فسفرسانس چیست؟ تعریف، کاربردها و مثال های جذاب در زندگی روزمره

آیا تا به حال به برچسب‌های شب‌تاب یا ستاره‌های شب‌نما که بعد از خاموش شدن چراغ‌ها می‌درخشند، دقت کرده‌اید؟ این پدیده جذاب، فسفرسانس (Phosphorescence) نام دارد. فسفرسانس نوعی از لومینسانس است که در آن، ماده انرژی را از طریق تابش الکترومغناطیسی، معمولاً نور فرابنفش، جذب می‌کند. این انرژی باعث می‌شود الکترون‌های اتم از حالت انرژی پایین‌تر به حالت انرژی بالاتر (برانگیخته) جهش کنند. هنگامی که الکترون‌ها به حالت انرژی پایین‌تر بازمی‌گردند، انرژی را به صورت نور مرئی آزاد می‌کنند و این همان درخششی است که ما می‌بینیم.

نکات کلیدی درباره فسفرسانس

• فسفرسانس نوعی از فوتولومینسانس (photoluminescence) است.
• در فسفرسانس، نور توسط یک ماده جذب می‌شود و سطح انرژی الکترون‌ها را به حالت برانگیخته می‌رساند. با این حال، انرژی نور جذب شده دقیقاً با انرژی حالت‌های برانگیخته مجاز مطابقت ندارد، بنابراین فوتون‌های جذب شده در یک "حالت سه تایی" گیر می‌افتند. انتقال به یک حالت انرژی پایین‌تر و پایدارتر زمان می‌برد، اما هنگامی که این انتقال رخ می‌دهد، نور آزاد می‌شود. از آنجایی که این آزاد شدن نور به آرامی صورت می‌گیرد، مواد فسفرسانس در تاریکی می‌درخشند.
• نمونه‌هایی از مواد فسفرسانس شامل ستاره‌های شب‌نما، برخی از علائم ایمنی و رنگ‌های شب‌تاب است. برخلاف محصولات فسفرسانس، رنگدانه‌های فلورسنت به محض حذف منبع نور، از درخشیدن متوقف می‌شوند.
• با وجود نام‌گذاری فسفرسانس بر اساس درخشش سبز عنصر فسفر، خود فسفر در اثر اکسیداسیون می‌درخشد و این پدیده، فسفرسانس نیست!

فسفرسانس به زبان ساده: ذخیره و انتشار نور

به بیان ساده، فسفرسانس فرآیندی است که در آن ماده، انرژی نورانی را جذب و آن را به تدریج در طول زمان آزاد می‌کند. تصور کنید ماده فسفرسانس مانند یک باتری قابل شارژ است که با قرار گرفتن در معرض نور، "شارژ" می‌شود. این انرژی سپس برای مدتی ذخیره شده و به آرامی آزاد می‌گردد. این آزاد سازی تدریجی انرژی، همان درخششی است که در تاریکی مشاهده می‌کنیم. در مقابل، اگر انرژی بلافاصله پس از جذب نور آزاد شود، این پدیده را فلورسانس می‌نامیم. فلورسانس مانند یک لامپ معمولی است که به محض روشن شدن، نور را ساطع می‌کند. تفاوت اصلی در مدت زمان انتشار نور است؛ فسفرسانس نور را ذخیره و به تدریج منتشر می‌کند، در حالی که فلورسانس نور را به صورت آنی ساطع می‌کند.

توضیح کوانتومی فسفرسانس: سفری به دنیای ذرات

از دیدگاه مکانیک کوانتومی، تفاوت بین فلورسانس و فسفرسانس در چگونگی برانگیختگی و بازگشت الکترون‌ها به حالت پایه نهفته است. در فلورسانس، سطح ماده یک فوتون را جذب و تقریباً بلافاصله (در حدود 10 نانوثانیه) آن را بازتاب می‌کند. این فرآیند سریع است زیرا انرژی فوتون‌های جذب شده با حالت‌های انرژی و انتقالات مجاز ماده مطابقت دارد.

اما در فسفرسانس، ماجرا پیچیده‌تر است. دوام فسفرسانس بسیار طولانی‌تر (از میلی‌ثانیه تا چند روز) است، زیرا الکترون جذب‌شده به یک حالت برانگیخته با "تکینگی اسپین" بالاتر می‌رود. الکترون‌های برانگیخته در یک "حالت سه‌تایی" به دام می‌افتند و فقط می‌توانند از انتقالات "ممنوعه" برای سقوط به یک حالت "تکی" با انرژی پایین‌تر استفاده کنند. مکانیک کوانتومی اجازه انتقال ممنوعه را می‌دهد، اما از نظر سینتیکی مطلوب نیستند، بنابراین زمان بیشتری برای وقوع آنها لازم است.

اگر نور کافی جذب شود، نور ذخیره شده و آزاد شده به اندازه‌ای قابل توجه می‌شود که ماده به نظر می‌رسد در تاریکی می‌درخشد. به همین دلیل، مواد فسفرسانس، مانند مواد فلورسنت، زیر نور سیاه (فرابنفش) بسیار روشن به نظر می‌رسند.

تاریخچه فسفرسانس: از سنگ خورشید تا کشف رادیواکتیویته

مطالعه مواد فسفرسانس به سال 1602 باز می‌گردد، زمانی که وینچنزو کاسکیارولو، ایتالیایی، سنگی به نام "lapis solaris" (سنگ خورشید) یا "lapis lunaris" (سنگ ماه) را توصیف کرد. این کشف در کتاب "De Phenomenis in Orbe Lunae" نوشته جولیو سزار لا گالا، استاد فلسفه، در سال 1612 شرح داده شده است. لا گالا گزارش می‌دهد که سنگ کاسکیارولو پس از کلسینه شدن از طریق حرارت، از خود نور ساطع می‌کند. این سنگ نور را از خورشید دریافت می‌کرد و سپس (مانند ماه) در تاریکی نور می‌داد. این سنگ، باریت ناخالص بود، اگرچه مواد معدنی دیگری نیز خاصیت فسفرسانس را نشان می‌دهند. از جمله این مواد می‌توان به برخی از الماس‌ها (که در سال 1010-1055 توسط پادشاه هندی بوجا شناخته شده بود، دوباره توسط آلبرتوس مگنوس و دوباره توسط رابرت بویل کشف شد) و توپاز سفید اشاره کرد. به ویژه چینی‌ها، نوعی فلوریت به نام کلروفان را که در اثر گرمای بدن، قرار گرفتن در معرض نور یا مالش، درخشش نشان می‌داد، ارزشمند می‌دانستند. علاقه به ماهیت فسفرسانس و سایر انواع لومینسانس در نهایت منجر به کشف رادیواکتیویته در سال 1896 شد.

مواد فسفرسانس: از سولفید روی تا آلومینات استرانسیم

علاوه بر چند ماده معدنی طبیعی، فسفرسانس اغلب توسط ترکیبات شیمیایی تولید می‌شود. احتمالاً مشهورترین این ترکیبات، سولفید روی است که از دهه 1930 در محصولات مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. سولفید روی معمولاً یک فسفرسانس سبز رنگ منتشر می‌کند، اگرچه می‌توان فسفرها (مواد درخشان) را برای تغییر رنگ نور به آن اضافه کرد. فسفرها نور ساطع شده از فسفرسانس را جذب می‌کنند و سپس آن را به عنوان رنگ دیگری آزاد می‌کنند.

در سال‌های اخیر، آلومینات استرانسیم برای فسفرسانس مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ترکیب ده برابر روشن‌تر از سولفید روی می‌درخشد و انرژی خود را برای مدت طولانی‌تری ذخیره می‌کند. به همین دلیل، آلومینات استرانسیم انتخاب محبوب‌تری برای کاربردهایی است که نیاز به درخشش طولانی مدت دارند.

نمونه‌هایی از فسفرسانس در زندگی روزمره

احتمالاً با نمونه‌های رایج فسفرسانس برخورد داشته‌اید: ستاره‌هایی که افراد روی دیوارهای اتاق خواب خود می‌چسبانند و ساعت‌ها پس از خاموش شدن چراغ‌ها می‌درخشند، یا رنگی که برای ایجاد نقاشی‌های دیواری درخشان ستاره‌ها استفاده می‌شود. اینها همگی مثال‌هایی از فسفرسانس هستند. نکته مهم این است که اگرچه عنصر فسفر به رنگ سبز می‌درخشد، اما نور آن ناشی از اکسیداسیون (شیمی‌لومینسانس) است و نمونه‌ای از فسفرسانس محسوب نمی‌شود.