Fosforescence
Obsah boxu
Fosforescence je typ fotoluminiscence, podobný fluorescenci. Na rozdíl od fluorescence však fosforeskující materiál nevyzařuje absorbovanou energii okamžitě. Pomalejší vyzařování energie probíhá na kvantově-mechanické úrovni, kde jsou některé elektronové přechody "zakázané". Tyto přechody probíhají v atomech a molekulách mnohem pomaleji, což způsobuje, že materiál "svítí ve tmě" i několik sekund, minut nebo dokonce hodin po odstranění zdroje světla.
Jev je nejčastěji pozorován u materiálů, které po vystavení světlu nebo ultrafialovému záření samy ve tmě svítí. Tento jev se nazývá dosvit.
⚛️ Fyzikální princip
Mechanismus fosforescence je složitější než u fluorescence a zahrnuje přechody mezi energetickými stavy s různou spinovou multiplicitou. Celý proces lze popsat pomocí Jablonského diagramu v několika krocích.
⚡ Excitace a absorpce energie
Na začátku je molekula nebo atom v základním elektronovém stavu (označovaném jako S₀). Když na materiál dopadne foton (například z denního světla nebo UV lampy) s dostatečnou energií, elektron tuto energii absorbuje a "přeskočí" na vyšší energetickou hladinu, do tzv. excitovaného singletového stavu (S₁). Tento proces je velmi rychlý, probíhá v řádu femtosekund (10⁻¹⁵ s). V singletovém stavu má excitovaný elektron opačný spin než elektron, který zůstal v původním orbitalu.
🔄 Intersystémový přechod (Intersystem Crossing)
Toto je klíčový krok, který odlišuje fosforescenci od fluorescence. Zatímco při fluorescenci by se elektron rychle vrátil ze stavu S₁ zpět do S₀ za vyzáření fotonu, u fosforeskujících materiálů může dojít k tzv. intersystémovému přechodu. Během tohoto procesu přejde elektron z excitovaného singletového stavu S₁ do excitovaného tripletového stavu (T₁).
Tripletový stav má o něco nižší energii než singletový stav S₁, ale zásadně se liší spinovou konfigurací. V tripletovém stavu má excitovaný elektron stejný spin jako jeho párový elektron v základním orbitalu. Změna spinu je podle kvantově-mechanických výběrových pravidel "zakázaný" proces, což znamená, že je mnohem méně pravděpodobný a pomalejší než "povolené" přechody.
⏳ Metastabilní tripletový stav
Protože je přímý návrat z tripletového stavu T₁ do základního singletového stavu S₀ kvantově "zakázaný" (vyžadoval by další změnu spinu), elektron v tomto stavu "uvízne". Tripletový stav je proto označován jako metastabilní. Elektron v něm setrvává mnohem déle než v excitovaném singletovém stavu – od milisekund až po několik hodin, v závislosti na konkrétním materiálu a teplotě. Během této doby je energie v molekule "uložena".
✨ Emise fotonu a návrat do základního stavu
I když je přechod T₁ → S₀ "zakázaný", není zcela nemožný. S určitou, i když malou, pravděpodobností k němu dochází. Když se elektron nakonec vrátí z metastabilního tripletového stavu T₁ do základního stavu S₀, uvolní přebytečnou energii ve formě fotonu – tedy světla. Protože se jedná o pomalý a statistický proces, fotony jsou emitovány postupně po dlouhou dobu, což vnímáme jako setrvalé svícení materiálu ve tmě.
Energie vyzářeného fotonu je o něco menší než energie původně absorbovaného fotonu (kvůli energetickým ztrátám, např. při intersystémovém přechodu). To znamená, že fosforescenční světlo má obvykle delší vlnovou délku (je posunuto k červené části spektra) než světlo, které materiál excitovalo.
📈 Jablonského diagram
Jablonského diagram je grafické znázornění elektronových přechodů v molekule, které je klíčové pro pochopení luminiscenčních jevů.
- S₀: Základní singletový stav.
- S₁: První excitovaný singletový stav.
- T₁: První excitovaný tripletový stav.
- Absorpce: Svislá šipka z S₀ do S₁. Představuje pohlcení fotonu.
- Fluorescence: Rychlý přechod (šipka dolů) z S₁ do S₀.
- Intersystémový přechod (ISC): Horizontální přechod (vlnovka) z S₁ do T₁.
- Fosforescence: Pomalý, "zakázaný" přechod (šipka dolů) z T₁ do S₀.
U fosforescence je tedy klíčová "odbočka" přes tripletový stav T₁, který slouží jako dočasné úložiště energie.
🧪 Materiály a chemie
Schopnost fosforescence je silně závislá na chemickém složení a struktuře látky. Nejznámější jsou anorganické materiály, ale jev se vyskytuje i u organických sloučenin.
Inorganicé fosfory
Toto je nejběžnější skupina materiálů používaných pro komerční "glow-in-the-dark" produkty. Obvykle se jedná o krystalické látky (tzv. fosfory), které jsou dopovány malým množstvím aktivátoru, často ionty kovů vzácných zemin nebo přechodných kovů.
- Sulfid zinečnatý (ZnS): Často dopovaný mědí (Cu). Jedná se o starší typ fosforu, který má typicky zelený dosvit, ale jeho intenzita a délka svitu jsou omezené.
- Aluminát strontnatý (SrAl₂O₄): Dopovaný europiem (Eu) a dysprosiem (Dy). Tento moderní materiál, objevený v 90. letech 20. století, představuje revoluci ve fosforescenci. Má mnohem vyšší jas a výrazně delší dobu dosvitu (až 10 hodin). Může svítit zeleně nebo modrozeleně. Je netoxický a neradioaktivní.
Organické sloučeniny
Mnoho organických molekul také vykazuje fosforescenci, ale obvykle pouze za velmi nízkých teplot nebo v pevném, rigidním prostředí. Při pokojové teplotě v roztoku je energie tripletového stavu často ztracena bez vyzáření světla (např. srážkami s molekulami rozpouštědla nebo kyslíku).
💡 Praktické využití
Díky schopnosti "ukládat" světlo má fosforescence široké praktické uplatnění.
- Bezpečnostní značení: Značení únikových cest, hasicích přístrojů a nouzových východů v budovách, letadlech a lodích. Po výpadku proudu zůstávají viditelné.
- Hodinářství a přístroje: Ciferníky a ručičky hodinek, budíků a různých měřicích přístrojů, které musí být čitelné ve tmě. Moderní fosforeskující barvy nahradily dříve používané radiové barvy, které byly radioaktivní.
- Hračky a dekorace: Klasické "svítící hvězdičky" na strop, hračky, samolepky a halloweenské dekorace.
- Pigmenty: Fosforeskující pigmenty se přidávají do barev, plastů a textilií pro dosažení speciálních efektů.
- Rybářství: Svítící návnady pro lov ryb v hlubokých nebo kalných vodách.
- Bezpečnostní prvky: Fosforeskující vlákna mohou být zapracována do bankovek nebo dokumentů jako ochrana proti padělání.
🆚 Rozdíl mezi fosforescencí a fluorescencí
Ačkoliv jsou oba jevy typy luminiscence, existují mezi nimi zásadní rozdíly.
| Vlastnost | Fluorescence | Fosforescence |
|---|---|---|
| Doba dosvitu | Extrémně krátká (typicky nanosekundy) | Dlouhá (od milisekund po hodiny) |
| Vnímání | Svítí pouze při ozařování (např. UV světlem) | Svítí i po skončení ozařování ("svícení ve tmě") |
| Kvantový mechanismus | Přímý přechod z excitovaného singletového stavu (S₁ → S₀) | Přechod přes metastabilní tripletový stav (S₁ → T₁ → S₀) |
| Spin elektronu | Spin se během přechodu nemění | Dochází ke změně spinu (intersystémový přechod) |
| Příklady | Fluorescenční zvýrazňovače, tonik (obsahuje chinin), některé minerály | Svítící hvězdičky na strop, ručičky hodinek, bezpečnostní značení |
🧑🔬 Pro laiky: Jak funguje "svícení ve tmě"?
Představte si, že máte kuličku (to je elektron) na podlaze (to je základní, klidový stav). Když na ni posvítíte, je to jako byste kuličku "vykopli" na vysokou polici (excitovaný stav).
- U fluorescence kulička z police spadne okamžitě a přímo zpět na podlahu. Při pádu vydá záblesk světla. Jakmile přestanete "kopat" (svítit), už žádné kuličky nepadají a světlo zhasne.
- U fosforescence je to složitější. Když kuličku vykopnete na vysokou polici, ona se skutálí na menší, postranní poličku (metastabilní stav), kde se zasekne. Z této postranní poličky je cesta dolů na podlahu mnohem obtížnější. Kuličky z ní padají jen občas a jedna po druhé. Každá kulička, která spadne, vydá malý záblesk světla. Protože padají postupně a dlouho, materiál svítí i poté, co jste na něj přestali svítit. "Nabíjení" světlem je tedy proces "vykopávání" kuliček na police a jejich zasekávání na té postranní.
📜 Historie
První zaznamenaný objev uměle vyrobené fosforeskující látky se datuje do roku 1602. Italský alchymista Vincenzo Casciarolo v Bologni zahříval práškový baryt (síran barnatý) s uhlím a vytvořil látku, která po nasvícení sluncem ve tmě zářila. Byla nazvána "boloňský kámen" (lapis solaris).
Samotný termín "fosforescence" je odvozen od řeckých slov phos (světlo) a phoros (nést), tedy "nositel světla". Byl původně použit pro prvek fosfor, který na vzduchu také světélkuje (dnes víme, že v případě bílého fosforu jde o chemiluminiscenci – oxidaci, nikoli o pravou fosforescenci). Název se však ujal pro popis jevu dlouhotrvajícího svícení po excitaci světlem.