Υπάρχουν ορισμένοι όροι που δημιουργούν σύγχυση στην κοινή καθημερινή γλώσσα. Μεταξύ αυτών των όρων έχουμε το φωταύγεια, φθορισμό και φωσφορισμό. Είναι ίσοι όροι; Σε τι διαφέρει και σε τι αναφέρεται το καθένα;
Θα τα δούμε όλα αυτά σε αυτό το άρθρο, οπότε μην το χάσετε.
Τι είναι η φωταύγεια
Ο όρος φωταύγεια αναφέρεται ουσιαστικά στην εκπομπή φωτός. Στο περιβάλλον μας, τα περισσότερα αντικείμενα εκπέμπουν φως λόγω της ενέργειας που λαμβάνουν από τον ήλιο, η οποία Είναι η πιο φωτεινή οντότητα που είναι ορατή σε εμάς. Σε αντίθεση με το φεγγάρι, το οποίο φαίνεται να εκπέμπει φως, στην πραγματικότητα αντανακλά το φως του ήλιου, λειτουργώντας παρόμοια με έναν κολοσσιαίο πέτρινο καθρέφτη. Για να κατανοήσετε καλύτερα πώς λειτουργεί η φωταύγεια σε διάφορες ουσίες, μπορείτε να συμβουλευτείτε η επίδραση των αστρονομικών φαινομένων στη φωταύγεια.
Βασικά, υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι φωταύγειας: φθορισμού, φωσφορισμού και χημειοφωταύγειας. Μεταξύ αυτών, ο φθορισμός και ο φωσφορισμός ταξινομούνται ως μορφές φωτοφωταύγειας. Η διάκριση μεταξύ φωτοφωταύγειας και χημειοφωταύγειας έγκειται στον μηχανισμό ενεργοποίησης της φωταύγειας. Στη φωτοφωταύγεια, το φως ενεργεί ως έναυσμα, ενώ στη χημειοφωταύγεια, μια χημική αντίδραση ξεκινά την εκπομπή φωτός.
Τόσο ο φθορισμός όσο και ο φωσφορισμός, που είναι μορφές φωτοφωταύγειας, εξαρτώνται από την ικανότητα μιας ουσίας να απορροφά φως και στη συνέχεια να το εκπέμπει σε μεγαλύτερο μήκος κύματος, υποδηλώνοντας μείωση της ενέργειας. Ωστόσο, Η διάρκεια αυτής της διαδικασίας διαφέρει σημαντικά. Στις αντιδράσεις φθορισμού, η εκπομπή φωτός συμβαίνει στιγμιαία και είναι παρατηρήσιμη μόνο όταν η πηγή φωτός παραμένει ενεργή (όπως τα υπεριώδη φώτα).
Αντίθετα, οι φωσφορίζουσες αντιδράσεις επιτρέπουν στο υλικό να διατηρεί την απορροφούμενη ενέργεια, επιτρέποντάς του να εκπέμπει φως αργότερα, με αποτέλεσμα μια λάμψη που συνεχίζεται ακόμα και μετά το σβήσιμο της πηγής φωτός. Επομένως, εάν η φωταύγεια εξαφανιστεί αμέσως, ταξινομείται ως φθορισμός. Εάν επιμένει, προσδιορίζεται ως φωσφορισμός. και αν χρειάζεται χημική αντίδραση για να ενεργοποιηθεί, ονομάζεται χημιφωταύγεια.
Παραδείγματα αυτού μπορούν να βρεθούν σε φυσικά φαινόμενα και τεχνολογικές εφαρμογές, όπως σε φθορίζοντα και φωσφορίζοντα υλικά. Για παράδειγμα, θα μπορούσε κανείς να φανταστεί ένα νυχτερινό κέντρο διασκέδασης όπου το ύφασμα και τα δόντια λάμπουν κάτω από μαύρο φως (φθορισμός), η πινακίδα εξόδου έκτακτης ανάγκης ακτινοβολεί φως (φωσφορισμός) και τα μπαστούνια λάμψης παράγουν επίσης φωτισμό (χημιφωταύγεια). Επίσης στη σήμανση αντικειμένων και σε επιστημονικές μελέτες, όπου η διαφορά στη διάρκεια της φωταύγειας είναι απαραίτητη.
Φθορισμός
Τα υλικά που εκπέμπουν φως αμέσως ονομάζονται φθορίζοντα. Σε αυτά τα υλικά, τα άτομα απορροφούν ενέργεια, αναγκάζοντάς τα να εισέλθουν σε μια «διεγερμένη» κατάσταση. Επιστρέφοντας στην κανονική τους κατάσταση σε περίπου εκατό χιλιοστό του δευτερολέπτου (που κυμαίνεται από 10^-9 έως 10^-6 δευτερόλεπτα), απελευθερώνουν αυτή την ενέργεια με τη μορφή μικροσκοπικών σωματιδίων φωτός γνωστά ως φωτόνια.
Επίσημα μιλώντας, Ο φθορισμός είναι μια διαδικασία ακτινοβολίας κατά την οποία διεγείρονται ηλεκτρόνια Περνούν από τη χαμηλότερη διεγερμένη κατάσταση (S1) στη βασική κατάσταση (S0). Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, το ηλεκτρόνιο διαχέει μέρος της ενέργειάς του μέσω της δονητικής χαλάρωσης, με αποτέλεσμα το εκπεμπόμενο φωτόνιο να έχει μειωμένη ενέργεια και, κατά συνέπεια, μεγαλύτερο μήκος κύματος.
Για πρακτικές εφαρμογές και παραδείγματα φθορισμού, μπορείτε να ανατρέξετε στην ενότητα "Εφαρμογές και χρήσεις του φθορισμού στην επιστήμη και την τεχνολογία".
Φωσφορισμός
Για να κατανοήσουμε τις διακρίσεις μεταξύ φθορισμού και φωσφορισμού, είναι απαραίτητο να διερευνήσουμε εν συντομία την έννοια του σπιν ηλεκτρονίων. Το σπιν αντιπροσωπεύει ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό του ηλεκτρονίου, που λειτουργεί ως τύπος γωνιακής ορμής που επηρεάζει τη συμπεριφορά του μέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Αυτή η ιδιότητα μπορεί να λάβει μόνο μια τιμή ½ και μπορεί να εμφανίσει προσανατολισμό προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Μέσα στο ίδιο τροχιακό ενός ατόμου, τα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν σταθερά αντιπαράλληλο σπιν όταν βρίσκονται στην απλή βασική κατάσταση (S0). Κατά την προώθηση σε διεγερμένη κατάσταση, το ηλεκτρόνιο διατηρεί τον προσανατολισμό του σπιν του, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας διεγερμένης κατάστασης μονής (S1), όπου και οι δύο προσανατολισμοί σπιν παραμένουν ζευγαρωμένοι σε μια αντιπαράλληλη διαμόρφωση. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι όλες οι διαδικασίες χαλάρωσης που σχετίζονται με τον φθορισμό είναι ουδέτερες ως προς το σπιν, διασφαλίζοντας ότι ο προσανατολισμός του σπιν ηλεκτρονίων διατηρείται ανά πάσα στιγμή.
Στην περίπτωση του φωσφορισμού, Η διαδικασία διαφέρει σημαντικά, καθώς περιλαμβάνει μεταβάσεις μεταξύ καταστάσεων με διαφορετικούς προσανατολισμούς περιστροφής.. Γρήγορες μεταβάσεις (που κυμαίνονται από 10^-11 έως 10^-6 δευτερόλεπτα) συμβαίνουν μεταξύ συστημάτων που περνούν από τη διεγερμένη κατάσταση μονής (S1) σε μια ενεργειακά πιο ευνοϊκή τριπλή διεγερμένη κατάσταση (T1). Αυτή η μετάβαση έχει ως αποτέλεσμα την αντιστροφή του σπιν των ηλεκτρονίων. Οι προκύπτουσες καταστάσεις χαρακτηρίζονται από παράλληλα σπιν και στα δύο ηλεκτρόνια και ταξινομούνται ως μετασταθερές. Σε αυτή την περίπτωση, η χαλάρωση συμβαίνει με φωσφορισμό, ο οποίος οδηγεί σε άλλη μια αντιστροφή του σπιν του ηλεκτρονίου και στην επακόλουθη εκπομπή ενός φωτονίου.
Η μετάβαση πίσω στη χαλαρή κατάσταση μονήρους (S0) μπορεί να συμβεί μετά από μεγάλη καθυστέρηση (που κυμαίνεται από 10^-3 έως περισσότερα από 100 δευτερόλεπτα). Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας χαλάρωσης, οι μηχανισμοί μη ακτινοβολίας καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια στη φωσφορίζουσα χαλάρωση σε σύγκριση με τον φθορισμό, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ενεργειακή διαφορά μεταξύ απορροφημένων και εκπεμπόμενων φωτονίων και, κατά συνέπεια, μεγαλύτερη μετατόπιση στο μήκος κύματος. Είναι ενδιαφέρον να παρατηρήσουμε πώς η διαφορά στην ατομική δομή των υλικών προκαλεί αυτές τις διακυμάνσεις στα φαινόμενα φωταύγειας.
Φάσματα διέγερσης και εκπομπής
Η φωταύγεια εμφανίζεται όταν τα ηλεκτρόνια μιας ουσίας διεγείρονται απορροφώντας φωτόνια, απελευθερώνοντας στη συνέχεια αυτή την ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία μπορεί να αποτελείται από φωτόνια που έχουν την ίδια ενέργεια και μήκος κύματος με αυτά που απορροφώνται; Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως φθορισμός συντονισμού. Συχνότερα, η εκπεμπόμενη ακτινοβολία έχει μεγαλύτερο μήκος κύματος, υποδηλώνοντας χαμηλότερη ενέργεια σε σύγκριση με τα απορροφούμενα φωτόνια.
Αυτή η μετάβαση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος είναι γνωστή ως μετατόπιση Stokes. Όταν τα ηλεκτρόνια διεγείρονται από σύντομη, αόρατη ακτινοβολία, ανεβαίνουν σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Με την επιστροφή τους στην αρχική τους κατάσταση, εκπέμπουν ορατό φως με το ίδιο μήκος κύματος, που αποτελεί παράδειγμα φθορισμού συντονισμού. Ωστόσο, αυτά τα διεγερμένα ηλεκτρόνια μπορούν επίσης να επανέλθουν σε ένα ενδιάμεσο επίπεδο ενέργειας, με αποτέλεσμα την εκπομπή ενός φωτεινού φωτονίου που μεταφέρει λιγότερη ενέργεια από εκείνη της αρχικής διέγερσης. Αυτή η διαδικασία, όταν επάγεται από το υπεριώδες φως, γενικά εκδηλώνεται ως φθορισμός εντός του ορατού φάσματος. Στην περίπτωση των φωσφοριζόντων υλικών, υπάρχει καθυστέρηση μεταξύ της διέγερσης των ηλεκτρονίων σε υψηλά επίπεδα ενέργειας και της επιστροφής τους στη βασική κατάσταση.
Μια ενδιαφέρουσα πτυχή που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι η ένταση και το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός εξαρτώνται από την ουσία και το μήκος κύματος διέγερσης, το οποίο είναι απαραίτητο στο σχεδιασμό φθοριζόντων και φωσφοριζόντων υλικών. Η σχέση μεταξύ διέγερσης και μηκών κύματος εκπομπής, γνωστή ως φάσματα διέγερσης και εκπομπής, είναι το κλειδί για την κατανόηση του πώς και πότε συμβαίνουν αυτά τα φαινόμενα.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το μήκος κύματος εκπομπής δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος διέγερσης, εκτός από τις περιπτώσεις όπου οι ουσίες διαθέτουν πολλαπλούς μηχανισμούς φωταύγειας. Κατά συνέπεια, τα ορυκτά παρουσιάζουν διαφορετικές ικανότητες να απορροφούν το υπεριώδες φως σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Μερικά φθορίζουν κάτω από υπεριώδες φως μικρού μήκους κύματος, ενώ άλλα φθορίζουν κάτω από μεγάλα μήκη κύματος, και μερικά παρουσιάζουν δυσδιάκριτο φθορισμό. Το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός συχνά ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τα διαφορετικά μήκη κύματος διέγερσης.
Η εμφάνιση αυτών των φαινομένων δεν περιορίζεται μόνο στη χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας. Αντίθετα, η διέγερση μπορεί να επιτευχθεί με οποιαδήποτε ακτινοβολία που διαθέτει την κατάλληλη ενέργεια. Για παράδειγμα, Οι ακτίνες Χ είναι ικανές να προκαλούν φθορισμό σε διάφορες ουσίες, πολλά από τα οποία ανταποκρίνονται επίσης σε διαφορετικούς τύπους ακτινοβολίας. Το βολφραμικό μαγνήσιο, για παράδειγμα, δείχνει ευαισθησία σε όλες σχεδόν τις ακτινοβολίες με μήκη κύματος μικρότερα από 300 nm, που περιλαμβάνει τόσο το υπεριώδες φάσμα όσο και το φάσμα των ακτίνων Χ. Επιπλέον, ορισμένα υλικά μπορούν εύκολα να διεγερθούν από τα ηλεκτρόνια, όπως αποδεικνύεται από τους φωσφόρους που χρησιμοποιούνται στους τηλεοπτικούς σωλήνες.
Και πώς σχετίζονται αυτά τα φαινόμενα με άλλα φυσικά γεγονότα;
Η κατανόηση των διαφορών μεταξύ της φωταύγειας, του φθορισμού και του φωσφορισμού βοηθά επίσης στην κατανόηση φυσικών φαινομένων όπως στρώματα νεφών κιρού και άλλα ατμοσφαιρικά φαινόμενα. Αυτή η γνώση εμπλουτίζει την ερμηνεία των φασμάτων φωτός και την αλληλεπίδραση του φωτός με διαφορετικά υλικά στο περιβάλλον μας, καθώς και ανοίγει την πόρτα σε νέες επιστημονικές και τεχνολογικές εφαρμογές. Η ανακάλυψη του πώς συμβαίνουν αυτά τα φαινόμενα και ποιες συνθήκες τα ευνοούν θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την πρόοδο σε τομείς όπως η ορυκτολογία, η αστρονομία και η βιοϊατρική.
