荧光粉（夜光粉）为什么会夜光？原理是什么？
指的是吸收光能然后荧光那种。荧光粉在吸收和释放能量时分别发生了什么化学（物理）反应？光能是怎么储存在荧光粉里的？
1 个回答
任浩，计算化学
谢邀。
荧光粉之所以有荧光现象是因为含有荧光染料。下面解释一下荧光过程中荧光染料分子经历的变化。
分子也是由原子核和电子构成，电子具有能量，大致分为原子核对电子的吸引，电子-电子排斥，以及电子相关能量。前两项是经典库仑相互作用，最后一项来自于量子效应。这几项组合的结果就导致了分子中电子的能量只能去一系列离散值（这也是量子效应），我们通常把这些能量的可能取值叫做电子能级。具有某个能量的电子具有某种对应的运动状态，通常叫做分子轨道。在我们采用一系列近似后，可以认为每个分子轨道上可以放两个电子，这两个电子的自旋相反。一个分子内的电子数目是有限的，但分子能级（及对应分子轨道）的数目无限。分子稳定性要求整个分子体系总能最低，所以电子会从能量最低的轨道开始排，N个电子会占据 N/2 个能级，这就是基态的电子构型。电子能级的间距一般为几个电子伏特（eV）。
影响一个孤立分子能量的因素除电子态以外还有分子的振动，其实就是原子核们会在平衡位置附近有小幅运动。这种运动表现为键长，键角，二面角以及更复杂的几何因素的变化，量级一般在 0.0025 到 0.5 eV。通常可以把电子能级和振动能级分开处理，可以得到下面的 Jablonski diagram，这里只列出了两个电子态 S0 和 S1。每个电子态都可以看做一个振动态的 manifold。
http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence
现在先看光子的吸收。起初分子处于基态，就是 S0 的 0，一个能量合适的光子打过来后，电子吸收了这个光子的能量，跳到第一电子激发态的第三振动激发态。这个过程中能量是守恒的，分子体系能量增加了 \hbar\omega, \hbar 为普朗克常数除以2\pi，\omega为光子角频率。当然，如果光子能量稍多或稍少，电子会跳到更高或者更低的某个态上，如果这个态存在的话。
吸收完成后，分子处于一个不怎么稳定的状态，有放出能量回到基态的趋势。这个放出能量有多种途径，比如图中的红色箭头，是振动能级的弛预，通过分子之间的碰撞等过程把振动能量变成分子动能，宏观上来看体系温度升高，也就是变成了热。通过某种方式弛预到第一激发态的振动基态后，发生电子跃迁，回到电子基态。这个跃迁的终态也是有多种可能的，可以回到电子基态的任意振动激发态。这个过程中，体系发出光子，能量降低，即为荧光。
从吸收到发射中间有一个时间差，可以认为这是电子激发态的寿命。随体系不同， 激发态寿命会有很大差别。比如某些血红素蛋白为几十个飞秒（1E-15s），苯酚的第一激发态寿命大概在几个纳秒（1E-9s）。激发后，荧光强度随时间指数式衰减。
http://en.wikipedia.org/wiki/Glow_stick
===========================
补充
延时很长时间的荧光材料当然是存在的，比如说题目中的荧光粉啥的。关于荧光材料这块我不熟，就着找到材料简单说一把，请专家指正。
前面说的荧光是一个非常简化的模型，适用于非常简单的体系，比如单个不大的分子。。
常用的荧光材料有很多，我搜到了一个“大连XX发光科技股份有限公司”，产品满世界卖，他们网站上列举了几类目前常用的荧光材料。下面拿其中一种来做例子，ZnS:Cu，就是往硫化锌里面掺杂铜。参考了 【S. Shionoya, H. P. Kallmann, and B. Kramer, Phys. Rev. 121, 1607(1961)】，好老的文献。。。。
硫化锌是半导体，带隙 3.54 eV（立方）或 3.91 eV（六方）。掺杂铜后，Cu在带隙内引入掺杂态，就是图中的 A 和 A*。体系吸收光子后，电子从价带（V）激发到导带（C），这也可以叫做电子-空穴对。这个电子空穴对在体系里各种相互作用的影响下运动，它们可以重新组合，变成基态电子，放出光子。但现实中体系的晶格会出现各种缺陷，这些缺陷会导致带隙内产生 traps，激发后的电子被trap捕获后就跳不回基态了。当然被捕获的电子还可能逃离 trap，比如通过升高温度加剧热运动等。逃离后又有可能跃迁回价带，导致发光。因此发光的延续或者延迟时间跟很多因素有关，比如激发光强，trap浓度，半导体带隙，掺杂态的能级位置，温度等。在【PR, 121, 1607】里面，他们做的实验是可以延续半小时左右。当然现在应该有发光延续时间更长的材料。
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再补充，多谢 @邵庆贤
还有种可以长时间发光的东西叫 radioluminescent XX，就是把含有放射性同位素的成分跟前面说的发光材料混起来，比如说 ZnS:Cu。最早用的放射性材料是镭-226 （半衰期 1601 年），现在用的比较多的是氚（12.32 年）、钷-147（2.62 年）、锶-90（28.79 年），碳-14（5730 年）等。
放射性同位素衰变产生的 \alpha 粒子(氦核)或者 \beta 粒子（电子）将半导体材料价带中的电子激发，然后跟上面的过程一样，导致发光。
关于radioluminescent，下面链接有比较详细的介绍
http://www.orau.org/ptp/collection/radioluminescent/radioluminescentinfo.htm
荧光粉之所以有荧光现象是因为含有荧光染料。下面解释一下荧光过程中荧光染料分子经历的变化。
分子也是由原子核和电子构成，电子具有能量，大致分为原子核对电子的吸引，电子-电子排斥，以及电子相关能量。前两项是经典库仑相互作用，最后一项来自于量子效应。这几项组合的结果就导致了分子中电子的能量只能去一系列离散值（这也是量子效应），我们通常把这些能量的可能取值叫做电子能级。具有某个能量的电子具有某种对应的运动状态，通常叫做分子轨道。在我们采用一系列近似后，可以认为每个分子轨道上可以放两个电子，这两个电子的自旋相反。一个分子内的电子数目是有限的，但分子能级（及对应分子轨道）的数目无限。分子稳定性要求整个分子体系总能最低，所以电子会从能量最低的轨道开始排，N个电子会占据 N/2 个能级，这就是基态的电子构型。电子能级的间距一般为几个电子伏特（eV）。
影响一个孤立分子能量的因素除电子态以外还有分子的振动，其实就是原子核们会在平衡位置附近有小幅运动。这种运动表现为键长，键角，二面角以及更复杂的几何因素的变化，量级一般在 0.0025 到 0.5 eV。通常可以把电子能级和振动能级分开处理，可以得到下面的 Jablonski diagram，这里只列出了两个电子态 S0 和 S1。每个电子态都可以看做一个振动态的 manifold。
http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence现在先看光子的吸收。起初分子处于基态，就是 S0 的 0，一个能量合适的光子打过来后，电子吸收了这个光子的能量，跳到第一电子激发态的第三振动激发态。这个过程中能量是守恒的，分子体系能量增加了 \hbar\omega, \hbar 为普朗克常数除以2\pi，\omega为光子角频率。当然，如果光子能量稍多或稍少，电子会跳到更高或者更低的某个态上，如果这个态存在的话。
吸收完成后，分子处于一个不怎么稳定的状态，有放出能量回到基态的趋势。这个放出能量有多种途径，比如图中的红色箭头，是振动能级的弛预，通过分子之间的碰撞等过程把振动能量变成分子动能，宏观上来看体系温度升高，也就是变成了热。通过某种方式弛预到第一激发态的振动基态后，发生电子跃迁，回到电子基态。这个跃迁的终态也是有多种可能的，可以回到电子基态的任意振动激发态。这个过程中，体系发出光子，能量降低，即为荧光。
从吸收到发射中间有一个时间差，可以认为这是电子激发态的寿命。随体系不同， 激发态寿命会有很大差别。比如某些血红素蛋白为几十个飞秒（1E-15s），苯酚的第一激发态寿命大概在几个纳秒（1E-9s）。激发后，荧光强度随时间指数式衰减。
http://en.wikipedia.org/wiki/Glow_stick
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补充
延时很长时间的荧光材料当然是存在的，比如说题目中的荧光粉啥的。关于荧光材料这块我不熟，就着找到材料简单说一把，请专家指正。
前面说的荧光是一个非常简化的模型，适用于非常简单的体系，比如单个不大的分子。。
常用的荧光材料有很多，我搜到了一个“大连XX发光科技股份有限公司”，产品满世界卖，他们网站上列举了几类目前常用的荧光材料。下面拿其中一种来做例子，ZnS:Cu，就是往硫化锌里面掺杂铜。参考了 【S. Shionoya, H. P. Kallmann, and B. Kramer, Phys. Rev. 121, 1607(1961)】，好老的文献。。。。
硫化锌是半导体，带隙 3.54 eV（立方）或 3.91 eV（六方）。掺杂铜后，Cu在带隙内引入掺杂态，就是图中的 A 和 A*。体系吸收光子后，电子从价带（V）激发到导带（C），这也可以叫做电子-空穴对。这个电子空穴对在体系里各种相互作用的影响下运动，它们可以重新组合，变成基态电子，放出光子。但现实中体系的晶格会出现各种缺陷，这些缺陷会导致带隙内产生 traps，激发后的电子被trap捕获后就跳不回基态了。当然被捕获的电子还可能逃离 trap，比如通过升高温度加剧热运动等。逃离后又有可能跃迁回价带，导致发光。因此发光的延续或者延迟时间跟很多因素有关，比如激发光强，trap浓度，半导体带隙，掺杂态的能级位置，温度等。在【PR, 121, 1607】里面，他们做的实验是可以延续半小时左右。当然现在应该有发光延续时间更长的材料。
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再补充，多谢 @邵庆贤
还有种可以长时间发光的东西叫 radioluminescent XX，就是把含有放射性同位素的成分跟前面说的发光材料混起来，比如说 ZnS:Cu。最早用的放射性材料是镭-226 （半衰期 1601 年），现在用的比较多的是氚（12.32 年）、钷-147（2.62 年）、锶-90（28.79 年），碳-14（5730 年）等。
放射性同位素衰变产生的 \alpha 粒子(氦核)或者 \beta 粒子（电子）将半导体材料价带中的电子激发，然后跟上面的过程一样，导致发光。
关于radioluminescent，下面链接有比较详细的介绍
http://www.orau.org/ptp/collection/radioluminescent/radioluminescentinfo.htm
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