Existují některé termíny, které způsobují zmatek v běžném každodenním jazyce. Mezi těmito pojmy máme luminiscence, fluorescence a fosforescence. Jsou to stejné podmínky? V čem se liší a na co každý odkazuje?
To vše uvidíme v tomto článku, tak si to nenechte ujít.
Co je luminiscence
Termín luminiscence se zásadně vztahuje k emisi světla. V našem prostředí většina objektů vyzařuje světlo díky energii, kterou dostávají ze slunce, které Je to nejjasnější entita, kterou vidíme. Na rozdíl od měsíce, který zdánlivě vyzařuje světlo, ve skutečnosti odráží sluneční světlo a funguje podobně jako kolosální kamenné zrcadlo. Chcete-li lépe porozumět tomu, jak funguje luminiscence v různých látkách, můžete se poradit vliv astronomických jevů na luminiscenci.
V zásadě existují tři hlavní typy luminiscence: fluorescence, fosforescence a chemiluminiscence. Mezi nimi jsou fluorescence a fosforescence klasifikovány jako formy fotoluminiscence. Rozdíl mezi fotoluminiscencí a chemiluminiscencí spočívá v mechanismu aktivace luminiscence; Při fotoluminiscenci působí světlo jako spouštěč, zatímco při chemiluminiscenci iniciuje emisi světla chemická reakce.
Jak fluorescence, tak fosforescence, což jsou formy fotoluminiscence, závisí na schopnosti látky absorbovat světlo a následně ho emitovat na delší vlnové délce, což ukazuje na snížení energie. Však, Doba trvání tohoto procesu se výrazně liší. Při fluorescenčních reakcích dochází k emisi světla okamžitě a je pozorovatelná pouze tehdy, když světelný zdroj zůstává aktivní (jako jsou ultrafialová světla).
Naproti tomu fosforescenční reakce umožňují materiálu zachovat absorbovanou energii, což mu umožňuje později vyzařovat světlo, což má za následek záři, která pokračuje i po zhasnutí zdroje světla. Pokud tedy luminiscence zmizí okamžitě, je klasifikována jako fluorescence; Pokud přetrvává, identifikuje se jako fosforescence; a pokud k aktivaci vyžaduje chemickou reakci, nazývá se chemiluminiscence.
Příklady toho lze nalézt v přírodních jevech a technologických aplikacích, jako je např fluorescenční a fosforeskující materiály. Například si lze představit noční klub, kde látka a zuby svítí pod černým světlem (fluorescence), značka nouzového východu vyzařuje světlo (fosforescence) a svítící tyčinky také vytvářejí osvětlení (chemiluminiscence). Také při označování předmětů a ve vědeckých studiích, kde je podstatný rozdíl v délce luminiscence.
Fluorescence
Materiály, které okamžitě vyzařují světlo, se nazývají fluorescenční. V těchto materiálech atomy absorbují energii, což způsobuje, že vstoupí do „excitovaného“ stavu. Po návratu do normálního stavu přibližně za sto tisícin sekundy (v rozmezí 10^-9 až 10^-6 sekund) uvolňují tuto energii ve formě drobných částic světla známých jako fotony.
Formálně řečeno, Fluorescence je radiační proces, při kterém excitují elektrony Přecházejí z nejnižšího vybuzeného stavu (S1) do základního stavu (S0). Během tohoto přechodu elektron rozptýlí část své energie prostřednictvím vibrační relaxace, což vede k tomu, že emitovaný foton má sníženou energii a v důsledku toho delší vlnovou délku.
Praktické aplikace a příklady fluorescence naleznete v části „Aplikace a použití fluorescence ve vědě a technice“.
Fosforescence
Abychom pochopili rozdíly mezi fluorescencí a fosforescencí, je nutné stručně prozkoumat koncept elektronového spinu. Spin představuje základní charakteristiku elektronu, působí jako typ momentu hybnosti, který ovlivňuje jeho chování v elektromagnetickém poli. Tato vlastnost může mít hodnotu pouze ½ a může vykazovat orientaci nahoru nebo dolů. Uvnitř stejného orbitalu atomu elektrony konzistentně vykazují antiparalelní spin, když jsou v základním stavu singletu (SO). Po přechodu do excitovaného stavu si elektron zachovává svou spinovou orientaci, což vede k vytvoření singletového excitovaného stavu (S0), kde obě spinové orientace zůstávají spárované v antiparalelní konfiguraci. Je důležité poznamenat, že všechny relaxační procesy spojené s fluorescencí jsou spinově neutrální, což zajišťuje, že orientace spinu elektronů je vždy zachována.
V případě fosforescence, Proces se výrazně liší, protože zahrnuje přechody mezi stavy s různou orientací spinu.. Mezi systémy, které přecházejí ze singletového excitovaného stavu (S10) do energeticky příznivějšího tripletového excitovaného stavu (T11), dochází k rychlým přechodům (v rozmezí od 10^-6 do 1^-1 sekund). Tento přechod má za následek obrácení rotace elektronů; Výsledné stavy jsou charakterizovány paralelními spiny na obou elektronech a jsou klasifikovány jako metastabilní. V tomto případě dochází k relaxaci fosforescencí, která vede k dalšímu převrácení elektronového spinu a následné emisi fotonu.
Přechod zpět do uvolněného singletového stavu (SO) může nastat po dlouhém zpoždění (v rozmezí 0^-10 až více než 3 sekund). Během tohoto relaxačního procesu spotřebovávají neradiační mechanismy více energie při fosforescenční relaxaci ve srovnání s fluorescencí, což vede k většímu energetickému rozdílu mezi absorbovanými a emitovanými fotony a následně k většímu posunu vlnové délky. Je zajímavé sledovat, jak rozdíl v atomové struktuře materiálů způsobuje tyto variace v jevech luminiscence.
Excitační a emisní spektra
Luminiscence nastává, když jsou elektrony látky excitovány absorbováním fotonů a následně tuto energii uvolňují ve formě záření. V určitých případech Emitované záření se může skládat z fotonů, které mají stejnou energii a vlnovou délku jako ty absorbované; Tento jev je známý jako rezonanční fluorescence. Častěji má emitované záření delší vlnovou délku, což ukazuje na nižší energii ve srovnání s absorbovanými fotony.
Tento přechod na delší vlnové délky je známý jako Stokesův posun. Když jsou elektrony excitovány krátkým, neviditelným zářením, stoupají do vyšších energetických stavů. Po návratu do původního stavu emitují viditelné světlo se stejnou vlnovou délkou, což je příklad rezonanční fluorescence. Tyto excitované elektrony se však mohou také vrátit na střední energetickou hladinu, což vede k emisi světelného fotonu, který nese méně energie než počáteční excitace. Tento proces, když je indukován ultrafialovým světlem, obecně se projevuje jako fluorescence ve viditelném spektru. V případě fosforeskujících materiálů dochází ke zpoždění mezi excitací elektronů na vysoké energetické hladiny a jejich návratem do základního stavu.
Zajímavým aspektem je skutečnost, že intenzita a barva emitovaného světla závisí na látce a excitační vlnové délce, což je zásadní při návrhu fluorescenčních a fosforeskujících materiálů. Vztah mezi excitačními a emisními vlnovými délkami, známý jako excitační a emisní spektra, je klíčem k pochopení toho, jak a kdy k těmto jevům dochází.
Je důležité poznamenat, že vlnová délka emise nezávisí na vlnové délce excitace, s výjimkou případů, kdy látky mají více mechanismů luminiscence. V důsledku toho minerály vykazují různé schopnosti absorbovat ultrafialové světlo při specifických vlnových délkách; některé fluoreskují pod krátkovlnným ultrafialovým světlem, zatímco jiné fluoreskují pod dlouhými vlnovými délkami a některé vykazují nevýraznou fluorescenci. Barva vyzařovaného světla se často výrazně liší s různými vlnovými délkami excitace.
Výskyt těchto jevů není omezen pouze na použití ultrafialového záření; spíše, buzení může být dosaženo jakýmkoli zářením, které má vhodnou energii. Například, Rentgenové záření je schopné vyvolat fluorescenci v různých látkách, z nichž mnohé také reagují na různé druhy záření. Například wolframan hořečnatý vykazuje citlivost na téměř veškeré záření s vlnovými délkami kratšími než 300 nm, zahrnující jak ultrafialové, tak rentgenové spektrum. Kromě toho mohou být určité materiály snadno excitovány elektrony, jak dokládají fosfory používané v televizních trubicích.
A jak tyto jevy souvisí s jinými přírodními událostmi?
Pochopení rozdílů mezi luminiscencí, fluorescencí a fosforescencí také pomáhá pochopit přírodní jevy jako např vrstvy cirrů a další atmosférické jevy. Tyto znalosti obohacují interpretaci světelných spekter a interakci světla s různými materiály v našem prostředí a také otevírají dveře novým vědeckým a technologickým aplikacím. Zjištění, jak k těmto jevům dochází a jaké podmínky je podporují, by mohlo být klíčem k pokroku v oblastech, jako je mineralogie, astronomie a biomedicína.
