فسفرسانس چیست ؟
مقدمه ای بر پدیده فسفرسانس
وقتی نیمه شب از خواب بیدار می شوید، مطمئن نیستید کجا هستید، هیچ چیز آرامش بخش تر از صفحه نورانی ساعت نیست. شما نیازی به پیدا کردن چراغ ندارید: کافی است به مچ دست خود نگاه کنید و دقیقاً بدانید که ساعت چند است. ساعت‌هایی مانند این در تمام طول روز می‌درخشند اما در طول روز متوجه درخشش شبح آمیز آنها نمی‌شویم. فسفرسانس ترفند علمی است که باعث می شود آنها در شب بدرخشند، مدت ها بعد از اینکه همه منابع نور دیگر محو شدند… اما فسفرسانس چیست و دقیقا چگونه کار می کند؟
ساعت های شب تاب (Glow in the dark) تنها گوشه ای از کاربرد های پدیده فسفرسانس در اطراف ماست.
لومینوس به معنای “در تاریکی می درخشد” نیست: به این معنی است که یک جسم نوری را که خودش تولید می کند انتشار می دهد. به بیان دقیق، این بدان معناست که خورشید (بالا) یک جسم لومینوس است اما ماه (پایین) اینطور نیست.
لومینسانس یا نور سرد
لومینوس ( Luminous ) به زبان ساده به معنای انتشار نور است. بیشتر اشیا در جهان ما نور تولید می کنند زیرا آنها انرژی دارند که در اصل از یک منبع دیگر مانند خورشید آمده است، که بزرگترین و درخشان ترین چیزی است که می توانیم ببینیم. به بیان دقیق، اگرچه به نظر می رسد نور ماه در واقع یک جسم لومینوس نیست زیرا نور خورشید را مانند یک آینه غول پیکر سنگی منعکس می کند.
می توان گفت، حتی یک لامپ چراغ قوه نیز یک نوع لومینوس است، زیرا الکتریسیته (انرژی الکتریکی) را به نور تبدیل می کند و آن را به سمت ما می تابد. اما در واقع این نور در اثر ایجاد گرما تولید می شود و اصطلاحا به این پدیده بر افروختگی (Incandescence) میگویند. در مقابل، در پدیده لومینسانس ((Luminescence برای تولید نور نیازی به دماهای بالا نیست چرا که در این فرآیند نور بر اثر برانگیختگی اتم ها یا الکترون ها بدون حضور گرما منتشر میشود.
در لامپ هایی نظیر لامپ های رشته ای در واقع نور در اثر بر افروخته شدن یک رشته سیم از جنس تنگستن تولید میشود. که در واقع در این فرآیند برای تولید نور احتیاج به گرما و دما های بالاست که کاملا با پدیده لومینسانس متفاوت است.
چند نوع لومینسانس وجود دارد؟
ساعت های شب تاب (Glow in the dark watches) نور را جذب کرده و با قطع شدن منبع نور همچنان به انتشار نور ادامه می دهند. این نمونه از چیزی است که ما به آن فوتولومینسانس ( Photoluminescence ) می گویم یعنی لومینسانس ساخته شده توسط نور. اما شما می توانید با بر انگیختن اتم ها با بسیاری از انواع انرژی دیگر، اشیا را وادار به انتشار نور کنید. اتم ها می توانند انواع انرژی را دریافت کنند (نور، گرما، صدا یا هر چیز دیگری) و همان انرژی را به شکل نور به شما باز گردانند. دانشمندان موفق به کشف انواع لومینسانس شده اند که به شرح زیر می باشد:
- زیست تابی (Bioluminescence): ساخته شده توسط موجودات زنده مانند کرم شب تاب، پلانکتون ها و بسیاری از موجودات دریایی.
- لومینسانس شیمیایی (Chemiluminescence): توسط یک واکنش شیمیایی ساخته شده است. لایت استیک ( Glow Sticks ) به این صورت عمل می کنند.
- الکترولومینسانس (Electroluminescence): با عبور برق از چیزی شبیه گاز ساخته می شود.
- فوتولومینسانس (Photoluminescence): این نوع لومینسانس با تابش نور ساخته می شود. مواد فسفرسنت و فلورسنت از این خانواده اند.
- رونتگن لومینسانس (Röntgenoluminescence): با تابش اشعه ایکس به اشیا ساخته شده است. ( نام این لومینسانس از ویلهلم رونتگن کاشف اشعه ایکس گرفته شده است. )
- سونولومینسانس (Sonoluminescence): با عبور امواج صوتی پرانرژی از مایعات ایجاد می شود.
- ترمولومینسانس (Thermoluminescence): هنگامی که فوتون ها از مواد داغ ساطع می شوند ساخته می شوند.
- تریبولومینسانس (Triboluminescence): از مالش، خراشیدن یا تغییر شکل فیزیکی کریستال ها ساخته می شود.
شاید واژه الکترولومینسانس برای بسیاری از ما نا آشنا باشد اما ردپای این اثر را می توان در بعضی از چراغ ها مشاهده کرد.
یکی از کاربرد های پدیده لومینسانس شیمیایی را می توان در لایت استیک ها مشاهده کرد.
بعضی از عروس های دریایی می توانند نمونه های حیرت انگیزی از پدیده زیست تابی به شمار آیند.
فسفرسانس چیست ؟
همانطور که در بالا اشاره شد فسفرسانس ها از دسته مواد فوتولومينسانس (Photoluminescence) هستند، گروهی از مواد نظیر فسفر، کلسیم سولفید و باریم سولفید كه نور تابيده شده با طول موج معین را جذب کرده و در طول موج بلندتر دوباره منتشر مي کنند. فسفرسانس ها بر خلاف فلورسانس ها که نور جذب شده را بلافاصله بازتاب میکنند، در ابتدا نور را جذب کرده و با قطع شدن منبع، آن را در مدت زمان بیشتری با طول موج بلند تر ساطع می کنند. به طور كلی و به زبان ساده فسفرسانس (Phosphorescence) یک روند است كه طی آن ماده ای انرژی را دريافت و سپس به آرامي به شكل نور آزاد می کند. اما برای اینکه بفهمیم فسفرسانس چگونه کار می کند باید سری به دنیای کوانتوم بزنیم …
مکانیزم کلی انتشار نور در مواد فسفرسانس و فلورسانس یکسان هستند. در هر دوی این مواد، الکترون ها با جذب نور برانگیخته شده و به تراز انرژی بالاتر انتقال پیدا می کنند و هنگام بازگشت به حالت اولیه نور را با طول موج بلند تر ساطع می کنند
فسفرسانس و مکانیک کوانتوم
اصل طرد پائولی (The Pauli Exclusion Principle) یکی از پایه های مکانیک کوانتومی است. این اصل بیان می کند که هیچ دو الکترونی در یک اتم یا مولکول نمی توانند مجموعه ای از اعداد کوانتومی یکسان داشته باشند. یکی از مهم ترین اعداد کوانتومی در الکترون ها تکانه زاویه ای یا همان اسپین ((Spin است. بنابراین، اصل طرد پائولی می گوید که دو الکترون در یک اوربیتال باید دارای اسپین های مخالف باشند که به آنها «بالا» و «پایین» می گویند. (برچسب های “بالا” و “پایین” از نظر تاریخی به جهت گیری های بردار تکانه زاویه ای نسبت به جهت یک میدان مغناطیسی خارجی اشاره دارند. “بالا” و “پایین” مربوط به اعداد کوانتومی اسپین S = +1/2 و S= -1/2 است.)
چهار عدد کوانتومی (n, l, ml , ms ) از ویژگی ها اصلی یک الکترون به شمار می-آیند. اعداد کوانتومی الکترون ها را درون یک اتم با یکدیگر متمایز می کنند.
با چرخش الکترون ها به دور خود، یک میدان مغناطیسی پیرامون آن ها تشکیل می شود. در واقع با این چرخش، آن ها تبدیل به یک آهن ربا با قطب های غیر همنام می شوند. وجود این میدان های مغناطیسی(با غلبه بر نیروی دافعه الکتریکی) ، قرار گیری الکترون ها را درون یک اوربیتال به سادگی توجیه می کند.
حالت منفرد (Singlet State) یک مولکول حالتی است که در آن تمام الکترون ها به صورت بالا و پایین جفت می شوند. حالت سه گانه (Triplet State) حالتی است که در آن مجموعه ای از دو الکترون در اوربیتال های مختلف جهت گیری یکسان، بالا به بالا یا پایین به پایین دارند.
حالت سه گانه با تغییر تکانه زاویه ای یا همان اسپین الکترون ها در هنگام برانگیخته شدن یا هنگام بازگشت به حالت اولیه در پدیده فسفرسانس رخ می دهد.
تصویری از حالت های منفرد و سه گانه. خطوط سیاه سطح انرژی و نقاط طلایی الکترون هستند. فلاش ها حالت های حرکت زاویه ای بالا و پایین را نشان می دهند.
فسفرسانس و نمودار یابوونسکی
حال فرض کنید که یکی از الکترون ها از جفت الکترون، در حالت پایه (Ground State) با جذب یک فوتون (انرژی) برانگیخته شده و به تراز انرژی بالاتر منتقل شود. مقیاس زمانی این انتقال در درجه 10-15 ثانیه می باشد. اسپین الکترون ها در این انتقال بدون تغییر باقی می ماند. چندین حالت امکان دارد بعد از این وضعیت اتفاق بیفتد.
1 – یکی از اتفاقات ممکن این است که الکترون در این حالت بلافاصله به وضعیت اولیه خود برگردد. (بردار سبز رو به پایین) در طی این انتقال الکترون با آزاد سازی یک فوتون با همان طول موج فوتون جذب شده در زمان برانگیخته شدن، و بدون تغییر اسپین انرژی خود را آزاد می سازد.
2 – اتفاق دیگری که ممکن است بیفتد این است که الکترون برانگیخته شده به صورت ارتعاشی ((Vibrational Relaxation به سطح انرژی پایین تر سقوط کند (بردار موجی آبی). این اتلاف انرژی را “انتقال بدون تشعشع” (Radiation Less Transition) می نامند زیرا شامل گسیل فوتون نمیشود. مقیاس زمانی این انتقال ارتعاشی در درجه 10-12-10-10 ثانیه است. الکترون می تواند برای مدتی در تراز انرژی S1 باقی بماند، ولی اگر اسپین الکترون تغییر نکند مولکول همچنان در حالت منفرد (Singlet State) قرار دارد و الکترون با گسیل یک فوتون با طول موج بلندتر (نسبت به فوتون جذب شده) به حالت پایه باز می گردد. مقیاس زمانی این انتقال در درجه 10-10-10-7 ثانیه است. حالت پایه (S0) باز شامل یک جفت الکترون با اسپین های متفاوت می شود. این همان پدیده ی فلورسانس هست.
در چنین نمودار هایی سطوح انرژی را به صورت خطوط افقی (خط مشکی) و انتقال الکترون ها به صورت خطوط عمودی و اریب (خطوط قرمز و سبز و قهوه ای) نشان داده شده است. در این نمودار الکترون ها به صورت نقطه های طلایی و حالت اسپین آن ها به صورت فلاش های بالا و پایین به نمایش در آمده است.
3 – تغییر اسپین یک الکترون به سادگی امکان پذیر نیست یعنی چرخش یک الکترون به دور خود به سادگی عوض نمی شود چراکه “قانون بقای تکانه زاویه” را نقض میکند The Law Of Conservation Of Angular Momentum) ). چنین تغییر چرخشی در اصطلاح مکانیک کوانتوم یک “انتقال ممنوع” (Forbidden Transition) است. هرچند کلمه ی “ممنوع” در مکانیک کوانتوم به معنای “هرگز رخ نمی دهد” نیست بلکه به معنای که “معمولا اتفاق نمی افتد” است. پس در حالت سوم تکانه زاویه ای الکترون و اوربیتال آن توسط پدیده “Spin-Orbit Coupling” تغییر می کند. این نیز یک انتقال بدون تشعشع است و به پدیده “عبور بین سیستمی” (Intersystem Crossing) معروف است (بردار موجی بنفش). مقیاس زمانی این انتقال در درجه 10-10-10-8 ثانیه است. در این حالت الکترون می تواند به صورت ارتعاشی به سطح انرژی پایین تر سقوط کند. این الکترونی که چرخش آن تغییر کرده دیگر با الکترونی که در حالت پایه باقی مانده جفت نیست. این یک حالت سه گانه (Triplet State) است (T1). این الکترون به سادگی نمی تواند به حالت پایه سقوط کند چراکه در این صورت دو الکترون با اسپین یکسان در یک حالت قرار می گیرند که این بر خلاف اصل طرد پائولی است. پس الکترون در این حالت (T1) صبر کند تا بار دیگر توسط پدیده “Spin-Orbit Coupling” جهت چرخش آن به حالت اولیه خود برگردد. این انتقال در مقیاس اتمی مدت زمان زیادی می طلبد. پس از آنکه اسپین الکترون به حالت اولیه خود برگشت آنگاه می تواند به حالت اولیه برگردد. این همان فرآیند فسفرسانس است (بردار قهوه ای ) و مقیاس زمانی این انتقال در درجه 10-6-105 ثانیه است. به همین علت است که در مواد فسفرسنت با حذف منبع نور همچنان به تابش نور ادامه می دهند.
مقاله پودر شب تاب را مطالعه بفرمایید .
