse ja laia valikut värvilisi klaasfiltreid päikesekiire ja uuritava proovi vahel või proovi ja silma vahel. Seega võis ta jälgida langeva ja kiiratava valguse värvierinevusi. Selle paigutuse peamine lisand oli päikesekiirte suunamine kõigepealt läbi kolme järjestikuse prisma, luues seeläbi laia langeva valguse spektri. Liigutades proovi kaarekujuliselt läbi selle spektri, sai ta muuta torusse langeva valguse värvi. Kirjeldatud on ka selle optilise paigutuse mitmeid variatsioone, eriti valgusallika muutmist, et hõlmata alkoholileeke, piirituslampe, vesiniku leeki ja mis kõige tähtsam, generaatori või välgu tekitatud elektrikaarte. Brewster ja Herschel olid ka uurinud ja arutanud küsimust, kas fluorestsentsi kiirgav valgus oli polariseeritud, ja seda küsimust arutas ka Stokes. Huvitaval kombel märkis ta, et keetmata vesi hajutas valgust väikeste õhumullide sisalduse tõttu, samas kui pärast keetmist, kus väikesed õhumullid olid ühinenud ja veest vabanenud, kadus vee valguse hajumine. Varem väideti, et lahuses olevad tahked osakesed vastutavad valguse hajumise eest. Seetõttu keetis Stokes süstemaatiliselt kogu katsetes kasutatud vee, et see potentsiaalne artefakt kõrvaldada.

  08921340016097811088895.jpg Fluoriit

Greenlawsi kaevandus, Daddry Shield, Stanhope, Durhami krahvkond, Inglismaa, Ühendkuningriik
Ülaltoodud näidist pildistati kunstliku (LED) valgustuse all, kuid allpool näidatud sama näidis on nähtav ümbritseva loomuliku valguse ja ka ultraviolettvalguses, mis näitab selle tulemusel kuvatavat eredat sinist fluorestsentsi.

  07954210016097811097337.jpg Vaadatakse ainult nähtava valgusega  04569070016097811109177.jpg Nagu näha pikalainelise UV-valguse all  07954210016097811097337.jpg Vaadatakse ainult nähtava valgusega  04569070016097811109177.jpg Nagu näha pikalainelise UV-valguse all  07954210016097811097337.jpg Vaadatakse ainult nähtava valgusega  04569070016097811109177.jpg Nagu näha pikalainelise UV-valguse all
Stokesi magnum opuse artikli “Valguse murduvusega seotud muutustest” peamised järeldused on, et fluorestsents on kiire nähtus, mille puhul langev valgus, olenemata värvist, ja kiiratav valgus on erinevat värvi, kusjuures viimane on pikema lainepikkusega. et kiiratav valgus kiirgub igas suunas ega ole polariseeritud. Stokes märgib aga ka, et erinevate, eriti orgaaniliste ainete uurimisel oli nähtus äärmiselt levinud. Seetõttu tegi ta ettepaneku, et fluorestsentsi omadust saaks kasutada ultraviolettvalguse tuvastamiseks, fluorestseeruvate orgaaniliste ainete tuvastamiseks segus ja selle omaduse kasutamiseks nende puhastamiseks. Tänapäeval kasutatakse fluorestsentsi bioloogias laialdaselt ja 'Stokesi nihke' järelkasvuks on 'Stokes'i joon', mis on Ramani hajumise aluseks (seda efekti kasutavad keemikud ja füüsikud, et hankida teavet materjalide kohta erinevatel eesmärkidel Ramani spektroskoopia erinevad vormid).

  07576580016097899406906.jpg Stokes hilisemas eas (1899–1900)
Lisaks fluoriidile, mis põhjustas fluorestsentsi nähtuse, on avastatud umbes 500 mineraali, millel on ultraviolettvalgusega kokkupuutel mingisugune fluorestsents. Siin on vaid mõned isu tekitamiseks:

  08069330015765772152909.jpg Afganiit püriidiga kaltsiidis Afganistanist  03089580015967045904329.jpg Delhayeliit Venemaalt (mis meenutab süsi surevas tules)  02275350015606137755342.jpg Hackmaniit Kanadast (tavavalguses ei erista oma maatriksist)  00112600015606332608082.jpg Hüaliidist opaal schorl turmaliinil Namiibiast  00145760015765385881523.jpg Afganiit püriidiga kaltsiidis Afganistanist  08075280015966758415217.jpg Delhayeliit Venemaalt (mis meenutab süsi surevas tules)  05003710015606134257346.jpg Hackmaniit Kanadast (tavavalguses ei erista oma maatriksist)  06307180015606082024399.jpg Hüaliidist opaal schorl turmaliinil Namiibiast  01949060016097964638895.jpg Afganiit püriidiga kaltsiidis Afganistanist  08094410016097956358895.jpg Delhayeliit Venemaalt (mis meenutab süsi surevas tules)  07416500016097951767337.jpg Hackmaniit Kanadast (tavavalguses ei erista oma maatriksist)  03377580016097951768895.jpg Hüaliidist opaal schorl turmaliinil Namiibiast