Foszforeszkálás

Foszforeszkáló por: látható fényben, UV fényben és teljes sötétségben.

A foszforeszkálás a lumineszcencia és ezen belül a fotolumineszcencia egy speciális fajtája. Szemben a fluoreszkálással, a foszforeszkáló anyag nem azonnal sugározza ki azt a sugárzást, amelyet korábban abszorbeált. Ez a jelenség kapcsolatban van a kvantummechanika ismert „tiltott” energiaállapot átmeneteivel. Mivel ez az átmenet bizonyos anyagoknál igen lassan megy végbe, az abszorbeált sugárzás újra kisugárzása később (msec - órák múltán) alacsonyabb intenzitással történik az eredeti gerjesztéshez képest.

A foszforeszkáló anyagok tanulmányozása vezetett el 1896-ban a radioaktivitás felfedezéséhez.

Kvantummechanikai magyarázat

A legtöbb fotolumineszcens esemény, ahol egy kémiai anyag abszorbeálja, majd újra kibocsátja a fény fotonjait, igen gyors folyamat, 10 nanoszekundumos (nsec) nagyságrendű. A fény abban az esetben abszorbeálódik és emittálódik ilyen gyorsan, ha a foton energiája illeszkedik a rendelkezésre álló energiaállapotokhoz és megengedett átmenetekhez.

A foszforeszkálás speciális esetében, az abszorbeált foton egy szokatlan spinváltó átmenet (angolul intersystem crossing) révén magasabb spin multiplicitású energiaállapotba, rendszerint triplett állapotba kerül. Ennek eredményeként az energia a triplett állapotban csapdába kerül, ahonnan csak egy klasszikusan „tiltott” átmenettel kerülhet alacsonyabb energiaállapotba. Annak ellenére, hogy ezek „tiltott” átmenetek, mégis előfordulnak a kvantummechanikában, azonban kinetikailag nem kedvezményezettek, ezért a folyamat lényegesen lassabban zajlik le.

A legtöbb foszforeszkáló anyag még mindig elég gyors fénykibocsátó, a milliszekundumos (msec) triplett élettartammal. Vannak viszont anyagok, melyeknél a triplett élettartam percek vagy órákban mérhető, ami azt jelenti, hogy ezek az anyagok a fényenergiát lassan lebomló gerjesztett elektronállapotban tárolják. Ha a foszforeszkáló anyag kvantumhatásfoka magas, akkor ezek az anyagok jelentős mennyiségű fényt képesek kibocsátani hosszú időn keresztül, ezeket hívják „sötétben világító” anyagoknak.

Egyenlet

Jablonski-diagram

$S_{0}+h\nu \to S_{1}\to T_{1}\to S_{0}+h\nu ^{\prime }\$

Ahol S a szingulett állapot és T a triplett állapot, melyek indexei az állapotra utalnak (0 jelzi az alapállapotot, 1 jelzi a gerjesztett állapotot).

Összetévesztés a kemilumineszcenciával

Néhány „sötétben világító” anyag nem a foszforeszkálás miatt világít. Például a közismert világító rudak, amelyek a kemilumineszcencia (vagy kemolumineszcencia) folyamata miatt világítanak. A kemi-lumineszcenciát és a foszforeszkálás jelenségét általában összetévesztik. A kemilumineszcencia esetében a gerjesztett állapotot egy kémiai folyamat okozza. A fénykibocsátás a kémiai reakció által kiváltott kémia-kinetikai folyamat eredménye. A gerjesztett állapot egy „festék” molekulába alakul át, melyet szintetizernek vagy fluorofórnak is ismernek, és ezt követően fluoreszkál vissza az alapállapotba.

Közös komponensek foszforeszkáló anyagokban

Foszforeszkáló anyagok közös színezőanyag-alkotója a cink-szulfid és a stroncium-aluminát. Biztonsági eszközöknél a cink-szulfid használata már az 1930-as évektől ismert. A stroncium-aluminát lumineszkáló képessége közel tízszer erősebb, mint a cink-szulfidé. Stroncium-oxid-aluminát alapú színezőanyagot használnak a kijárati feliratoknál, útvonal figyelmeztetőknél és más biztonsági jelek esetében.

ZnS és -aluminát összehasonlítása.

Sötétben.

Sötétben 4 perc múlva.

Források

• Erostyák János-Kozma László: Általános fizika II. kötet: Fénytan. (hely nélkül): Dialóg Campus kiadó. 2003. 272–274. o.  

További információk

• Radiation Protection News (angol nyelven). hse.gov.uk, 2012 [last update]. [2011. július 4-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. február 18.)
• science24.com - Luminescence and temperature dependency of β-SiAlON phosphor (angol nyelven). science24.com, 2012 [last update]. [2010. április 12-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. február 18.)
• How to Make a Chemical Glow Light | eHow.com (angol nyelven). ehow.com, 2012 [last update]. (Hozzáférés: 2012. február 18.)
• Luminescence - examples, body, used, process, chemical, form, energy, reaction, oxygen, Fluorescence and phosphorescence, Processes that create luminescence (angol nyelven). scienceclarified.com, 2012 [last update]. (Hozzáférés: 2012. február 18.)
• Foszforeszkálás - Lexikon ::. kislexikon.hu, 2012 [last update]. (Hozzáférés: 2012. február 18.)
• Tankönyvtár | (Nincs cím) - Tanári mellékletek. tankonyvtar.hu, 2012 [last update]. (Hozzáférés: 2012. február 18.)