بنام خالق زیبایی ها
موضوع سمینار:فسفرسانس وفلورسانس
استاد مربوطه:
ارائه دهنده:
مقدمه
در علم شیمی فسفرسانس یا فسفرتابی(Phosphorescence) نام پدیده ای است که در طی آن، یک ماده خاص (فسفر) بعد از قرار گرفتن در مقابل حرارت یا تابش (نور مرئی یا نور غیر مرئی) تحریک می شود (زمان تحریک بیشتر از ۸-۱۰ ثانیه می باشد).
ماده مورد نظر بعد از تحریک، انرژی دریافتی را در خود ذخیره می کند 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 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 فیزیکی که در طی آن از هر طریقی به استثنای افزایش دمای یک ماده، نور تولید شود لومینساس گفته می شود. پدیده لومینسانس به طور کلی به تابش نور به وسیله یک ماده گفته می شود که شامل دو نوع تابش فلور سانس و فسفرسانس میباشد.
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، اکسیداسیون 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
برانگیختگی میان دو تراز اصلی انرژی E۱ و E۲ انجام می شود. در واقع الکترون با دریافت انرژی، به تراز انرژی E۲ برانگیخته می شود و پس از گذشتن ۸ تا ۱۰ ثانیه، فوتونی با انرژی E۲– E۱تابش نموده و دوباره به تراز انرژی اول بر می گردد. حال آنکه در پدیده فسفرسانس، به دلیل وجود یک تراز میانی، ماجرا کمی پیچیده تر خواهد بود. این تراز میانی که در حقیقت میان ترازهای پایه و برانگیخته قرار دارد، ترازی نیمه پایدار است و همچون دامی برای الکترون ها عمل می کند. 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 E۲ 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 E۲ 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.
کاربردهای 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 آلومینات استرانیسم ( (Strontium Aluminateاین مواد را معمولا با پلاستیک مخلوط می کنند و بدین شکل مواد درخشنده در تاریکی را می سازند
جالب اینجاست که
که آالومینات استرانیسم از جدیدترین مواد فسفرسنس است که بیشتر در ساخت وسایل اسباب بازی، و یا برای نورانی کردن عقربه های ساعت کاربرد 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.
بیگمنت 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 که 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 یک عنصر رادیو اکتیو سبک (مثلا رادیوم) مخلوط می کنند تا تشعشع دائمی و کم شدت عنصر رادیو اکتیو بتواند نقش نور شارژ کننده ماده فسفرسانس را بازی کند.
از دیگر کاربرد های فسفرسنس می توان به لامپ های فسفرسنت اشاره کرد. در ادامه چند مثال از لامپ های فسفرسنت را 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 فلورسن با فسفرسن
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 کوتاه 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.
خاصیت فسفرسانس : ( (Phosphorescenceاگر پس از قطع عامل محرکه تابش پرتو نورانی برای مدتی ادامه داشته باشد این خاصیت را فسفرسانس گویند .
فسفرسانس فوتولومینسانس ویژه ایست که به فلورسانس هم مربوط است اما برخلاف فولورسانس ماده فسفورسانس فورا انرژی جذب شده را تابش نمیکند این مبحث در فیزیک کوانتم بحث میشود . انرژی جذب شده ممکن است در سطح پایین تری اما به مدت طولانی تر تا چند ساعت تابش کند.
به عبارت ساده تر فسفرسانس فرآیندی است که در آن ماده فسفرسانس تابشی نسبتا خفیف دارد .این مواد در معرض نور مرئی انرژی جذب میکنند و با قرار گرفتن در تاریکی مقدار کمی از آنرا بطور طولانی تر تابش میکنند .بعضی از مواد درخشان در تاریکی جزو ایندسته از کانی ها هستند. باید اضافه کرد تعداد زیادی از اشیائی که در تاریکی میدرخشند لزوما خاصیت فسفرسانسی ندارند برای مثال قلم درخشان که آنرا در نمایشگاها و شهر بازی ها در دست کودکان در شروع شب میبینیم (امریکا) کارش بر اساس خاصیت فسفرسانس نیست و روی خاصیت کیمولومینسانس است که صرفا لومینسانس شیمیایی است و این عموما بین مردم اشتباها فسفرسانس تصور میشود.
در کیمولومینسانس نورافشانی ماده شیمیایی با یک ماده فعال کننده که اکسیژن دارد (آب اکسیژنه) فعال میشود و پس از چند ساعت نورش کم و کمتر میشود .
در فلورسانس جسم و یا کانی دارای این خاصیت در نوری مشخص جذب انرژی میکند و با قرار گرفتن در محیط تابش دیگری مانند نور مرئی انرژی نگه داشته را که ممکن است آنهم مرئی باشد به شکا فوتون آزاد میکند اگر به چنین اجسامی در تاریکی بنگرید هیچ نوری از آن تابیده نمیشود و مانند اجسام دیگری است که در تاریکی قرار دارند . با طول موج های مختلفی میتوان تابش آنها را بیشتر کرد ، در تابش های نور معمولی طول موج های بلند تری از نور از این کانی ها به بیرون تابش میشوند .
اما در فسفرسانس جسم دارای این خاصیت نوع دیگری عمل میکند و آن اینست که در تاریکی هم از خود نور میتابد و تابش آن به تابش نور مریی دیگری بستگی ندارد فسفر های روی عقربه بعضی ساعت های مچی روی این خاصیت کار میکند و اجسام نمایان در تاریکی دارای این خاصیت ممکن است باشند.
در فلورسانس چون انرژی باید در جسم انباشه شود جسم با یکبار در نور قرار گرفتن وقتی شروع به تابش کرد پس از مدتی از نور افشانی میافتد و باید دوباره آنرا در نوری قرار داد که قادر به گرفتن آنست . دوباره باز میشود نور افشانی دوباره اش را دید تا باز خاتمه یابد . مهمترین مثال این پدیده کارت هایی است به اندازهء کار اعتباری که برای چک کردن کار کنترل دور تلویزیون کار میکنند . چون نور آنرا معمولا نمیبینیم با این کارت میتوانید آنرا چک کنید ، مثلث کوچک روی کارت مقداری ماده فلورسانس دارد .د
چگونگی ساخت مواد فسفرسانس و فلوئورسانس
برای بوجود آوردن مواد درخشنده ایی که در تاریکی درخشان هستند باید فسفری وجود داشته باشد که بتواند از نور معمولی انرژی بگیرد و طول تابش آن را زیادتر کند؛ از موادی که دارای این ویژگی هستند می توان به Zinc Sulfide و Strontium Aluminate که Strontium Aluminate اشاره کرد؛ پلاستیک را با این مواد مخلوط می کنند و در نتیجه مواد درخشنده در تاریکی را می سازند.
حتما بعضی ساعت ها را دیده اید که عقربه های آن بدون نیاز به انرژی می توانند بدرخشند، در واقع در عقربه های آن ها فسفر با یک عنصر رادیو اکتیو مانند رادیوم Radium مخلوط شده، که آن عنصر با انتشار امواج رادیو اکتیو همواره به فسفر انرژی می دهد