فسفرسانس چیست ؟ از آن چه می دانید ؟

در علم شیمی فسفرسانس یا فسفرتابی (Phosphorescence) نام پدیده ای است که در طی آن، یك ماده خاص (فسفر) بعد از قرار گرفتن در مقابل حرارت یا تابش (نور مرئی يا نور غير مرئی) تحریك می شود (زمان تحریک بیشتر از ^۸-۱۰ ثانیه می باشد). ماده مورد نظر بعد از تحریک، انرژی دریافتی را در خود ذخیره می كند و در نهایت آن انرژی را به شکل طیفی از امواج با طول موج بلندتر منتشر می نماید. توجه داشته باشید که پدیده فسفرسانس با قطع شدن منبع نور همچنان ادامه می‌ یابد. به ماده ای که بتواند چنین پدیده ای را نشان دهد، ماده فسفرسنت می گویند. در مطالب پیشین نشریه جهان شیمی فیزیک در خصوص مفهوم فلورسانس و انواع مختلف آن مطالبی را مطرح کرده ایم. در این مقاله آموزشی به بررسی فرآیند فسفرسانس پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.

 

فهرست مطالب این مقاله

۱- فرآیند نورتابانی

۲- حالت های برانگیخته الکترونی

۳- فسفرسانس

۴- کاربرد های فسفرسانس

۵- تفاوت فلورسانس و فسفرسانس

 

فرآیند نورتابانی

نور در حقیقت یکی از شکل های انرژی می باشد. از آنجائیکه جهت تولید نور، شکل دیگری از انرژی باید مصرف شود، بنابراین به طور کلی دو راه عمده برای تولید نور وجود دارد. راه اول فرآیند التهاب (Incandescence) و راه دوم فرآیند نورتابانی یا لومینسانس (Luminescence) است. در فرآیند التهاب، نور در واقع از انرژی گرمایی تولید می شود. هنگامیکه جسمی تا دماهای بسیار بالا حرارت ببیند شروع به درخشیدن خواهد کرد. در حالیکه در فرآیند لومینسانس، الکترون های ماده مورد نظر که در شرایط معمولی در حالت پایه قرار دارند، با گرفتن انرژی از یک منبع تابش به حالت برانگیخته منتقل می شوند. این الکترون ها در بازگشت از حالت بر انگیخته به حالت پایه، انرژی برانگیختگی را به صورت نور (انرژی فوتون ها) نشر می دهند.

از آنجاییکه که فرآیند لومینسانس به دماهای بالا نیازی ندارد و می تواند در دما های معمولی و نسبتا پایین اتفاق بیفتد، پس به نور گسیل شده در این فرآیند، نور سرد یا نور بدون گرما نیز گفته می شود. به عبارت دیگر، به هر پدیده فیزیكی كه در طی آن از هر طریقی به استثنای افزایش دمای یك ماده، نور تولید شود لومینساس گفته می شود. پدیده لومینسانس به طور کلی به تابش نور به وسیله یك ماده گفته می شود كه شامل دو نوع تابش فلور سانس و فسفرسانس می باشد .

نکته

از یک دیدگاه دیگر، پدیده لومینسانس به دو دسته مولکولی و اتمی تقسیم می گردد. در لومینسانس ملکولی نشر نور از ملکول ها و در لومینسانس اتمی، از اتم ها صورت می گیرد. لومینسانس ملکولی خود می تواند به دو دسته زیر تقسیم بندی شود:

• بر اساس نوع منبع انرژی مورد استفاده جهت برانگیخته کردن ملکول ها
• بر اساس نوع حالت برانگیخته

لازم به ذکر است که انواع مختلف لومینسانس در جدول زیر آورده شده است.

 

انرژی تحریک	نوع لومینسانس
جذب نور مرئی -فرابنفش	فوتولومینسانس
انرژی واکنش شیمیایی	شیمی لومینسانس
انرژی واکنش شیمیایی	بیو لومینسانس
تزریق بار	الکترو لومینسانس
انرژی نور یا ذرات پر انرژی	کاتدو لومینسانس
انرژی نور یا ذرات پر انرژی	رادیو لومینسانس
انرژی واکنش های الکتروشیمیایی	الکتروشیمی لومینسانس
اصطکاک	تریبول ومینسانس
امواج ماورای صوت	سونو لومینسانس
باز ترکیب یون فعال شده به شیوه گرمایی	ترمو لومینانس

 

حالت های برانگیخته الکترونی

جهت فهم بهتر فسفرتابی، درک مفاهیمی همچون حالت های یک تایی، سه تایی و یا قواعد گزینش اهمیت دارد. بر طبق مکانیک کوانتوم، اسپین ظاهری برای الکترون ها در نظر گرفته می شود که می تواند یکی از دو عدد ½+ و یا ½- را داشته باشد. بر طبق اصل طرد پاولی، دو الکترون در صورتی می توانند یک اوربیتال را اشغال کنند که اسپینی مخالف هم داشته باشند. توجه کنید که دو واژه یک تایی و سه تایی از جملات طیفی راسل – ساندرز (۲s + 1) که در آن، حرف s در حقیقت عدد کوانتومی اسپین الکترون می باشد، می آیند. در واقع در حالت یک تایی، اسپین دو الکترون جفت می شود و بنابراین مخالف هم می باشد.

اغلب مولکول ها در حالت پایه خود، الکترون جفت نشده ندارند، پس می توان گفت که این مولکول ها در حالت یک تایی خواهند بود. حال اگر این مولکول ها در معرض تابش فرابنفش یا مرئی قرار بگیرند، یک یا چند تا از الکترون های آنها به تراز انرژی بالاتر جهش می کنند. در این صورت و در حالت های برانگیخته الکترونی، دو اتفاق می افتد؛ اگر در طی جهش به تراز انرژی بالاتر، اسپین الکترون تحریک شده بدون تغییر باقی بماند، حالت برانگیخته یک تایی (Singlet) ایجاد می گردد. به عبارت دیگر، جفت بودن اسپین الکترون ها در حالت های برانگیخته و پایه حفظ شده است. در حالیکه اگر در طی جهش، جهت اسپین الکترون تغییر کرده باشد، حالت برانگیخته سه تایی (Triplet) ایجاد می شود.

 

توجه

در حالت برانگیخته یکتایی، اسپین کل به دلیل مخالف بودن جهت اسپین الکترون های حالت پایه و حالت برانگیخته صفر می باشد. اما در حالت برانگیخته سه تایی، اسپین الکترون برانگیخته با اسپین الکترون پایه هم جهت می گردند، از این رو اسپین کل دیگر صفر نیست. از نظر طیف سنجی (مطابق با قواعد گزینش)، انتقالی که طی آن، تغییری در اسپین رخ ندهد (ΔS = 0) مجاز است. از این جهت، انتقال از حالت یک تایی به سه تایی و یا بلعکس، غیر مجاز می باشد و در نتیجه با شدت کم رخ می دهد.

 

فسفرسانس

لازم به ذکر است که فسفرسانس نوعی نور تابناکی (photoluminescence) است که مربوط به مواد تابناک خواهد بود. به این مواد به اصطلاح، شبرنگ یا شب نما می گویند. در پدیده فوتولومینسانس، اتم ها یا ملکول ها امواج الکترومغناطیس را جذب کرده و سپس برانگیخته می شوند. این ذرات، در بازگشت از حالت برانگیخته به حالت پایه خود، انرژی اضافی را به شکل تابش با طول موج بلندتر از دست می دهند. به بیان دیگر، نورتابناکی به گسیل نور از هر ماده ای پس از جذب فوتون می گویند. همانطور که بیان شد، این نور افشانی سرد و رنگی می باشد. به معنای دیگر این نور هیچ ارتباطی به سوختن، اكسیداسیون و یا تولید حرارت ندارد .

جالب است بدانید که پیگمنت های فسفرسانس که دارای ویژگی شبرنگی اند، در تاریکی شب می درخشند. این پدیده، از جمله خواص فیزیکی تعدادی از مواد شیمیایی مانند فسفر، کلسیم سولفید و باریم سولفید می باشد. به بیان ساده تر، فسفرسانس به فرآیندی می گویند که در طی آن، انرژی جذب شده در یک ماده به صورت آرام و به شکل نور آزاد شود. در واقع انتشار و گسیل آهسته نور را فسفرسانس می گویند.

 

جالب است بدانید که

همانطور که در مقاله فلوئورسانس بیان شده است، برانگیختگی میان دو تراز اصلی انرژی E_۱ و E_۲ انجام می شود. در واقع الكترون با دریافت انرژی، به تراز انرژی E_۲ برانگیخته می شود و پس از گذشتن ۸ تا ۱۰ ثانیه، فوتونی با انرژی  E_۲– E_۱تابش نموده و دوباره به تراز انرژی اول بر می گردد. حال آنکه در پدیده فسفرسانس، به دليل وجود يک تراز ميانی، ماجرا كمی پيچيده تر خواهد بود. اين تراز میانی که در حقیقت میان ترازهای پايه و برانگيخته قرار دارد، ترازی نيمه پايدار است و همچون دامی برای الكترون ها عمل می كند. بنابراین به دلیل شرایط خاص این تراز میانی، انتقال الکترون از آن به ترازهای دیگر ممنوع و یا به عبارت دیگر احتمال آن بسیار کم است.

حال اگر الکترونی پس از برانگیخته شدن از تراز انرژی E_۲ در تراز میانی نیمه پایدار گیر کند، آنجا می ماند تا وقتیکه به طریقی دیگر (مثلا تحت تاثیر جنبش های گرمایی اتم ها یا مولکول های همسایه و یا برانگیختگی نوری) مجددا برانگیخته شود و بتواند به تراز E_۲ برگردد. به همین علت، چنین الکترون هایی بسته به ساختار اتمی ماده و شرایط محیطی، تا مدت ها در تراز میانی باقی می مانند و باعث تاخیر در بازتابش قسمتی از انرژی دریافت شده می شوند.

 

توجه داشته باشید که تابش این نور در فسفرتابی بر خلاف فلوئورسانس، با قطع شدن منبع نور همچنان ادامه پیدا می کند. به عبارت دیگر، در پدیده فسفرسانس، اغلب یک مدت زمان کوتاهی مابین قطع تابش برانگیخته کننده و شروع تابش گسیل شده توسط سیستم، وجود دارد. از این رو، بلافاصله پس از آنکه تابش برانگیخته کننده، قطع شود، الکترون به وضعیت اولش باز نخواهد گشت.

 

کاربرد های فسفرسانس

فرآیند فسفرسنس در تعدادی از مواد تابناک در تاریکی استفاده می شود. این مواد در معرض نور شارژ می شوند. در حقیقت شارژ شدن به معنای برانگیختگی ذرات، اتم ها، مولکول ها یا مواد جامد به سطوح انرژی بالاتر است. در نهایت این مواد با نشر تابش، از حالت برانگیخته به سطح پایین تر باز می گردند. جهت ساخت مواد درخشان در تاریکی، بایستی فسفری داشته باشید که با بهره از نور معمولی انرژی بگیرد. این ذرات را پیگمنت شب تاب یا پیگمنت فسفرسانس می نامند. مثلا دو فسفری که این ویژگی ها را دارند عبارتند از سولفید روی (Zinc Sulfide) و آالومینات استرانیسم (Strontium Aluminate). این مواد را معمولا با پلاستیک مخلوط می کنند و بدین شکل مواد درخشنده در تاریکی را می سازند.

توجه داشته باشید که آالومینات استرانیسم از جدیدترین مواد فسفرسنس است كه بیشتر در ساخت وسایل اسباب بازی، و یا برای نورانی کردن عقربه های ساعت كاربرد دارد. پیگمنت آلومینات استرانسیم از پیگمنت سولفید روی چیزی حدود ده برابر درخشان تر می باشد. این پیگمنت بیش از ۱۲ ساعت در تاریکی می تواند درخشان باقی بماند و همچنین در طول موج های بلند تر فعال گردد. این پیگمنت ها مقاومت حرارتی نسبتا بالایی دارند و می توانند تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند. علاوه بر آن، این پیگمنت ها می توانند نور هایی با رنگ های مختلف تولید نمایند. عمومی ترین این رنگ ها رنگ سبز می باشد که در تاریکی، با قدرت می درخشد. رنگ های آبی، سبز – آبی، صورتی، قرمز، زرد، نارنجی و بنفش نیز وجود دارد.

 

نکته جالب

پیگمنت های فسفرسانس اغلب برای ساخت لامپ ها، بر چسب ها، لوازم التحریر، صفحه مدرج ساعت دیواری و ساعت مچی، ابزار ها و علائم ایمنی، لوازم خانگی، اسباب بازی ها، صفحه کلید های کنترل از راه دور، قطعات الکترونیکی، دستگاه های روشنایی، پریز های برق، شاخص ها و نشانگر ها، تابلوهای راهنمای خروج و سیستم های فرار، نشانگرهای هواپیمایی و خودرو، جوهر ها درصنعت چاپ و نساجی، تجهیزات آتشنشانی، تجهیزات معدن، جوهر های پلاستیکی، موم شمع، چسب، صنعت رنگ، صنعت پلاستیک و پلیمر، روکش ها، شیشه، سرامیک، علائم راهنمایی و رانندگی، علائم دید کاملا مشخص، تجهیزات ماهیگیری، صنعت دکوراسیون، قالب های رزینی و کاربرد های نظامی استفاده می شوند.

 

در بعضی مواقع، موادی وجود دارند كه می درخشند، اما به هیچ انرژی احتیاجی ندارند. به عنوان نمونه می توان به عقربه های ساعت های گران قیمت اشاره کرد. در این ساعت ها، ماده فسفرسنس را با یك عنصر رادیو اكتیو سبك (مثلا رادیوم) مخلوط می كنند تا تشعشع دائمی و كم شدت عنصر رادیو اكتیو بتواند نقش نور شارژ كننده ماده فسفرسانس را بازی كند.

 

از دیگر کاربرد های فسفرسنس می توان به لامپ های فسفرسنت اشاره کرد. در ادامه چند مثال از لامپ های فسفرسنت را در جدول مشاهده می کنید.

 

ماده زمینه	فعال کننده (Activator)	رنگ تشعشع	کاربرد
Zn۲SiO۴	Mn	زرد سبز	رادار و اسیلوگراف
CaSiO۳	Pb۳Mn	نارنجی	رادار
SiO۴	Mn	سفید	تلویزیون

 

تفاوت فلورسانس و فسفرسانس

اولین تفاوت این دو پدیده، در مدت زمان تحریک است. اگر زمان تحریک کمتر از ^۸-۱۰ ثانیه باشد، پدیده را فلوئورسانس و اگر زمان تحریک بیشتر از ^۸-۱۰ ثانیه باشد، به آن فسفرتابی می گویند. در واقع در فرآیند فسفرسانس، تحریک و تشعشع طولانی تری دارید، در حالیکه در فلورسانس، تحریک و تشعشع كوتاه تری خواهید داشت. علاوه بر آن، امواج برگشتی از فرآیند فسفرسانس در مقایسه با فرآیند فلورسانس، انرژی کمتر و در نتیجه طول موج بلندتری را نشان می دهند. تفاوت دیگر آنها، در دوام تابش می باشد. در فلورسانس (مثلا صفحه تلویزیون یا نور مهتابی) تابش آنی است و بلافاصله بعد از قطع منبع نور، متوقف می شود. اما در فسفرسانس، ماده بعد از قطع نور نیز تا مدتی (چند ثانیه تا چند روز) به تابش ادامه می دهد. مدت زمان تابش به ماده مورد استفاده بستگی دارد.

 

محصولاتی که به کمک مواد فسفرسانس ساخته شده اند با هر منبع نوری (اعم از نور خورشید، لامپ، مهتابی و …) شارژ می شوند. در واقع این مواد، نور را در خود ذخیره کرده و سپس در تاریکی و طی یک مدت زمانی، نور ذخیره شده را انتشار داده و درخشان می باشند. درحالیکه محصولات فلورسنت و یا بلک لایت تنها در حضور نور های ماورابنفش (UV) درخشان بوده و در تاریکی نور خود به خودی نمی دهند.