Er zijn een aantal termen die verwarring veroorzaken in het gewone alledaagse taalgebruik. Onder deze termen hebben we de luminescentie, fluorescentie en fosforescentie. Zijn het gelijke termen? Hoe is het anders en waar verwijst elk naar?
We gaan dit allemaal in dit artikel zien, dus mis het niet.
Wat is luminescentie
De term luminescentie verwijst fundamenteel naar de emissie van licht. In onze omgeving zenden de meeste objecten licht uit vanwege de energie die ze van de zon ontvangen Het is de helderste entiteit die voor ons zichtbaar is. In tegenstelling tot de maan, die licht lijkt uit te zenden, reflecteert hij feitelijk zonlicht en functioneert hij op dezelfde manier als een kolossale stenen spiegel.
In principe zijn er drie hoofdtypen luminescentie: fluorescentie, fosforescentie en chemiluminescentie. Onder hen worden fluorescentie en fosforescentie geclassificeerd als vormen van fotoluminescentie. Het onderscheid tussen fotoluminescentie en chemiluminescentie ligt in het mechanisme van activering van luminescentie; Bij fotoluminescentie fungeert licht als trigger, terwijl bij chemiluminescentie een chemische reactie de emissie van licht initieert.
Zowel fluorescentie als fosforescentie, vormen van fotoluminescentie, zijn afhankelijk van het vermogen van een stof om licht te absorberen en dit vervolgens op een langere golflengte uit te zenden, wat wijst op een vermindering van de energie. Echter, De duur van dit proces verschilt aanzienlijk. Bij fluorescentiereacties vindt lichtemissie onmiddellijk plaats en is deze alleen waarneembaar zolang de lichtbron actief blijft (zoals ultraviolet licht).
Daarentegen zorgen fosforescerende reacties ervoor dat het materiaal de geabsorbeerde energie vasthoudt, waardoor het later licht kan uitstralen, wat resulteert in een gloed die voortduurt, zelfs nadat de lichtbron is gedoofd. Als de luminescentie onmiddellijk verdwijnt, wordt deze daarom geclassificeerd als fluorescentie; Als het aanhoudt, wordt het geïdentificeerd als fosforescentie; en als er een chemische reactie nodig is om te activeren, wordt dit chemiluminescentie genoemd.
Je kunt je bijvoorbeeld een nachtclub voorstellen waar de stof en de tanden een lichtgevende gloed uitstralen onder black light (fluorescentie), het nooduitgangbord licht uitstraalt (fosforescentie) en de glowsticks ook verlichting produceren (chemiluminescentie).
Fluorescentie
Materialen die direct licht uitstralen, worden fluorescerend genoemd. In deze materialen absorberen atomen energie, waardoor ze in een ‘aangeslagen’ toestand terechtkomen. Ze keren binnen ongeveer honderdduizendste van een seconde (variërend van 10-9 tot 10-6 seconden) terug naar hun normale toestand en geven deze energie vrij in de vorm van kleine lichtdeeltjes die bekend staan als fotonen.
Formeel gesproken, Fluorescentie is een stralingsproces waarbij aangeslagen elektronen van de laagste aangeslagen toestand (S1) naar de grondtoestand (S0) gaan. In de loop van deze overgang dissipeert het elektron een deel van zijn energie door middel van vibratierelaxatie, waardoor het uitgezonden foton een verminderde energie bezit en dientengevolge een langere golflengte.
fosforescentie
Om het onderscheid tussen fluorescentie en fosforescentie te begrijpen, is het noodzakelijk om het concept van elektronenspin kort te onderzoeken. Spin vertegenwoordigt een fundamenteel kenmerk van het elektron en fungeert als een soort impulsmoment dat zijn gedrag binnen een elektromagnetisch veld beïnvloedt. Deze eigenschap kan slechts een waarde van ½ aannemen en kan een op- of neerwaartse oriëntatie vertonen. Bijgevolg wordt de spin van een elektron aangegeven als +½ of -½, of als alternatief weergegeven als ↑ of ↓. Binnen dezelfde orbitaal van een atoom vertonen elektronen consistent antiparallelle spin wanneer ze zich in de singlet-grondtoestand (S0) bevinden. Nadat het elektron naar een aangeslagen toestand is gepromoveerd, behoudt het zijn spinoriëntatie, wat resulteert in de vorming van een singlet-aangeslagen toestand (S1), waarbij beide spinoriëntaties gepaard blijven in een antiparallelle configuratie. Het is belangrijk op te merken dat alle relaxatieprocessen die verband houden met fluorescentie spin-neutraal zijn, waardoor ervoor wordt gezorgd dat de elektronenspinoriëntatie te allen tijde behouden blijft.
In het geval van fosforescentie Het proces verschilt aanzienlijk. Er vinden snelle overgangen (variërend van 10^-11 tot 10^-6 seconden) plaats tussen systemen die van de singlet-aangeslagen toestand (S1) naar een triplet-aangeslagen toestand (T1) gaan die energetisch gunstiger is. Deze overgang resulteert in de omkering van de elektronenspin; De resulterende toestanden worden gekenmerkt door parallelle spins in beide elektronen en worden geclassificeerd als metastabiel. In dit geval vindt relaxatie plaats door fosforescentie, wat leidt tot een nieuwe omkering van de elektronenspin en de daaropvolgende emissie van een foton.
De overgang terug naar de ontspannen singlettoestand (S0) kan plaatsvinden na een lange vertraging (variërend van 10^-3 tot meer dan 100 seconden). Tijdens dit relaxatieproces verbruiken niet-stralingsmechanismen meer energie bij fosforescerende relaxatie vergeleken met fluorescentie, wat resulteert in een groter energieverschil tussen geabsorbeerde en uitgezonden fotonen en bijgevolg een grotere verandering in lengte van de golf.
Excitatie- en emissiespectra
Luminescentie treedt op wanneer de elektronen van een stof worden geëxciteerd door fotonen te absorberen en die energie vervolgens vrij te geven in de vorm van straling. In bepaalde gevallen kan De uitgezonden straling kan bestaan uit fotonen die dezelfde energie en golflengte hebben als de geabsorbeerde; Dit fenomeen staat bekend als resonantiefluorescentie. Vaker heeft de uitgezonden straling een langere golflengte, wat wijst op een lagere energie vergeleken met de geabsorbeerde fotonen.
Deze overgang naar langere golflengten staat bekend als de Stokes-verschuiving. Wanneer elektronen worden opgewonden door korte, onzichtbare straling, stijgen ze op naar hogere energietoestanden. Wanneer ze terugkeren naar hun oorspronkelijke staat, zenden ze zichtbaar licht uit met dezelfde golflengte, wat een voorbeeld is van resonantiefluorescentie. Deze aangeslagen elektronen kunnen echter ook terugkeren naar een tussenliggend energieniveau, wat resulteert in de emissie van een lichtgevend foton dat minder energie draagt dan die van de initiële excitatie. Dit proces, wanneer het wordt geïnduceerd door ultraviolet licht, manifesteert het zich doorgaans als fluorescentie binnen het zichtbare spectrum. In het geval van fosforescerende materialen is er een vertraging tussen de excitatie van elektronen naar hoge energieniveaus en hun terugkeer naar de grondtoestand.
Een specifieke stof reageert niet op alle golflengten. Er is echter gewoonlijk een verband tussen de excitatiegolflengte en de amplitude van de resulterende emissie. Deze relatie staat bekend als het excitatiespectrum. Op dezelfde manier, Er kan een correlatie worden waargenomen tussen de amplitude en de golflengte van de uitgezonden straling, ook wel het emissiespectrum genoemd.
Het is belangrijk op te merken dat de emissiegolflengte niet afhankelijk is van de excitatiegolflengte, behalve in gevallen waarin stoffen meerdere luminescentiemechanismen bezitten. Bijgevolg vertonen mineralen verschillende capaciteiten om ultraviolet licht op specifieke golflengten te absorberen; sommige fluoresceren onder ultraviolet licht met een korte golflengte, terwijl andere fluoresceren onder lange golflengten, en sommige vertonen onduidelijke fluorescentie. De kleur van het uitgezonden licht varieert vaak aanzienlijk met verschillende excitatiegolflengten.
Het optreden van deze verschijnselen beperkt zich niet uitsluitend tot het gebruik van ultraviolette straling; excitatie kan eerder worden bereikt door elke straling die de juiste energie bezit. Bijvoorbeeld, Röntgenstralen kunnen fluorescentie induceren in verschillende stoffen, waarvan er vele ook reageren op verschillende soorten straling. Magnesiumwolframaat is bijvoorbeeld gevoelig voor vrijwel alle straling met een golflengte van minder dan 300 nm, die zowel het ultraviolette als het röntgenspectrum omvat. Bovendien kunnen bepaalde materialen gemakkelijk door elektronen worden geëxciteerd, zoals blijkt uit de lucifers die in televisiebuizen worden gebruikt.
Ik hoop dat je met deze informatie meer kunt leren over de verschillen tussen fluorescentie, fosforescentie en luminescentie.