La diferencia entre fluorescencia y fosforescencia

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La fluorescencia y la fosforescencia son dos procesos atómicos mediante los cuales un material emite luz; sin embargo, la fluorescencia y la fosforescencia se producen por procesos diferentes. Tanto en los fenómenos de fluorescencia como en los de fosforescencia las moléculas del material absorben luz y emiten fotones de menor energía (o de mayor longitud de onda), pero en la fluorescencia el proceso es mucho mas rápido que en la fosforescencia; además, la dirección de rotación de los electrones no cambia.

¿Qué es la fotoluminiscencia?

La luminiscencia es la propiedad que poseen ciertos materiales de emitir radiación luminosa (fotones con energía en el rango visible) después de haber sido sometidos a cierto estímulo externo. En particular, las sustancias fotoluminiscentes son aquellas que, al estar expuestas a una fuente de radiación electromagnética como la radiación ultravioleta (UV), emiten luz visible como resultado de la excitación de sus átomos o moléculas causada por la radiación recibida.

Una de las formas en las que un material puede absorber un estímulo energético es excitando los electrones de sus átomos a un nivel energético mayor al previo a recibir el estímulo; en este caso, decimos que las moléculas o átomos están excitadas o aumentando su vibración, en cuyo caso se produce calentamiento del material. Las moléculas o átomos pueden excitarse al absorber diferentes tipos de energía: radiación electromagnética (luz con diferente longitud de onda, y por lo tanto con diferente energía), energía química, como resultado de alguna reacción química exoérgica, o energía mecánica, por ejemplo fricción o cambios de presión. 

La absorción de energía electromagnética (luz) o fotones por un material puede producir los dos efectos que mencionamos: que las moléculas o átomos del material se calienten o que se exciten. Cuando se excitan, los electrones pasan a un nivel energético mayor al previo a recibir el estímulo energético; a medida que regresan a su nivel energético original o estado fundamental, más estable, emiten fotones con una energía correspondiente a la diferencia de energía entre el estado excitado y el fundamental. Esta diferencia de energía es una propiedad del material, independiente de la energía que absorbe. Estas son las sustancias o materiales fotoluminiscentes, y los fotones emitidos se perciben como fotoluminiscencia. 

La fluorescencia y la fosforescencia son dos formas de fotoluminiscencia de un material. Otros mecanismos de luminiscencia, asociados a otro tipo de estímulo energético o fuente de excitación, son la triboluminiscencia (asociado a la fricción), la bioluminiscencia (asociado a procesos biológicos, como el de las luciérnagas) y la quimioluminiscencia (asociado a reacciones químicas).

La fluorescencia

La fluorescencia es un mecanismo en el que se absorbe luz de alta energía (longitud de onda corta o frecuencia alta) generando la excitación de los electrones del material. Por lo general, la luz absorbida está en el rango ultravioleta y el proceso de absorción se produce rápidamente sin cambiar la dirección del rotación del electrón. Como ya se mencionó, la fluorescencia es un proceso rápido, de forma que al cesar la fuente de excitación, el material deja de brillar inmediatamente.

El color (longitud de onda) de la luz emitida por un material fluorescente es independiente de la longitud de onda de la luz incidente y puede corresponder al espectro visible o al infrarrojo (menor frecuencia, o mayor longitud de onda, que la luz visible). La desexcitación al estado fundamental de los electrones emite luz visible o infrarroja. La diferencia de longitud de onda entre el espectro de absorción y el de emisión de un material fluorescente se denomina desplazamiento de Stokes .

Los parámetros básicos de los mecanismos de la fluorescencia son:

  • Tiempo de vida promedio (τ): tiempo promedio en que la molécula pasa en el estado excitado antes de volver al basal (~10 ns).
  • Rendimiento cuántico (φF): relación entre la cantidad de fotones emitidos respecto de los absorbidos. Siempre es menor a 1.

Ejemplos de fluorescencia

Algunos ejemplos de fluorescencia son las luces fluorescentes y los letreros de neón, los materiales que brillan bajo una luz negra (luz ultravioleta) pero dejan de brillar una vez que se apaga la luz que los excita, y los rotuladores. Un ejemplo muy peculiar son los escorpiones, que son fluorescentes cuando se los excita con luz ultravioleta. El exoesqueleto del animal no lo protege de la radiación ultravioleta, por lo que no se los debe exponer por lapsos prolongados. 

La fosforescencia

Al igual que en la fluorescencia, un material fosforescente absorbe luz de alta energía (generalmente ultravioleta), lo que hace que los electrones del material se exciten a un nivel energético mayor al previo a la excitación. Pero, a diferencia de la fosforescencia, la transición al estado energético fundamental ocurre en lapsos mucho mayores y la dirección de rotación del electrón puede modificarse en el proceso de excitación y desexcitación.

Los materiales fosforescentes pueden brillar durante varios segundos o hasta un par de días después de que cesa la excitación. Esto ocurre porque el salto de energía de los electrones excitados es mayor que en los fenómenos de fluorescencia; es decir, la pérdida de energía de los electrones al volver al estado fundamental es mayor y la desexcitación puede producirse pasando por estados energéticos intermedios entre el estado excitado y el estado fundamental.

Un electrón nunca cambia su dirección de rotación o spin en los fenómenos de fluorescencia, pero sí puede hacerlo en los de fosforescencia, por lo que este cambio se puede producir durante la absorción de energía o durante el proceso de desexcitación. Los cambios de spin originados por la excitación lumínica involucran tiempos más prolongados de desexcitación, ya que el electrón no volverá a su estado de menor energía hasta que vuelva a su spin original, y de esta forma los materiales fosforescentes brillan en la oscuridad aún cuando ha cesado la fuente de excitación.

Ejemplos de fosforescencia

Los materiales fosforescentes se utilizan en miras de armas, en diversas pinturas y en las agujas de los relojes para ver la hora de noche.

Fuente

Thermo fisher Scientific. Fluorescence Fundamentals Fluorescence Fundamentals | Thermo Fisher Scientific – AR 2021

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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