La fluorescenza e la fosforescenza sono due meccanismi che emettono luce o esempi di fotoluminescenza. Tuttavia, i due termini non significano la stessa cosa e non si verificano nello stesso modo. Sia in fluorescenza che in fosforescenza, le molecole assorbono la luce ed emettono fotoni con meno energia (lunghezza d'onda maggiore), ma la fluorescenza si verifica molto più rapidamente della fosforescenza e non cambia la direzione di rotazione degli elettroni.
Ecco come funziona la fotoluminescenza e uno sguardo ai processi di fluorescenza e fosforescenza, con esempi familiari di ogni tipo di emissione di luce.
Nozioni di base sulla fotoluminescenza
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La fluorescenza è un processo di fotoluminescenza veloce, quindi vedi il bagliore solo quando la luce nera splende sull'oggetto.
Don Farrall / Getty Images
La fotoluminescenza si verifica quando le molecole assorbono energia. Se la luce provoca eccitazione elettronica, le molecole vengono chiamate eccitate. Se la luce provoca eccitazione vibrazionale, le molecole sono chiamate calde. Le molecole possono eccitarsi assorbendo diversi tipi di energia, come energia fisica (luce), energia chimica o energia meccanica (ad es. Attrito o pressione). L'assorbimento di luce o fotoni può far diventare le molecole sia calde che eccitate. Quando eccitati, gli elettroni vengono portati a un livello di energia più elevato. Quando tornano a un livello di energia più basso e più stabile, i fotoni vengono rilasciati. I fotoni vengono percepiti come fotoluminescenza. I due tipi di fotoluminescenza, fluorescenza e fosforescenza.
Come funziona la fluorescenza
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Una lampadina fluorescente è un buon esempio di fluorescenza.
Bruno Ehrs / Getty Images
In fluorescenza, la luce ad alta energia (lunghezza d'onda corta, alta frequenza) viene assorbita, portando un elettrone in uno stato energetico eccitato. Di solito, la luce assorbita è nella gamma degli ultravioletti. Il processo di assorbimento avviene rapidamente (in un intervallo di 10-15 secondi) e non cambia la direzione dello spin dell'elettrone. La fluorescenza si verifica così rapidamente che se si spegne la luce, il materiale smette di brillare.
Il colore (lunghezza d'onda) della luce emessa dalla fluorescenza è quasi indipendente dalla lunghezza d'onda della luce incidente. Oltre alla luce visibile, viene rilasciata anche la luce a infrarossi o IR. Il rilassamento vibrazionale rilascia la luce IR circa 10-12 secondi dopo che la radiazione incidente è stata assorbita. La diseccitazione allo stato fondamentale dell'elettrone emette luce visibile e IR e si verifica circa 10-9 secondi dopo che l'energia è stata assorbita. La differenza di lunghezza d'onda tra gli spettri di assorbimento e di emissione di un materiale fluorescente è chiamata spostamento di Stokes.
Esempi di fluorescenza
Le luci fluorescenti e le insegne al neon sono esempi di fluorescenza, così come i materiali che brillano sotto una luce nera, ma smettono di brillare una volta che la luce ultravioletta è spenta. Alcuni scorpioni emetteranno fluorescenza. Brillano finché una luce ultravioletta fornisce energia, tuttavia, l'esoscheletro dell'animale non lo protegge molto bene dalle radiazioni, quindi non dovresti tenere una luce nera accesa molto a lungo per vedere uno scorpione bagliore. Alcuni coralli e funghi sono fluorescenti. Anche molti evidenziatori sono fluorescenti.
Come funziona la fosforescenza
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Le stelle dipinte o incollate sulle pareti della camera da letto brillano al buio a causa della fosforescenza.
Dougal Waters / Getty Images
Come nella fluorescenza, un materiale fosforescente assorbe la luce ad alta energia (solitamente ultravioletta), facendo sì che gli elettroni si spostino in uno stato di energia superiore, ma la transizione a uno stato di energia inferiore avviene molto più lentamente e la direzione dello spin dell'elettrone può cambiare. I materiali fosforescenti possono sembrare brillare per diversi secondi fino a un paio di giorni dopo che la luce è stata spenta. Il motivo per cui la fosforescenza dura più a lungo della fluorescenza è perché gli elettroni eccitati salgono a un livello di energia più elevato rispetto alla fluorescenza. Gli elettroni hanno più energia da perdere e possono trascorrere del tempo a diversi livelli di energia tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale.
Un elettrone non cambia mai la sua direzione di spin in fluorescenza, ma può farlo se le condizioni sono giuste durante la fosforescenza. Questo capovolgimento di rotazione può verificarsi durante l'assorbimento di energia o successivamente. Se non si verifica alcun capovolgimento di spin, si dice che la molecola sia in uno stato di singoletto. Se un elettrone subisce un ribaltamento di spin, si forma uno stato di tripletto. Gli stati di tripletta hanno una lunga durata, poiché l'elettrone non cadrà in uno stato di energia inferiore fino a quando non tornerà al suo stato originale. A causa di questo ritardo, i materiali fosforescenti sembrano "brillare al buio".
Esempi di fosforescenza
I materiali fosforescenti sono usati nei mirini delle armi, nelle stelle scure e nella vernice usata per realizzare murales con stelle. L'elemento fosforo si illumina al buio, ma non per fosforescenza.
Altri tipi di luminescenza
La fluorescenza e la fosforescenza sono solo due modi in cui la luce può essere emessa da un materiale. Altri meccanismi di luminescenza includono triboluminescenza, bioluminescenza e chemiluminescenza.