Fosforescencia
La fosforescencia es un tipo de fotoluminiscencia relacionado con la fluorescencia. Cuando se expone a la luz (radiación) de una longitud de onda más corta, una sustancia fosforescente brillará, absorbiendo la luz y reemitiéndola en una longitud de onda más larga. A diferencia de la fluorescencia, un material fosforescente no vuelve a emitir inmediatamente la radiación que absorbe. En cambio, un material fosforescente absorbe parte de la energía de la radiación y la vuelve a emitir durante mucho más tiempo después de que se retira la fuente de radiación.
En un sentido general, no existe un límite definido entre los tiempos de emisión de la fluorescencia y la fosforescencia (es decir, si una sustancia brilla bajo una luz negra, generalmente se considera fluorescente, y si brilla en la oscuridad, a menudo se le llama simplemente fosforescente). En un sentido científico moderno, los fenómenos generalmente se pueden clasificar por los tres mecanismos diferentes que producen la luz y las escalas de tiempo típicas durante las cuales esos mecanismos emiten luz. Mientras que los materiales fluorescentes dejan de emitir luz en nanosegundos (mil millonésimas de segundo) después de que se elimina la radiación de excitación, los materiales fosforescentes pueden continuar emitiendo un resplandor que va desde unos pocos microsegundos hasta muchas horas después de que se elimina la excitación.
Hay dos mecanismos separados que pueden producir fosforescencia, llamados fosforescencia triplete (o simplemente fosforescencia) y fosforescencia persistente (o luminiscencia persistente). La fosforescencia de triplete ocurre cuando un átomo absorbe un fotón de alta energía, y la energía queda atrapada en la multiplicidad de espín de los electrones, generalmente cambiando de un 'estado singlete' fluorescente a un 'estado singlete' fluorescente. a un 'estado triplete' de emisión más lenta. Las escalas de tiempo más lentas de la reemisión están asociadas con "prohibido" transiciones de estado de energía en la mecánica cuántica. Como estas transiciones ocurren con relativa lentitud en ciertos materiales, la radiación absorbida se vuelve a emitir a una intensidad más baja, que va desde unos pocos microsegundos hasta un segundo después de que se elimina la excitación.
Por otro lado, la fosforescencia persistente ocurre cuando un átomo absorbe un fotón de alta energía y su electrón queda atrapado en un defecto en la red del material cristalino o amorfo. Un defecto como la falta de un átomo (defecto de vacante) puede atrapar un electrón como una trampa, almacenando la energía de ese electrón hasta que se libere mediante un pico aleatorio de energía térmica (vibratoria). Dicha sustancia emitirá entonces luz de intensidad gradualmente decreciente, desde unos pocos segundos hasta varias horas después de la excitación original.
Ejemplos cotidianos de materiales fosforescentes son los juguetes que brillan en la oscuridad, las calcomanías, la pintura y las esferas de los relojes que brillan después de cargarse con una luz brillante, como la luz normal de lectura o de una habitación. Por lo general, el brillo se desvanece lentamente, a veces en unos pocos minutos o hasta unas pocas horas en una habitación oscura.
El estudio de los materiales fosforescentes condujo al descubrimiento de la descomposición radiactiva.
Etimología
El término fosforescencia proviene de la antigua palabra griega φῶς (phos), que significa "luz", y el Sufijo griego -φόρος (-phoros), que significa "llevar", combinado con el sufijo latino -escentem, que significa "devenir de", "tener una tendencia hacia", o "con la esencia de". Por lo tanto, fosforescencia significa literalmente "tener tendencia a dar luz". Se registró por primera vez en 1766.
El término fósforo se ha utilizado desde la Edad Media para describir minerales que brillan en la oscuridad. Uno de los más famosos, pero no el primero, fue el fósforo de Bolonia. Alrededor de 1604, Vincenzo Casciarolo descubrió un "lapis solaris" cerca de Bolonia, Italia. Una vez calentado en un horno rico en oxígeno, absorbió la luz del sol y brilló en la oscuridad. En 1677, Hennig Brand aisló un nuevo elemento que brillaba debido a una reacción quimioluminiscente cuando se exponía al aire, y lo llamó "fósforo".
En contraste, el término luminiscencia (del latín lumen para "luz"), fue acuñado por Eilhardt Wiedemann en 1888 como un término para se refieren a "luz sin calor", mientras que "fluorescencia" por Sir George Stokes en 1852, cuando notó que, al exponer una solución de sulfato de quinina a la luz refractada a través de un prisma, la solución brillaba cuando se exponía a la misteriosa luz invisible (ahora conocida como luz ultravioleta) más allá del extremo violeta de el espectro. Stokes formó el término a partir de una combinación de fluorita y opalescencia (prefiriendo usar un mineral en lugar de una solución), aunque más tarde se descubrió que la fluorita brilla debido a la fosforescencia.
Hubo mucha confusión entre los significados de estos términos desde finales del siglo XIX hasta mediados del siglo XX. Considerando que el término "fluorescencia" tendía a referirse a la luminiscencia que cesaba inmediatamente (según los estándares del ojo humano) cuando se retiraba de la excitación, "fosforescencia" se refirió a prácticamente cualquier sustancia que brillaba durante períodos apreciables en la oscuridad, a veces para incluir incluso quimioluminiscencia (que ocasionalmente producía cantidades sustanciales de calor). Solo después de las décadas de 1950 y 1960, los avances en electrónica cuántica, espectroscopia y láser proporcionaron una medida para distinguir entre los diversos procesos que emiten la luz, aunque en el lenguaje común las distinciones siguen siendo bastante vagas.
Introducción
En términos simples, la fosforescencia es un proceso en el que la energía absorbida por una sustancia se libera relativamente lentamente en forma de luz. En algunos casos, este es el mecanismo utilizado para los materiales que brillan en la oscuridad y que están "cargados" por exposición a la luz. A diferencia de las reacciones relativamente rápidas de la fluorescencia, como las que se observan en medios láser como el rubí común, los materiales fosforescentes 'almacenan' energía absorbida durante más tiempo, ya que los procesos necesarios para reemitir energía ocurren con menos frecuencia. Sin embargo, la escala de tiempo sigue siendo solo una distinción general, ya que existen materiales fluorescentes de emisión lenta, por ejemplo, las sales de uranilo, y, del mismo modo, algunos materiales fosforescentes como el sulfuro de zinc (en violeta) son muy rápidos. Científicamente, los fenómenos se clasifican según los diferentes mecanismos que producen la luz, ya que los materiales que fosforecen pueden ser adecuados para algunos fines, como la iluminación, pero pueden ser completamente inadecuados para otros que requieren fluorescencia, como los láseres. Al desdibujar aún más las líneas, una sustancia puede emitir luz por uno, dos o los tres mecanismos, según el material y las condiciones de excitación.
Cuando la energía almacenada queda atrapada por el espín de los electrones atómicos, puede ocurrir un estado de triplete, lo que ralentiza la emisión de luz, a veces en varios órdenes de magnitud. Debido a que los átomos generalmente comienzan en un estado de espín singulete, favoreciendo la fluorescencia, estos tipos de fósforos generalmente producen ambos tipos de emisión durante la iluminación y luego un resplandor más tenue de luz estrictamente fosforescente que generalmente dura menos de un segundo después de que se apaga la iluminación.
Por el contrario, cuando la energía almacenada se debe a la fosforescencia persistente, ocurre un proceso completamente diferente sin un precursor de fluorescencia. Cuando los electrones quedan atrapados dentro de un defecto en la red atómica o molecular, se evita que la luz se vuelva a emitir hasta que el electrón pueda escapar. Para escapar, el electrón necesita un impulso de energía térmica que lo ayude a salir de la trampa y regresar a la órbita alrededor del átomo. Solo entonces el átomo puede emitir un fotón. Por lo tanto, la fosforescencia persistente depende en gran medida de la temperatura del material.
Fosforescencia triplete
La mayoría de los eventos fotoluminiscentes, en los que un sustrato químico absorbe y luego vuelve a emitir un fotón de luz, son rápidos, del orden de 10 nanosegundos. La luz se absorbe y se emite en estas escalas de tiempo rápidas en los casos en que la energía de los fotones involucrados coincide con los estados de energía disponibles y las transiciones permitidas del sustrato. En el caso especial de la fosforescencia, el electrón que absorbió el fotón (energía) sufre un cruce intersistémico inusual hacia un estado de energía de multiplicidad de espín diferente (generalmente mayor) (ver símbolo del término), generalmente un estado de triplete. Como resultado, el electrón excitado puede quedar atrapado en el estado de triplete con solo 'prohibido'. transiciones disponibles para volver al estado singulete de menor energía. Estas transiciones, aunque 'prohibidas', aún ocurrirán en la mecánica cuántica, pero son cinéticamente desfavorables y, por lo tanto, progresan en escalas de tiempo significativamente más lentas. La mayoría de los compuestos fosforescentes siguen siendo emisores relativamente rápidos, con tiempos de decaimiento de triplete del orden de milisegundos.
Ejemplos comunes incluyen los revestimientos de fósforo utilizados en las lámparas fluorescentes, donde la fosforescencia del orden de milisegundos o más es útil para completar el "tiempo de inactividad" entre ciclos de corriente CA, lo que ayuda a reducir el "parpadeo". Los fósforos con tiempos de decaimiento más rápidos se utilizan en aplicaciones como los píxeles excitados por electrones libres (catodoluminiscencia) en televisores de tubo de rayos catódicos, que son lo suficientemente lentos para permitir la formación de una imagen cuando el haz de electrones escanea la pantalla, pero lo suficientemente rápido para evitar que los fotogramas se difuminen. Incluso las sustancias comúnmente asociadas con la fluorescencia pueden, de hecho, ser propensas a la fosforescencia, como los tintes líquidos que se encuentran en los rotuladores, que es un problema común en los láseres de tinte líquido. El inicio de la fosforescencia en este caso a veces se puede reducir o retrasar significativamente mediante el uso de agentes de extinción de tripletes.
Ecuación
Fosforescencia persistente
Los materiales sólidos suelen ser de dos tipos principales: cristalinos y amorfos. En cualquier caso, se forma una red o red de átomos y moléculas. En los cristales, la red es un conjunto muy limpio y uniforme. Sin embargo, casi todos los cristales tienen defectos en la secuencia de apilamiento de estas moléculas y átomos. Un defecto de vacante, donde un átomo simplemente falta en su lugar, dejando un "agujero" vacío, es un tipo de defecto. A veces, los átomos pueden moverse de un lugar a otro dentro de la red, creando defectos de Schottky o defectos de Frenkel. Pueden ocurrir otros defectos debido a las impurezas en la red. Por ejemplo, cuando un átomo normal se sustituye por un átomo diferente de tamaño mucho mayor o menor, se produce un defecto de sustitución, mientras que un defecto intersticial se produce cuando un átomo mucho más pequeño queda atrapado en los "intersticios", o el espacios entre átomos. Por el contrario, los materiales amorfos no tienen un "orden de largo alcance" (más allá del espacio de unos pocos átomos en cualquier dirección), por lo que por definición están llenos de defectos.
Cuando se produce un defecto, según el tipo y el material, puede crear un agujero o una "trampa". Por ejemplo, un átomo de oxígeno que falta en un compuesto de óxido de zinc crea un agujero en la red, rodeado de átomos de zinc no unidos. Esto crea una fuerza o atracción neta que se puede medir en electronvoltios. Cuando un fotón de alta energía golpea uno de los átomos de zinc, su electrón absorbe el fotón y es expulsado a una órbita más alta. Entonces, el electrón puede entrar en la trampa y quedar retenido en su lugar (fuera de su órbita normal) por la atracción. Para desencadenar la liberación de la energía, se necesita un pico aleatorio en la energía térmica de suficiente magnitud para impulsar el electrón fuera de la trampa y regresar a su órbita normal. Una vez en órbita, la energía del electrón puede volver a la normalidad (estado fundamental), lo que da como resultado la liberación de un fotón.
La liberación de energía de esta manera es un proceso completamente aleatorio, regido principalmente por la temperatura promedio del material versus la "profundidad" de la trampa, o cuántos electronvoltios ejerce. Una trampa que tiene una profundidad de 2,0 electronvoltios requeriría una gran cantidad de energía térmica (temperaturas muy altas) para vencer la atracción, mientras que a una profundidad de 0,1 electronvoltios se necesita muy poco calor (temperaturas muy frías) para la atracción. trampa para incluso sostener un electrón. Las temperaturas más altas pueden causar una liberación de energía más rápida, lo que resulta en una emisión más brillante pero de corta duración, mientras que las temperaturas más bajas pueden producir resplandores más tenues pero más duraderos. Las temperaturas que son demasiado calientes o frías, según la sustancia, pueden no permitir la acumulación o liberación de energía en absoluto. La profundidad ideal de la trampa para la fosforescencia persistente a temperatura ambiente suele estar entre 0,6 y 0,7 electronvoltios. Si el rendimiento cuántico fosforescente es alto, es decir, si la sustancia tiene una gran cantidad de trampas de la profundidad correcta, estas sustancias liberarán cantidades significativas de luz en escalas de tiempo prolongadas, creando el llamado "resplandor en la oscuridad". #34; materiales
La fosforescencia persistente es el mecanismo de casi todo lo que comúnmente se conoce como brillo en la oscuridad. Los usos típicos incluyen juguetes, frisbees y pelotas, señales de seguridad, pinturas y marcas, maquillajes, arte y decoración, y una variedad de otros usos.
Quimioluminiscencia
Algunos ejemplos de materiales que brillan en la oscuridad no brillan por fosforescencia. Por ejemplo, las barras luminosas brillan debido a un proceso quimioluminiscente que comúnmente se confunde con fosforescencia. En la quimioluminiscencia, se crea un estado excitado a través de una reacción química. La emisión de luz rastrea el progreso cinético de la reacción química subyacente. El estado excitado luego se transferirá a una molécula de colorante, también conocida como sensibilizador o fluoróforo, y posteriormente se volverá fluorescente al estado fundamental.
Materiales
Los pigmentos comunes usados en materiales fosforescentes incluyen sulfuro de zinc y aluminato de estroncio. El uso de sulfuro de zinc para productos relacionados con la seguridad se remonta a la década de 1930.
El desarrollo de los pigmentos de aluminato de estroncio en 1993 se vio impulsado por la necesidad de encontrar un sustituto para los materiales que brillan en la oscuridad con alta luminancia y fosforescencia prolongada, especialmente aquellos que usaban prometio. Esto condujo al descubrimiento por parte de Yasumitsu Aoki (Nemoto & Co.) de materiales con una luminancia aproximadamente 10 veces mayor que el sulfuro de zinc y una fosforescencia aproximadamente 10 veces más prolongada. Esto ha relegado a la mayoría de los productos a base de sulfuro de zinc a la categoría de novedad. Los pigmentos a base de aluminato de estroncio ahora se utilizan en señales de salida, señalización de caminos y otras señales relacionadas con la seguridad.
Sulfuro de zinc (izquierda) y estroncio aluminado (derecha), en luz visible, en oscuridad, y después de 4 minutos en la oscuridad.
Sulfuro de calcio (izquierda) y silicato de metal-tierra (derecha) fosforesce en rojo y azul respectivamente.
Dado que tanto la fosforescencia (transición de T1 a S0) como la generación de T1 a partir de un estado singulete excitado (por ejemplo, S1) a través del cruce entre sistemas (ISC) son procesos de espín prohibido, la mayoría de los materiales orgánicos exhiben una fosforescencia insignificante ya que en su mayoría no logran poblar el estado de triplete excitado e, incluso si T1, la fosforescencia es superada con mayor frecuencia por vías no radiativas. Una estrategia para mejorar el ISC y la fosforescencia es la incorporación de átomos pesados, que aumentan el acoplamiento espín-órbita (SOC). Además, el SOC (y, por lo tanto, el ISC) se puede promover acoplando transiciones n-π* y π-π* con diferentes momentos angulares, también conocida como la regla de Mostafa El-Sayed. Dichas transiciones suelen exhibirse en derivados de carbonilo o triazina, y la mayoría de los materiales orgánicos fosforescentes a temperatura ambiente (ORTP) incorporan dichos restos. A su vez, para inhibir las vías de desactivación no radiativas competitivas, incluida la relajación vibratoria y la extinción de oxígeno y las aniquilaciones de triplete-triplete, los fósforos orgánicos deben estar incrustados en matrices rígidas como polímeros y sólidos moleculares (cristales, estructuras orgánicas covalentes y otros)..
Usos
En 1974, Becky Schroeder obtuvo una patente en EE. UU. por su invención de la "hoja luminosa" que utilizó líneas fosforescentes debajo del papel para escribir para ayudar a las personas a escribir en condiciones de poca luz.
El material que brilla en la oscuridad se agrega a la mezcla de plástico utilizada en los moldes de inyección para fabricar algunos discos de golf, que permiten jugar de noche.
Did you mean:Often clock faces of watches are painted with phosphorescent colours. Therefore, they can be used in absolute dark environments for several hours after having been exposed to bright light.
Un uso común de la fosforescencia es la decoración. Las estrellas hechas de plástico que brilla en la oscuridad se colocan en las paredes, los techos o se cuelgan de cuerdas para que una habitación se vea como el cielo nocturno. Otros objetos como figuritas, tazas, carteles, lámparas, juguetes y pulseras también pueden brillar. El uso de luces negras hace que estas cosas brillen intensamente, algo común en raves, dormitorios, parques temáticos y festivales.
Muro de sombra
Un muro de sombras se crea cuando una luz parpadea sobre una persona u objeto frente a una pantalla fosforescente que captura temporalmente la sombra. La pantalla o pared está pintada con un producto que brilla en la oscuridad que contiene compuestos fosforescentes. Públicamente, estos muros de sombra se pueden encontrar en ciertos museos de ciencia.
Antes de la imagen de capturar una sombra en una pared fosforescente.
Después de la imagen de capturar una sombra en una pared fosforescente.
