پدیده فلورسانس چیست؟

پدیده فلورسانس قابلیتی است که در برخی از مواد شیمیایی یافت می‌شود و بر اساس آن، پس از جذب انرژی بر اثر تابش (که معمولا قابل مشاهده نیست)، نور مرئی منتشر می‌شود. این انرژی معمولا از طریق پرتو ماوراء بنفش تامین می‌گردد. این ویژگی منجر به تعریف کاربردهای متنوعی برای این دسته از مواد شده است. در این سری از مقالات نفیس نخ همراه ما باشید تا بیشتر با این پدیده آشنا شویم. تنظیم: دکتر نادیا رحیمی تنها

پدیده فلورسانس چیست؟ (فرآیند تابش نور)

بسیاری از مواد شیمیایی، تابش­های فرابنفش یا مرئی را جذب می کنند. این مواد انرژی جذب شده را به دلیل برخورد به سایر اتم­ها یا مولکول­ها به صورت گرما از دست می­دهند و در نهایت به حالت پایه باز می­گردند. در حالیکه تعداد کمی از مواد، بخش عمده­ای از انرژی جذب شده را به صورت تابش الکترومغناطیس (با طول موجی بزرگتر از طول موج فوتون جذب شده) از دست می­دهند و مابقی آن به صورت گرما آزاد می­گردد. به این فرآیند تابش می­گویند. در فرآیند تابش، نور در دمای پایین ایجاد شده است. به نور تولید شده به این روش، نور بدون گرما یا نور سرد گفته می­شود. فرآیند تابش را به سه دسته، فلوئورسانس، فسفرسانس و نورتابی شیمیائی می­توان تقسیم کرد.

فلورسانس و نور

فلورسانس یا فلوئورسانس (Fluorescence)  پدیده­ای است که طی آن، یك ماده خاص (نظیر فسفر) بعد از قرار گرفتن در مقابل تابش نور یا حرارت، تحریك می‌شود و انرژی دریافتی را در خود ذخیره می‌نماید. منظور از زمان تحریک، زمانی در حدود  کمتر از ^۸–۱۰ ثانیه می‌باشد. انرژی ذخیره شده به شکل طیفی از امواج مرئی منتشر می‌گردد.

نکته

پدیده فلورسانس بعد از تابش و جذب نور آغاز شده و با قطع تابش ورودی متوقف و خاموش می‌گردد. ماده‌ای که چنین پدیده‌ای را بروز دهد، ماده فلورسانس کننده نامیده می‌شود. ریشه اصطلاح فلورسانس به فلئوریت می‌رسد که ماده معدنی متشکل از نمک فلوراید کلسیم (CaF₂) و یک ماده فلورسنت شناخته شده ‌است.

فلورسانس یا فلوئورسانس پدیده­ای است که طی آن، یك ماده خاص بعد از قرار گرفتن در مقابل تابش نور یا حرارت، تحریك می‌شود و انرژی دریافتی را در خود ذخیره می‌نماید.

پس از آنکه الکترون با جذب فوتون پرانرژی از تراز پایه به تراز برانگیخته می‌رود، تمایل دارد که با تابش فوتون انرژی خود را از دست بدهد و به تراز پایه برگردد. در اینجا ممکن است که الکترون یکباره به تراز پایه برنگردد بلکه ابتدا به ترازهای برانگیخته پایین‌تر رفته و سپس به تراز پایه برسد که در این حالت الکترون، فوتون‌هایی با انرژی کمتر (یعنی طول موج بلندتر) از خود ساطع می‌کند که ممکن است برای چشم انسان قابل دیدن باشد. یعنی نور با طول موج معین جذب می‌شود اما نور با طول موج متفاوت گسیل می­گردد. پدیده فلورسانس انرژی را از طول موج‌های کوتاه‌تر به بلند‌تر (آبی تا زرد) تغییر می‌دهد و بنابراین می‌تواند رنگ فلورسنت را روشن‌تر (اشباع‌تر) نمایان سازد.

حالت های برانگیخته الکترونی

الکترون نیز مانند ذرات باردار دیگری که حول یک محور می­چرخند، یک میدان مغناطیسی به دور خود ایجاد می­کند. بنابراین بر اساس مکانیک کوانتوم یک اسپین ظاهری برای الکترون درنظر گرفته می­شود که می­تواند یکی از دو مقدار ½+ و یا ½- را داشته باشد. بر طبق اصل طرد پاولی، دو الکترون تنها زمانی می­توانند در یک اوربیتال کنار هم قرار بگیرند که اسپین مخالف داشته باشند.

در واقع در حالت یک تایی، اسپین الکترون ها جفت شده است و اسپین هر دو الکترون مخالف هم است. بیشتر مولکول­ها در حالت پایه خود الکترون جفت نشده ندارند، پس این مولکول­ها در حالت یک تایی قرار گرفته­اند. زمانیکه این مولکول­ها در معرض نور فرابنفش یا مرئی قرار بگیرند، یک یا چند تا از الکترون­های منفرد آنها، به تراز انرژی بالاتر جهش می­کنند. از این رو، در حالت های برانگیخته الکترونی، دو دسته یکتایی (Singlet) و سه تایی (Triplet) وجود خواهد داشت.

اگر در طی انتقال به تراز انرژی بالاتر، اسپین الکترون تحریک شده، ثابت بماند و تغییری نکند، حالت برانگیخته یک تایی ایجاد می­گردد. به بیان دیگر، جفت بودن اسپین الکترون در حالت برانگیخته و اسپین الکترون در حالت پایه حفظ شده است. در حالیکه اگر در طی انتقال، جهت اسپین الکترون تغییر کرده باشد، حالت برانگیخته سه تایی ایجاد شده است.

کاربرد پیگمنت های رنگ فلورسنت

رنگدانه‌هایی که می‌توانند توسط نور تحریک شوند و رنگ‌های درخشان‌تری نسبت به رنگدانه‌های معمولی ایجاد کنند، به عنوان رنگدانه‌های فلورسنت شناخته می‌شوند. آنچه باعث وقوع پدیده فلورسنت می‌شود، تابش پرتو UV (نور فرابنفش) است.

از این رنگدانه‌ها می‌توان در رنگ‌های ساختمانی، رنگ‌های صنعتی، رنگ‌های پوششی برای کاغذ و ابریشم مصنوعی، جوهرهای صنعتی، انواع مستربچ‌های رنگی، صنایع بهداشتی، اسباب بازی و… استفاده نمود. همچنین از این رنگ‌ها می‌توان در انواع سطوح شیشه‌ای، چوبی، سفالی، سرامیک، پارچه‌ای و چرمی استفاده نمود.

در زمینه منسوجات، می‌توان به کاربردهایی نظیر لباس ورزشی برای شب، لباس پرسنل راهنمایی و رانندگی، کارگران شیفت شب، انواع تابلوهای هشدار دهنده در شب، لباس‌ها و کفش‌های بچه گانه و … اشاره نمود.

پیشنهاد میکنیم مقاله رنگ چیست را مطالعه نمایید

نتیجه گیری

فلورسانس انتشار نور توسط ماده ای است که نور یا سایر تشعشعات الکترومغناطیسی را جذب کرده است. در بیشتر موارد، نور ساطع شده طول موج بیشتری دارد. یک مثال قابل درک از فلورسانس زمانی رخ می‌دهد که تابش جذب شده در ناحیه فرابنفش طیف الکترومغناطیسی (غیر قابل مشاهده برای چشم انسان) باشد، در حالی که نور ساطع شده در ناحیه مرئی باشد. این به ماده فلورسنت رنگ متمایزی می‌دهد که تنها زمانی قابل مشاهده است که ماده در معرض نور UV قرار گرفته باشد. مواد فلورسنت با توقف منبع تشعشع تقریبا بلافاصله درخشش خود را متوقف می‌کنند، بر خلاف مواد فسفرسنت که تا مدتی پس از آن به انتشار نور ادامه می‌دهند.

فلورسانس کاربردهای عملی زیادی دارد، از جمله کانی‌شناسی، گوهرشناسی، پزشکی، حسگرهای شیمیایی (طیف‌سنجی فلورسانس)، برچسب‌گذاری فلورسنت، رنگ‌ها، آشکارسازهای بیولوژیکی، تشخیص پرتوهای کیهانی، نمایشگرهای فلورسنت خلاء و لوله‌های پرتوی کاتدی. رایج ترین کاربرد روزمره آن در لامپ های فلورسنت (تخلیه گاز) و لامپ های LED است که در آن پوشش های فلورسنت نور ماوراء بنفش یا آبی را به طول موج‌های طولانی‌تر تبدیل می‌کنند و در نتیجه نور سفیدی ایجاد می‌شود که حتی می‌تواند از لامپ‌های رشته‌ای سنتی اما کم مصرف غیرقابل تشخیص باشد.

منابع

• Introduction to fluorescence techniques., Haugland, R. P., Gregory, J., Spence, M. T. Z., Johnson, I., and Miller, E., in Handbook of Fluorescent Probes and Research Products., Molecular Probes, Inc., Eugene, Oregon, pages 1-6 (2002)
• Molecular Fluorescence: Principles and Applications., Valeur, B., Wiley-VCH, New York, Chapters 1-3, pages 3-71 (2002).
• https://www.mcgill.ca
• https://miniatureiran.co
• https://www.jahaneshimi.com