Η διαφορά μεταξύ φθορισμού και φωσφορισμού

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Ο φθορισμός και ο φωσφορισμός είναι δύο ατομικές διεργασίες με τις οποίες ένα υλικό εκπέμπει φως. Ωστόσο, ο φθορισμός και ο φωσφορισμός παράγονται με διαφορετικές διαδικασίες. Και στα δύο φαινόμενα φθορισμού και φωσφορισμού, τα μόρια του υλικού απορροφούν φως και εκπέμπουν φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας (ή μεγαλύτερου μήκους κύματος), αλλά στον φθορισμό η διαδικασία είναι πολύ πιο γρήγορη από ό,τι στον φωσφορισμό. Επιπλέον, η φορά περιστροφής των ηλεκτρονίων δεν αλλάζει.

Τι είναι η φωτοφωταύγεια;

Φωτεινότητα είναι η ιδιότητα που διαθέτουν ορισμένα υλικά να εκπέμπουν ακτινοβολία φωτός (φωτόνια με ενέργεια στην ορατή περιοχή) αφού έχουν υποβληθεί σε ένα συγκεκριμένο εξωτερικό ερέθισμα. Ειδικότερα, φωτοφωταύγιες ουσίες είναι εκείνες που, όταν εκτίθενται σε πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως η υπεριώδης ακτινοβολία (UV), εκπέμπουν ορατό φως ως αποτέλεσμα της διέγερσης των ατόμων ή των μορίων τους που προκαλείται από τη λαμβανόμενη ακτινοβολία.

Ένας από τους τρόπους με τους οποίους ένα υλικό μπορεί να απορροφήσει ένα ενεργειακό ερέθισμα είναι διεγείροντας τα ηλεκτρόνια των ατόμων του σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο από ό,τι πριν λάβει το ερέθισμα. Σε αυτή την περίπτωση, λέμε ότι τα μόρια ή τα άτομα διεγείρονται ή αυξάνουν τη δόνηση τους, οπότε συμβαίνει θέρμανση του υλικού . Τα μόρια ή τα άτομα μπορούν να διεγερθούν απορροφώντας διαφορετικούς τύπους ενέργειας: ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φως με διαφορετικά μήκη κύματος και επομένως με διαφορετική ενέργεια), χημική ενέργεια, ως αποτέλεσμα κάποιας εξωεργικής χημικής αντίδρασης ή μηχανική ενέργεια, για παράδειγμα τριβή. ή πίεση αλλαγές. 

Η απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (φως) ή φωτονίων από ένα υλικό μπορεί να προκαλέσει τα δύο αποτελέσματα που αναφέραμε: ότι τα μόρια ή τα άτομα του υλικού θερμαίνονται ή ότι διεγείρονται. Όταν διεγείρονται, τα ηλεκτρόνια περνούν σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από ό,τι πριν λάβουν το ενεργειακό ερέθισμα. καθώς επιστρέφουν στο αρχικό ενεργειακό τους επίπεδο, ή σε πιο σταθερή βασική κατάσταση , εκπέμπουν φωτόνια με ενέργεια που αντιστοιχεί στη διαφορά ενέργειας μεταξύ της διεγερμένης και της θεμελιώδους κατάστασης. Αυτή η διαφορά ενέργειας είναι μια ιδιότητα του υλικού, ανεξάρτητα από την ενέργεια που απορροφά. Αυτές είναι οι φωτοφωταύγιες ουσίες ή υλικά και τα εκπεμπόμενα φωτόνια γίνονται αντιληπτά ως φωτοφωταύγεια. 

Ο φθορισμός και ο φωσφορισμός είναι δύο μορφές φωτοφωταύγειας ενός υλικού. Άλλοι μηχανισμοί φωταύγειας, που σχετίζονται με άλλο τύπο ενεργειακού ερεθίσματος ή πηγή διέγερσης, είναι η τριβολοφωταύγεια (που σχετίζεται με την τριβή), η βιοφωταύγεια (που σχετίζεται με βιολογικές διεργασίες, όπως αυτή των πυγολαμπίδων) και η χημειοφωταύγεια (που σχετίζεται με χημικές αντιδράσεις).

φθορισμός

Ο φθορισμός είναι ένας μηχανισμός στον οποίο απορροφάται φως υψηλής ενέργειας (μικρού μήκους κύματος ή υψηλής συχνότητας), δημιουργώντας τη διέγερση των ηλεκτρονίων στο υλικό. Συνήθως, το απορροφούμενο φως βρίσκεται στην περιοχή υπεριώδους και η διαδικασία απορρόφησης συμβαίνει γρήγορα χωρίς να αλλάξει η φορά περιστροφής του ηλεκτρονίου. Όπως ήδη αναφέρθηκε, ο φθορισμός είναι μια γρήγορη διαδικασία, έτσι ώστε όταν σταματήσει η πηγή διέγερσης, το υλικό σταματά αμέσως να λάμπει.

Το χρώμα (μήκος κύματος) του φωτός που εκπέμπεται από ένα φθορίζον υλικό είναι ανεξάρτητο από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός και μπορεί να αντιστοιχεί στο ορατό ή υπέρυθρο φάσμα (χαμηλότερη συχνότητα ή μεγαλύτερο μήκος κύματος από το ορατό φως). Η αποδιέγερση στη θεμελιώδη κατάσταση των ηλεκτρονίων εκπέμπει ορατό ή υπέρυθρο φως. Η διαφορά στο μήκος κύματος μεταξύ του φάσματος απορρόφησης και εκπομπής ενός φθορίζοντος υλικού ονομάζεται μετατόπιση Stokes.

Οι βασικές παράμετροι των μηχανισμών φθορισμού είναι:

  • Μέση διάρκεια ζωής (τ): Μέσος χρόνος που περνά το μόριο σε διεγερμένη κατάσταση πριν επιστρέψει στη βασική (~10 ns).
  • Κβαντική απόδοση (φF): αναλογία μεταξύ του αριθμού των φωτονίων που εκπέμπονται σε σχέση με αυτά που απορροφήθηκαν. Είναι πάντα λιγότερο από 1.

παραδείγματα φθορισμού

Μερικά παραδείγματα φθορισμού είναι τα φώτα φθορισμού και οι επιγραφές νέον, τα υλικά που λάμπουν κάτω από ένα μαύρο φως (υπεριώδης ακτινοβολία), αλλά σταματούν να λάμπουν μόλις σβήσει το συναρπαστικό φως και οι μαρκαδόροι. Ένα πολύ περίεργο παράδειγμα είναι οι σκορπιοί, οι οποίοι φθορίζουν όταν διεγείρονται από το υπεριώδες φως. Ο εξωσκελετός του ζώου δεν το προστατεύει από την υπεριώδη ακτινοβολία, επομένως δεν πρέπει να εκτίθεται για μεγάλα χρονικά διαστήματα. 

φωσφορισμός

Όπως και στον φθορισμό, ένα φωσφορίζον υλικό απορροφά φως υψηλής ενέργειας (συνήθως υπεριώδες), το οποίο προκαλεί τα ηλεκτρόνια στο υλικό να διεγείρονται σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο από ό,τι πριν από τη διέγερση. Όμως, σε αντίθεση με τον φωσφορισμό, η μετάβαση στη βασική ενεργειακή κατάσταση συμβαίνει σε πολύ μεγαλύτερους χρόνους και η κατεύθυνση της περιστροφής του ηλεκτρονίου μπορεί να αλλάξει κατά τη διαδικασία διέγερσης και αποδιέγερσης.

Τα φωσφορίζοντα υλικά μπορούν να λάμπουν για αρκετά δευτερόλεπτα ή έως και μερικές ημέρες μετά τη διακοπή της διέγερσης. Αυτό συμβαίνει επειδή το ενεργειακό άλμα των διεγερμένων ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερο από ό,τι στα φαινόμενα φθορισμού. Δηλαδή, η απώλεια ενέργειας των ηλεκτρονίων κατά την επιστροφή στη θεμελιώδη κατάσταση είναι μεγαλύτερη και η αποδιέγερση μπορεί να παραχθεί περνώντας από ενδιάμεσες ενεργειακές καταστάσεις μεταξύ της διεγερμένης και της θεμελιώδους κατάστασης.

Ένα ηλεκτρόνιο δεν αλλάζει ποτέ την κατεύθυνση περιστροφής ή σπιν του σε γεγονότα φθορισμού, αλλά μπορεί να το κάνει σε γεγονότα φωσφορισμού, επομένως αυτή η αλλαγή μπορεί να συμβεί κατά την απορρόφηση ενέργειας ή κατά τη διαδικασία αποδιέγερσης. Οι αλλαγές σπιν που προκαλούνται από τη διέγερση φωτός περιλαμβάνουν μεγαλύτερους χρόνους αποδιέγερσης, καθώς το ηλεκτρόνιο δεν θα επιστρέψει στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση έως ότου επιστρέψει στο αρχικό του σπιν, και έτσι τα φωσφορίζοντα υλικά λάμπουν στο σκοτάδι ακόμα και αφού περάσουν. Η πηγή της διέγερσης έχει πάψει.

Παραδείγματα Φωσφορισμού

Τα φωσφορίζοντα υλικά χρησιμοποιούνται σε σκοπευτικά όπλων, σε διάφορα χρώματα και σε δείκτες ρολογιού για να δείξουν την ώρα τη νύχτα.

Κρήνη

Thermofisher Scientific. Βασικές αρχές φθορισμού Βασικές αρχές φθορισμού | Thermo Fisher Scientific – AR 2021

-Διαφήμιση-

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

Artículos relacionados