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教室里有个“绝世高手”！（超小声

日期： 来源：广东共青团收集编辑：广东共青团

想必大家都是认真学习的好孩子

在教室里

都面朝书本背朝天～花板～


自然难以发现
教室里隐藏的“绝世高手”
今天
就让我来帮助大家揭开它的真面目
它就是
普普通通并且经常故障的
日光灯会有什么能耐？
其实是获得了一本“武林秘籍”
......


武林秘籍：光致发光

物质吸收辐射能产生的激发态电子回迁至基态时所产生的发光现象称为光致发光，常见的光致发光分为荧光和磷光。

荧光

磷光

两种发光看起来一模一样，有什么区别吗？
欸嘿，那就要用到我们中学物理化学知识了！

能级与跃迁

原子由原子核与核外电子构成，电子围绕原子核在特定、分立的轨道上运动，如下图。

核外电子排布

各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级

 能级示意图

电子能够在不同能级之间发生跃迁。电子吸收能量能够跃迁至更高的能级，或者释放能量（热、光等）跃迁至更低的能级，焰色反应就是吸收热能释放光子的能级跃迁。

能级跃迁

焰色反应

电子能级的多重性

电子除了围绕原子核运动之外，还存在电子自旋，是电子的基本性质之一，它在空间任何方向上的投影只能取两个数值s=+1/2、-1/2。

电子自旋

当我们考虑双电子的状态时，就会发现同一能级上的电子具有不同的状态：对于自旋方向相反的两个电子，总自旋量子数为0（即1/2-1/2）称为单重态；对于自旋方向相同的两个电子，总自旋量子数为1（即1/2+1/2）称为三重态。

 电子能级多重性

荧光与磷光

荧光：通过紫外线照射荧光物质时，大量的基态（单重态S0）电子吸收光子能量，跃迁至激发态（单重态S1、S2），通过非辐射跃迁过程到达激发态S1最低振动能级，最终跃迁至基态并释放出光子，即为发出荧光，时间约为10-7~10-9 s。
发出荧光的波长大于吸收的紫外线，日光灯就是利用气体放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉，发出可见光。
磷光：当激发单重态（S1）与三重态（T1）振动能级重叠时，处于激发态的电子自旋方向发生改变，从而使电子能级的多重性改变，电子通过这样的系间跨越到达三重态T1的能级，随后跃迁至基态并发出磷光。

光致发光原理图

与荧光不同的是，三重态T1至单重态S0的跃迁是被选择定则禁止的，这一过程需要很长的时间（从10秒到数分钟乃至数小时不等），当停止入射光后，物质中还有相当数量的电子继续保持在亚稳态上并持续发光，直到所有的电子回到基态，因此夜明珠即使到了夜晚，也能持续发出微弱光亮。

激光诱导荧光技术（LIF）

由于不同物质能级结构的不同，利用激光将物质中的粒子从基态跃迁至激发态，通过探测粒子回到基态时发射出的荧光光谱，就能对物质进行定性或定量的分析。
对于能够发出荧光的物质，可以利用物质自身发射的荧光进行测定分析。
由于有些物质本身不发射荧光（或荧光很弱），可以使用某些试剂（如荧光染料），使其与不发射荧光的物质生成络合物，这种络合物能发射荧光，就能对一些原来不发荧光的物质进行荧光分析。

平面激光诱导荧光测试系统

这么厉害的“武林秘籍”，难道就只能用来照明吗？
其实，它早就被用于生活的方方面面，留下了许多事迹与功绩！

事迹一：人体医学

癌症诊断

癌症作为人类生命的主要威胁之一，仍然在世界范围内危害许多人的健康。依靠现有的治疗手段，大部分早期肿瘤能够得到根治，然而早期癌症往往病变微小，面积小、厚度薄，而且症状不明显甚至察觉不到，仅凭肉眼观察或常规的检测手段，如型超声波检查、医用内窥镜检查、光检查等，漏诊率较高。当出现明显病症时，癌症已进入晚期，所以癌症治愈率还很低。

癌细胞荧光图

人体组织含有很多能够发射荧光的物质，如胶原、核黄素、色氨酸等。同一组织的不同部位，其生化成分与结构基本相同，所以直接用适当波长的低功率激光(或单色光)照射时，产生的自体荧光光谱特性也相同或相近。但发生于该组织的肿瘤，因为存在成分、结构及代谢状况上的变异，所以其荧光光谱特性与正常组织存在一种或多种差异，根据这些差异就可以区分肿瘤组织与正常组织，能够实现早期癌症的诊断。


牙周诊断

相信有不少小伙伴饱受牙疼折磨。
牙周病是一种常见病，是指发生在牙齿支持组织（包括牙龈、牙周膜、齿槽骨和牙骨质）的感染性疾病。在我国，其患病率高达90%以上，严重危害人体健康。
早在20世纪20年代，人们就发现在蓝光的激发下，牙齿发出了很强的绿色荧光，牙结石发出了桔红色的光。随着激光与光谱技术的发展，人们开始将荧光诊断用于牙结石的诊断。牙结石在633~655 nm激光的激发下，在700 nm附近有明显的荧光峰，而正常的牙齿则没有，利用这种差异能够诊断牙结石。

牙结石荧光

事迹二：大气监测

氢氧自由基（-OH）是大气中重要的氧化剂，能与CO、CH4、SO2、NO2等绝大多数大气痕量组分发生化学反应，在对流层氧化反应中起初始化作用，是痕量污染气体自清洁能力的度量，对于局地和区域的环境污染乃至全球的重大环境问题如温室效应、酸雨和臭氧层损耗等有着极其重要的作用。

OH作用图

利用 LIF 技术测量-OH：将调谐至特定波长的激光引入-OH 样品池，在激光的垂直方向用光电倍增管（PMT）测量发射的荧光，在一定条件下建立荧光信号与 OH 浓度的关系从而根据实际测得的荧光强度求得-OH 浓度。
OH测量示意图

事迹三：水质监测

工农业的快速发展使得大量的有机污染物进入水体，造成严重的水体富营养化，严重威胁人类的工农业生产和身体健康。因此，针对水体富营养化的水质污染监测已经成为当前环境监测部门的一项重要任务。
在紫外光的激发下，污染水体中的溶解有机物会产生特定的荧光光谱，因此利用激光诱导荧光(LIF)可对水体中的溶解有机物的含量进行定量分析，从而可估计出水体富营养化的程度。 

水质监测示意图

激光诱导荧光水源探测可突破地域范围及空间限制，有效及时地对水质情况、水源变化程度提供大量可用信息，为水源治理及水污染防治提供了宝贵的数据及经验。
#今日话题#
教室里的“绝世高手”到底是谁？
“武林秘籍”的核心原理是什么？
请在评论区写出你的答案（10分）

参考资料：

[1] 李悦, 郭东升, 阮文娟. 光致发光与荧光传感——光化学基本原理的应用[J]. 大学化学, 2019, 34(4):6.

[2] 王玉富. 激光诱导荧光诊断牙结石技术研究[D]. 沈阳理工大学.

[3] 唐贵林. 激光诱导荧光检测大肠癌变组织的理论与方法研究[D]. 国防科学技术大学, 2001.

[4] 陈浩. 基于激光诱导荧光技术的大气OH自由基测量方法研究[D]. 中国科学技术大学, 2017.

[5] 周世勋. 量子力学教程-第2版[M]. 高等教育出版社, 2009.

[6] 荧光分析法 - 百度文库 (baidu.com)

[7] 荧光的原理及应用 - 百度文库 (baidu.com)

[8] 磷光和荧光有什么区别？- 知乎 (zhihu.com)


来源：中科院物理所
图片来源：百度

编辑：妍

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