Luminescence:Definition, Types &Examples - Ένας ολοκληρωμένος οδηγός
Η φωτεινότητα είναι εκπομπή φωτός χωρίς αξιόλογη θερμότητα. Φωτεινότητα είναι μια διαδικασία με την οποία μια ουσία εκπέμπει φως χωρίς να θερμαίνεται αισθητά. Ο όρος προέρχεται από τη λατινική λέξη "lumen", που σημαίνει "φως". Αντίθετα, η πυράκτωση είναι φως που προκύπτει από τη θέρμανση ενός υλικού έτσι ώστε να εκπέμπει ακτινοβολία μαύρου σώματος.
Βασικά συμπεράσματα:Φωτεινότητα
- Φωτεινότητα είναι εκπομπή φωτός που δεν είναι αποτέλεσμα θερμότητας, σε αντίθεση με την πυράκτωση .
- Συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια απορροφούν ενέργεια και την απελευθερώνουν ως φως ενώ επιστρέφουν σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας.
- Οι τύποι φωταύγειας περιλαμβάνουν τον φθορισμό , φωσφορισμός , χημιφωταύγεια , βιοφωταύγεια , ηλεκτροφωταύγεια , και άλλα.
- Το χρώμα και η διάρκεια του φωτός εξαρτώνται από την πηγή διέγερσης και τις ιδιότητες του υλικού.
- Οι εφαρμογές εκτείνονται από τη φύση (π.χ. πυγολαμπίδες, πλάσματα βαθέων υδάτων) στην τεχνολογία , ιατρική , αρχαιολογία , και ψυχαγωγία .
Ιστορικό
Οι πρώτοι άνθρωποι γνώριζαν για το φως από κάποιους μύκητες και το βόρειο σέλας. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε επίσημα στις αρχές του 1600, με την ανακάλυψη της «Πέτρας της Μπολόνια». Αυτή η ουσία με βάση το θειούχο βάριο, που ανακαλύφθηκε από έναν Ιταλό τσαγκάρη και αλχημιστή ονόματι Vincenzo Cascariolo, θα έλαμπε στο σκοτάδι μετά την έκθεση στο ηλιακό φως.
Τον 19ο αιώνα, ο Βρετανός επιστήμονας Sir George Gabriel Stokes έκανε σημαντικά βήματα στην κατανόηση αυτού του φαινομένου. Επινόησε τον όρο «φθορισμός» για να περιγράψει τη λάμψη του αργυραδάμαντα και του γυαλιού ουρανίου κάτω από το υπεριώδες φως. Ο ευρύτερος όρος «φωταύγεια» εισήχθη το 1888 από τον Γερμανό φυσικό Eilhard Wiedemann.
Πώς λειτουργεί το Luminescence
Σε μοριακό επίπεδο, η φωταύγεια εμφανίζεται όταν μια ουσία απορροφά ενέργεια, η οποία προωθεί τα ηλεκτρόνια της σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Όταν αυτά τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στην αρχική, χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση, απελευθερώνουν την περίσσεια ενέργειας με τη μορφή φωτός. Το ενεργειακό χάσμα καθορίζει το χρώμα (μήκος κύματος) του εκπεμπόμενου φωτός.
Φωτεινότητα έναντι πυρακτώσεως
Η φωταύγεια και η πυράκτωση είναι δύο πολύ διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους τα υλικά παράγουν φως. Ενώ η φωταύγεια προκύπτει από μεταπτώσεις ηλεκτρονίων που εκπέμπουν φως χωρίς σημαντική θερμότητα, η πυράκτωση εμφανίζεται όταν ένα αντικείμενο θερμαίνεται αρκετά ώστε να λάμψει. Η κατανόηση της διαφοράς μεταξύ αυτών των δύο διαδικασιών εξηγεί γιατί μια πυγολαμπίδα λάμπει ψύχραιμα ενώ μια λάμπα πυράκτωσης καίγεται ζεστή. Αυτή η σύγκριση υπογραμμίζει τις διαφορετικές πηγές ενέργειας, τις θερμοκρασίες και τα καθημερινά παραδείγματα.
Κατηγορίες και τύποι φωταύγειας
Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες φωταύγειας. Εξαρτώνται από την αιτία της διέγερσης, τη διάρκεια της εκπομπής και τη φύση της διεγερμένης κατάστασης. Εδώ είναι οι κύριες κατηγορίες:
Φωτοφωταύγεια
Αυτή είναι η εκπομπή φωτός που προκύπτει από την απορρόφηση φωτονίων. Η απορροφούμενη ενέργεια διεγείρει τα ηλεκτρόνια, τα οποία εκπέμπουν φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας όταν επιστρέφουν σε πιο σταθερή κατάσταση. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι φωτοφωταύγειας:
- Φθορισμός :Ο φθορισμός εμφανίζεται όταν μια ουσία απορροφά φωτόνια και τα εκπέμπει εκ νέου πολύ γρήγορα, μέσα σε νανοδευτερόλεπτα. Ένα καθημερινό παράδειγμα είναι ένα στυλό φθορίζοντος highlighter, το οποίο λάμπει κάτω από το υπεριώδες φως.
- Φωσφορισμός :Ο φωσφορισμός είναι παρόμοιος με τον φθορισμό, αλλά η ουσία εκπέμπει εκ νέου τα απορροφημένα φωτόνια για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, με αποτέλεσμα μια παρατεταμένη λάμψη ακόμη και μετά την αφαίρεση της συναρπαστικής πηγής. Τα αστέρια που λάμπουν στο σκοτάδι είναι ένα συνηθισμένο παράδειγμα.
Χημειοφωταύγεια
Αυτό είναι φως που προκύπτει από μια χημική αντίδραση. Ένα καθημερινό παράδειγμα είναι το φως από ένα ραβδί λάμψης, όπου μια χημική αντίδραση κάνει το ραβδί να λάμπει.
Βιοφωταύγεια
Αυτή είναι μια μορφή χημειοφωταύγειας που εμφανίζεται σε ορισμένους ζωντανούς οργανισμούς, επιτρέποντάς τους να παράγουν και να εκπέμπουν φως. Οι πυγολαμπίδες, ορισμένοι μύκητες και πολλά πλάσματα των βαθέων υδάτων είναι βιοφωταύγεια. Τεχνικά, η βιοφωταύγεια είναι μια μορφή χημειοφωταύγειας που εμφανίζεται σε ζωντανούς οργανισμούς.
Ηλεκτροφωταύγεια
Αυτό είναι φως ως απόκριση στη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος ή ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου μέσω ενός υλικού. Οι οθόνες των τηλεοράσεων OLED, τα νυχτερινά φώτα και ορισμένοι τύποι ψηφιακών οθονών χρησιμοποιούν αυτήν την αρχή.
Θερμοφωταύγεια
Αυτό το φως προκύπτει από τη θέρμανση ενός υλικού. Χρησιμοποιείται στην αρχαιολογία για τη χρονολόγηση αρχαίων αντικειμένων. Η θερμοφωταύγεια διαφέρει από το φως πυρακτώσεως που παράγεται από τη θερμότητα.
Κρυοφωταύγεια
Σε αντίθεση με τη θερμοφωταύγεια, η κρυοφωταύγεια είναι η εκπομπή φωτός από την ψύξη ενός υλικού. Ο Wulfenite είναι ένα παράδειγμα ορυκτού που εμφανίζει αυτόν τον τύπο φωταύγειας.
Τριβολοφωταύγεια
Η τριβολοφωταύγεια είναι φως που προκύπτει από την τριβή ή τη σύνθλιψη ενός υλικού. Εμφανίζεται συχνά κατά τη σύνθλιψη ζάχαρης ή ορισμένων τύπων κρυστάλλων.
Ραδιοφωταύγεια
Αυτό είναι φως από τον βομβαρδισμό με ιονίζουσα ακτινοβολία. Ένα παράδειγμα είναι η λάμψη των καντράν ραδίου σε παλιά ρολόγια και ρολόγια. Τα φώτα τριτίου λειτουργούν σχεδόν με τον ίδιο τρόπο, όπου η ακτινοβολία κάνει έναν φώσφορο να λάμπει.
Πίνακας τύπων φωταύγειας
Χρήσεις και εφαρμογές φωταύγειας
Το Luminescence έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στη φύση, την επιστήμη, τη βιομηχανία, την τέχνη και την καθημερινή ζωή. Η ικανότητά του να παράγει φως χωρίς θερμότητα το καθιστά πολύτιμο σε ευαίσθητα περιβάλλοντα και προηγμένες τεχνολογίες.
Φυσικές λειτουργίες
- Βιοφωταύγεια στα ζώα βοηθά στην επικοινωνία, το καμουφλάζ, το ζευγάρωμα και τη θήρα.
Επιστημονικές και ιατρικές χρήσεις
- Παρακολούθηση κυτταρικών διεργασιών.
- Απεικόνιση καρκινικών κυττάρων με δείκτες φωταύγειας.
- Αρχαιολογική και γεωλογική χρονολόγηση (π.χ. θερμοφωταύγεια).
Εμπορικές και βιομηχανικές χρήσεις
- Οθόνες OLED και ηλεκτροφωταύγεια πάνελ.
- Σήματα εξόδου κινδύνου και ταινίες ασφαλείας.
- Υλικά που λάμπουν στο σκοτάδι και καινοτόμα αντικείμενα.
Τέχνη και ψυχαγωγία
- Φωτεινά χρώματα, κοστούμια, σκηνικά στηρίγματα και εγκαταστάσεις.
Εξελίξεις στο Luminescence
Οι πρόσφατες εξελίξεις στη νανοτεχνολογία και στην επιστήμη των υλικών παράγουν νέα υλικά φωταύγειας με μοναδικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, οι κβαντικές κουκκίδες είναι μικροσκοπικά σωματίδια που εκπέμπουν φως διαφορετικών χρωμάτων ανάλογα με το μέγεθός τους. Βρίσκουν χρήση στην τεχνολογία αιχμής οθόνης για τη βελτίωση της ακρίβειας και της φωτεινότητας των χρωμάτων. Ως άλλο παράδειγμα, τα γενετικά τροποποιημένα φυτά φωταύγειας είναι μια επιλογή για βιώσιμο, ενεργειακά αποδοτικό φωτισμό. Στην ιατρική, οι δείκτες φωταύγειας υπόσχονται για την ανάδειξη των καρκινικών κυττάρων. Στον τομέα της ασφάλειας και της ασφάλειας, τα υλικά φωταύγειας προσφέρουν καλύτερη ορατότητα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
Διασκεδαστικά στοιχεία για το Luminescence
- Οι γαρίδες και τα καλαμάρια απελευθερώνουν βιοφωταυγές μελάνι για να μπερδέψουν τα αρπακτικά και να ξεφύγουν από τον κίνδυνο στα σκοτεινά βάθη του ωκεανού.
- Οι σκορπιοί λάμπουν κάτω από το υπεριώδες φως (UV) επειδή οι ενώσεις στον εξωσκελετό τους φθορίζουν.
- Η πέτρα της Μπολόνια, ένα ορυκτό θειούχου βαρίου, μαγνήτισε τους πρώτους επιστήμονες λάμποντας για ώρες μετά την έκθεση στο ηλιακό φως.
- Οι ράβδοι λάμψης παράγουν φως μέσω της χημειοφωταύγειας.
- Η κολλητική ταινία εκπέμπει ακτίνες Χ όταν την ξεφλουδίζετε σε κενό, χάρη στην τριβολοφωταύγεια.
- Μερικά πλάσματα βαθέων υδάτων ελέγχουν τη λάμψη τους χρησιμοποιώντας όργανα που παράγουν φως που ονομάζονται φωτοφόρα.
- Οι πυγολαμπίδες χρησιμοποιούν ακριβείς χρονομετρημένες λάμψεις βιοφωταύγειας για να προσελκύσουν τους συντρόφους και διάφορα είδη αναβοσβήνουν σε διαφορετικά μοτίβα.
- Οι θρυμματισμένοι κύβοι ζάχαρης αναβοσβήνουν με σύντομες λάμψεις φωτός όταν τους δαγκώνετε στο σκοτάδι λόγω της τριβολοφωταύγειας.
- Οι συσκευές που λειτουργούν με τρίτιο λάμπουν συνεχώς για χρόνια χωρίς ηλεκτρισμό εκπέμποντας ακτινοβολία που διεγείρει τους φώσφορους.
Αναφορές
- Anctil, Michel (2018). Φωτεινά πλάσματα:Η ιστορία και η επιστήμη της παραγωγής φωτός σε ζωντανούς οργανισμούς . Μόντρεαλ &Κίνγκστον, Λονδίνο, Σικάγο:McGill-Queen’s University Press. ISBN 978-0-7735-5312-5.
- Atari, Ν.Α. (1982). «Φαινόμενο πιζεοφωταύγειας». Γράμματα Φυσικής Α . 90 (1-2):93-96. doi:10.1021/ed100182h
- Harvey, E. Newton (1957). A History of Luminescence:From the Earliest Times Μέχρι το 1900 . Philadelphia:American Philosophical Society.
- Muraria, M.K.; et al. (Ιούνιος 2021). «Χρονολόγηση υπέρυθρου ραδιοφθορισμού (IR-RF):Μια ανασκόπηση». Τεταρτογενής Γεωχρονολογία . 64:101155. doi:10.1016/j.quageo.2021.101155
- Valeur, Bernard; Berberan-Santos, Mário N. (2011). «Μια σύντομη ιστορία του φθορισμού και του φωσφορισμού πριν από την εμφάνιση της κβαντικής θεωρίας». Journal of Chemical Education . 88 (6):731–738. doi:10.1021/ed100182h
