Postoje neki pojmovi koji stvaraju zabunu u uobičajenom svakodnevnom jeziku. Među ovim terminima imamo luminiscencija, fluorescencija i fosforescencija. Jesu li jednaki uvjeti? Po čemu se razlikuju i na što se svaki odnosi?
Sve ćemo to vidjeti u ovom članku, stoga ga nemojte propustiti.
Što je luminiscencija
Pojam luminiscencija u osnovi se odnosi na emisiju svjetlosti. U našem okruženju većina predmeta emitira svjetlost zahvaljujući energiji koju prima od sunca, što To je najsjajniji entitet koji nam je vidljiv. Za razliku od mjeseca, koji izgleda kao da emitira svjetlost, on zapravo reflektira sunčevu svjetlost, funkcionirajući slično kolosalnom kamenom zrcalu. Da biste bolje razumjeli kako radi luminiscencija u različitim tvarima, možete se konzultirati utjecaj astronomskih pojava na luminiscenciju.
U osnovi postoje tri glavne vrste luminiscencije: fluorescencija, fosforescencija i kemiluminiscencija. Među njima su fluorescencija i fosforescencija klasificirane kao oblici fotoluminiscencije. Razlika između fotoluminiscencije i kemiluminiscencije leži u mehanizmu aktivacije luminiscencije; U fotoluminiscenciji svjetlost djeluje kao okidač, dok u kemiluminiscenciji kemijska reakcija inicira emisiju svjetlosti.
I fluorescencija i fosforescencija, koje su oblici fotoluminiscencije, ovise o sposobnosti tvari da apsorbira svjetlost i potom je emitira na dužoj valnoj duljini, što ukazuje na smanjenje energije. Međutim, Trajanje ovog procesa značajno se razlikuje. U fluorescentnim reakcijama, emisija svjetlosti događa se trenutno i vidljiva je samo dok je izvor svjetlosti aktivan (kao što je ultraljubičasto svjetlo).
Nasuprot tome, fosforescentne reakcije omogućuju materijalu da zadrži apsorbiranu energiju, dopuštajući mu da kasnije emitira svjetlost, što rezultira sjajem koji se nastavlja čak i nakon što se izvor svjetlosti ugasi. Stoga, ako luminiscencija odmah nestane, klasificira se kao fluorescencija; Ako potraje, identificira se kao fosforescencija; a ako je za aktiviranje potrebna kemijska reakcija, naziva se kemiluminiscencija.
Primjeri toga mogu se pronaći u prirodnim fenomenima i tehnološkim primjenama, kao što je npr fluorescentni i fosforescentni materijali. Na primjer, mogli bismo zamisliti noćni klub u kojem tkanina i zubi svijetle pod crnim svjetlom (fluorescencija), znak za izlaz u nuždi zrači svjetlo (fosforescencija), a svjetleći štapići također proizvode osvjetljenje (kemiluminiscencija). Također u označavanju objekata iu znanstvenim studijama, gdje je bitna razlika u trajanju luminiscencije.
Fluorescencija
Materijali koji trenutno emitiraju svjetlost nazivaju se fluorescentni. U tim materijalima atomi apsorbiraju energiju, uzrokujući da uđu u "pobuđeno" stanje. Vraćajući se u svoje normalno stanje za otprilike stotisućinki sekunde (u rasponu od 10^-9 do 10^-6 sekundi), oni oslobađaju tu energiju u obliku sićušnih čestica svjetlosti poznatih kao fotoni.
Formalno govoreći, Fluorescencija je radijacijski proces u kojem pobuđeni elektroni Oni prelaze iz najnižeg pobuđenog stanja (S1) u osnovno stanje (S0). Tijekom ovog prijelaza, elektron raspršuje dio svoje energije putem vibracijske relaksacije, što rezultira smanjenom energijom emitiranog fotona i, posljedično, većom valnom duljinom.
Za praktične primjene i primjere fluorescencije, možete pogledati "Primjene i korištenje fluorescencije u znanosti i tehnologiji".
Fosforescencija
Da bismo razumjeli razlike između fluorescencije i fosforescencije, potrebno je ukratko istražiti koncept spina elektrona. Spin predstavlja temeljnu karakteristiku elektrona, djelujući kao vrsta kutnog momenta koji utječe na njegovo ponašanje unutar elektromagnetskog polja. Ovo svojstvo može imati samo vrijednost ½ i može pokazivati usmjerenost prema gore ili dolje. Unutar iste orbitale atoma, elektroni dosljedno pokazuju antiparalelni spin kada su u singletnom osnovnom stanju (S0). Nakon promicanja u pobuđeno stanje, elektron zadržava svoju orijentaciju spina, što rezultira stvaranjem jednostrukog pobuđenog stanja (S1), gdje obje orijentacije spina ostaju uparene u antiparalelnoj konfiguraciji. Važno je napomenuti da su svi relaksacijski procesi povezani s fluorescencijom spin-neutralni, čime se osigurava da je orijentacija spina elektrona očuvana u svakom trenutku.
U slučaju fosforescencije, Proces se značajno razlikuje jer uključuje prijelaze između stanja s različitim usmjerenjima spina.. Brzi prijelazi (u rasponu od 10^-11 do 10^-6 sekundi) događaju se između sustava koji prelaze iz singletnog pobuđenog stanja (S1) u energetski povoljnije tripletno pobuđeno stanje (T1). Ovaj prijelaz rezultira obrnutim spinom elektrona; Nastala stanja karakteriziraju paralelni spinovi na oba elektrona i klasificiraju se kao metastabilna. U tom slučaju dolazi do opuštanja fosforescencijom, što dovodi do još jednog preokreta spina elektrona i naknadne emisije fotona.
Prijelaz natrag u opušteno singletno stanje (S0) može se dogoditi nakon dugog kašnjenja (koje varira od 10^-3 do više od 100 sekundi). Tijekom ovog procesa relaksacije, neradijacijski mehanizmi troše više energije u fosforescentnoj relaksaciji u usporedbi s fluorescencijom, što rezultira većom energetskom razlikom između apsorbiranih i emitiranih fotona i, posljedično, većim pomakom u valnim duljinama. Zanimljivo je promatrati kako razlika u atomskoj strukturi materijala uzrokuje ove varijacije u fenomenu luminiscencije.
Ekscitacijski i emisijski spektri
Luminescencija se događa kada se elektroni tvari pobuđuju apsorbiranjem fotona, nakon čega se ta energija oslobađa u obliku zračenja. U određenim slučajevima, Emitirano zračenje može se sastojati od fotona koji imaju istu energiju i valnu duljinu kao oni apsorbirani; Ovaj fenomen je poznat kao rezonantna fluorescencija. Češće, emitirano zračenje ima veću valnu duljinu, što ukazuje na nižu energiju u usporedbi s apsorbiranim fotonima.
Ovaj prijelaz na veće valne duljine poznat je kao Stokesov pomak. Kada su elektroni pobuđeni kratkim, nevidljivim zračenjem, oni se penju u viša energetska stanja. Nakon povratka u svoje izvorno stanje, emitiraju vidljivu svjetlost iste valne duljine, što predstavlja primjer rezonantne fluorescencije. Međutim, ti pobuđeni elektroni također se mogu vratiti na srednju energetsku razinu, što rezultira emisijom blistavog fotona koji nosi manje energije od one kod početne pobude. Ovaj proces, kada je izazvana ultraljubičastim svjetlom, općenito se manifestira kao fluorescencija unutar vidljivog spektra. U slučaju fosforescentnih materijala, postoji kašnjenje između pobuđivanja elektrona na visoke energetske razine i njihovog povratka u osnovno stanje.
Zanimljivo je napomenuti da intenzitet i boja emitiranog svjetla ovise o tvari i valnoj duljini pobude, što je bitno u dizajnu fluorescentnih i fosforescentnih materijala. Odnos između valnih duljina pobude i emisije, poznat kao spektar pobude i emisije, ključan je za razumijevanje kako i kada se ti fenomeni pojavljuju.
Važno je napomenuti da valna duljina emisije ne ovisi o valnoj duljini ekscitacije, osim u slučajevima kada tvari posjeduju više mehanizama luminescencije. Posljedično, minerali pokazuju različite sposobnosti apsorbiranja ultraljubičastog svjetla na određenim valnim duljinama; neki fluoresciraju pod ultraljubičastim svjetlom kratke valne duljine, dok drugi fluoresciraju pod dugim valnim duljinama, a neki pokazuju nejasnu fluorescenciju. Boja emitirane svjetlosti često značajno varira s različitim valnim duljinama pobude.
Pojava ovih pojava nije ograničena samo na korištenje ultraljubičastog zračenja; nego se ekscitacija može postići bilo kojim zračenjem koje posjeduje odgovarajuću energiju. Na primjer, X-zrake mogu izazvati fluorescenciju u raznim tvarima, od kojih mnogi također reagiraju na različite vrste zračenja. Magnezijev volframat, na primjer, pokazuje osjetljivost na gotovo sva zračenja s valnim duljinama kraćim od 300 nm, obuhvaćajući i ultraljubičasti i rendgenski spektar. Nadalje, određeni materijali mogu se lako pobuditi elektronima, kao što je primjer fosfora koji se koristi u televizijskim cijevima.
I kako su ti fenomeni povezani s drugim prirodnim događajima?
Razumijevanje razlika između luminiscencije, fluorescencije i fosforescencije također pomaže u razumijevanju prirodnih pojava kao što su slojevi oblaka cirusa i druge atmosferske pojave. Ovo znanje obogaćuje tumačenje svjetlosnih spektara i interakcije svjetla s različitim materijalima u našem okruženju, kao i otvara vrata novim znanstvenim i tehnološkim primjenama. Otkrivanje kako se ti fenomeni javljaju i koji im uvjeti pogoduju moglo bi biti ključno za napredak u područjima kao što su mineralogija, astronomija i biomedicina.
