פלואורסצנציה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Gnome-colors-emblem-development-2.svg הערך נמצא בשלבי עבודה: כדי למנוע התנגשויות עריכה ועבודה כפולה אתם מתבקשים שלא לערוך ערך זה בטרם תוסר הודעה זו, אלא אם כן תיאמתם זאת עם מניחי התבנית.
אם הערך לא נערך במשך שבוע ניתן להסיר את התבנית ולערוך אותו, אך רצוי לתת קודם תזכורת בדף שיחת הכותבים.

פְלוּאוֹרֶסְצֶנְצְיָה (או פלואורסצנטיות; באנגלית: Fluorescence; בעברית גם: פְלוּאוֹרָנוּת, זְהִירָה) היא סוג של לומינסנצייה והגדרתה היא פליטה ספונטנית של אור ממולקולה הנמצאת במצב מעוֹרָר, כתוצאה מבליעת אור או קרינה אלקטרומגנטית, כאשר אורך הגל של האור הנפלט יותר גדול מאורך הגל של האור הנבלע.

בשונה מסוגים אחרים של לומינסנצייה כגון פוספורסצנציה, זמני החיים של תופעה זו קצרים יחסית והם מאופיינים בסדר גודל של פמטושניות.

בדומה לפיזור רמאן, גם פלואורסצנציה היא דוגמה להיסט סטוקס אך אף כי 2 התהליכים מביאים לתוצאה זהה — פליטת אור באורך גל גדול יותר ("אדום" יותר) — ישנם 2 הבדלים בין התופעות:

לפלואורסצנציה יש יישומים פרקטיים רבים הכוללים: מינרלוגיה, גמולוגיה, רפואה, חיישנים כימיים (ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית), תיוג פלואורסצנטי, צבענים, גלאים ביולוגיים, גילוי קרניים קוסמיות ונורות פלואורסצנטיות.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Lignum nephriticum - cup of Philippine lignum nephriticum, Pterocarpus indicus, and flask containing its fluorescent solution Hi.jpg

עדות ראשונה לתופעת הפלואורסצנציה תוארה ב-1560 על ידי ברנרדינו דה סאגון בקודקס הפלורנטיני וב-1565 על ידי ניקולס מונדרס בהקשר לתרופה ששימשה כחומר משתן והופקה מעץ שכונה "עץ הכליות".[1] [2][3] [4] התרופה נודעה בתכונתה לשנות את הצבע של המים בהתאם לאור ולזווית פגיעתו.

בשנת 1822 תיאר רנה ז'יסט אאיאי את התופעה בפלואוריט, ב-1833 תיאר סר דייוויד ברוסטר את הפלואורסצנציה בכלורופיל וב-1845 עשה זאת סר ג'ון הרשל לגבי כינין. [5][6][7]

במאמרו על "Refrangibility" (שינוי אורך הגל) של האור, תיאר ג'ורג' גבריאל סטוקס את היכולת של גביש פלואוריט וזכוכית אורניום לשנות אור אולטרה סגול בתחום הלא נראה לאור כחול.

הוא כינה תופעה זו פלואורסצנציה:[8]

אני כמעט נוטה לצקת מטבע לשון ולקרוא לתופעה זו פלואורסצנציה על שם הפלואוריט, באנלוגיה לתופעת האופאלסצנציה ששמה נגזר משם המינרל, אופאל

המקור באנגלית

I am almost inclined to coin a word, and call the appearance fluorescence, from fluor-spar [i.e., fluorite], as the analogous term opalescence is derived from the name of a mineral.

השם נגזר מהמינרל פלואוריט (סידן דו פלואורידי - CaF2), שלעיתים מכיל עקבות של אירופיום די ולנטי (2−Eu) אשר משמש זרז פלואורסצנטי לפליטת אור כחול.

בניסוי נוסף השתמש סטוקס במנסרה כדי לבודד קרינה אולטרה סגולה מאור השמש והבחין באור כחול שנפלט מתמיסת אתנול ובכך נחשף שהכילה את הפלואורופור כינין.[9]

עקרונות פיזיקליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

פוטוכימיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – פוטוכימיה

דיאגרמת יבלונסקי[עריכת קוד מקור | עריכה]

כדי שתתרחש פלואורסצנציה, על המולקולה להיות במצב מעוֹרָר, כלומר עם עודף אנרגיה ביחס למצב יסוד. כמו כן על כללי המעבר הקוונטים בין המצב המעורר למצב היסוד לאפשר את המעבר.

סדרת הצעדים שגורמת לזהירה פלואורסצנטית כוללת בדרך כלל קליטה ראשונית של אור, שגורמת לעירור המולקולה הפלואורסצנטית לרמת אנרגיה מעוררת. אנרגיית האור הנבלעת במולקולה גורמת, על פי עקרון פרנק קונדון לשינוי הארגון האלקטרוני של המולקולה ללא שינוי הארגון המרחבי של האטומים. בשלב הבא עוברים גם האטומים שינוי ארגון מרחבי. במהלך זה עוברת חלק מהאנרגיה פיזור על פני המולקולה בערור רמות רוטציה וויברציה משניות. הבליעה היא ממצב היסוד האלקטרוני (במולקולות אורגניות מצב זה הוא סינגלט S0) לרמות ויברציה ורוטציה מעוררות של המצב המעורר (במולקולות אורגניות S1) ואילו הפליטה היא ממצב היסוד הוויברטורי הנמוך של המולקולה המעוררת לרמות ויברציה גבוהות של המצב האלקטרוני היסודי. לכל מולקולה ניתן לבנות דיאגרמת יבלונסקי המתארת את רמות האנרגיה של המולקולה ואת המעברים הקרינתיים והלא-קרינתיים ביניהן כמודגם באיור.

דיאגרמת יבלונסקי של מולקולה אורגנית. ציר ה-Y מבטא אנרגיה ביחס למצב היסוד של המולקולה, קווים מלאים מתארים מעברים קרינתיים (מלווים בליעה או פליטה של פוטון) וקווים שבורים מתארים מעברים לא קרינתיים. משמאל: מעברים בבליעה מרמת היסוד לרמות סינגלט מעוררות (כיוון שמהמעבר האלקטרוני מהיר מסידור האטומים המולקולה תהיה במצב מעורר ויברציונית מיד לאחר הערור), במרכז: מעבר מהמצב המעורר S1 לרמת היסוד (שוב, לרמות ויברציה מעוררות) המלווה בפליטת פוטון - פלואורסצנציה, מימין: דעיכה מרמת טריפלט לרמת היסוד: פוספורסצנציה

המולקולה, לכן, פולטת באופן ספונטני אנרגיה ברמה נמוכה מזו שנדרשה לעירורה. הפרש האנרגיה בין הפוטון המעורר לפוטון נפלט נקרא היסט סטוקס (Stokes shift) והוא משותף לפלואורסצנציה ולפיזור ראמאן.

בשימוש יום יומי ניתן למצוא חומרים שזוהרים בכתום ובירוק לאחר שקלטו קרינה אולטרה סגולה או קרינה באזור הכחול של ספקטרום האור הנראה.

תהליכים קשורים[עריכת קוד מקור | עריכה]

פרט לפלואורסצנציה, ייתכנו מנגנוני שיכוך אחרים למצב המעורר. מנגנונים אלו מורידים את ניצולת הפלואורסצנציה (היחס בין מספר הפוטונים שנבלעו לאלו שנפלטו בפלואורסצנציה) ומקצרים את זמן החיים של המולקולה המעוררת:

  • המרה פנימית (Internal convertion): המולקולה במצב המעורר עוברת מינהור (tunneling) מרמה ויברציונית יסודית של S1 לרמה ויברציונית מעוררת של S0. ככל שלמולקולה יותר דרגות חופש ויברטוריות המעבר הזה סביר יותר ולכן במולקולות מישוריות קשיחות (מרווחים גדולים בין רמות ויברציה) שם המעבר הזה פחות סביר, יעילות הפלואורסצנציה גבוהה יותר. ככל שהממס בו נמצאת המולקולה צמיג יותר יורדת הסתברות ההמרה הפנימית ועולה יעילות הפלואורסצנציה.
  • חצייה בין-מערכתית (Intersystem crossing): מעבר אל-קרינתי מהסינגלט המעורר לרמה טריפלטית (מצב בו הספין של האלקטרון ברמה המעוררת מקביל לזה שברמת היסוד). המצב הטריפלטי נמוך באנרגיה מהמצב הסינגלטי המעורר. מעבר קרינתי מרמה טריפלטית לרמת היסוד יהיה, לכן באורך גל ארוך יותר מהפלואורסצנציה וכיוון שהמעבר "אסור" זמן החיים ברמה הטריפלטית ארוך יותר והקרינה הנפלטת נקראת פוספורסצנציה (זַרְחוֹרָנוּת, פוֹסְפוֹרֶסֶנְטִיּוּת). המעבר למצב טריפלטי יעיל יותר במערכות מצומדות בהן המטען האלקטרוני מחולק באופן הומוגני על פני הכרומופור. כלומר כאשר אלקטרוני ה-π יכולים לנוע ב"לולאה" בין קבוצות הקצה במערכת המצומדת (הכרומופור). לצבעי רודאמין, למשל, יש יעילות פלואורסצנציה גבוהה בשל המצאות אטום חמצן במרכז הכרומופור - כדי ליצור "לולאה" יש צורך בצורה רזונטיבית בה מטען חיובי נמצא על אטום החמצן הזה.

בנוסף לתהליך האינטרא-מולקולרי, עבור מולקולה הנמצאת באינטראקציה עם הסביבה עשויים להיות תהליכים מתחרים אשר דרכם עשוי הפרש האנרגיה בין המצב המעורר למצב היסוד להתפזר. מולקולה עשויה לשחרר אנרגיית חום ברעידות (העברת אנרגיית ויברציות ורוטציות לסביבה). כתוצאה מתהליכים אלה יורדת רמת האנרגיה של המולקולה, פלואורסצנציה ליניארית מתאפיינת בכך שהאור הנפלט הוא בעל תדירות נמוכה יותר ואורך גל ארוך יותר מהאור שנקלט על ידי המולקולה. פלואורסצנציה הנובעת מבליעה דו-פוטונית מתאפיינת בכך שהאור הנפלט הוא בעל אורך גל קצר יותר מהאור שנקלט על ידי המולקולה.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ cuña, A. Ulises; Amat-Guerri, Francisco; Morcillo, Purificación; Liras, Marta; Rodríguez, Benjamín (2009). "Structure and Formation of the Fluorescent Compound of Lignum nephriticum" (PDF). Organic Letters. 11 (14): 3020–3023. doi:10.1021/ol901022g. PMID 19586062. Archived (PDF) from the original on 28 July 2013.
  2. ^ Safford, William Edwin (1916). "Lignum nephriticum". Annual report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution (PDF). Washington: Government Printing Office. pp. 271–298.
  3. ^ Valeur, B.; Berberan-Santos, M. R. N. (2011). "A Brief History of Fluorescence and Phosphorescence before the Emergence of Quantum Theory". Journal of Chemical Education. 88 (6): 731–738. Bibcode:2011JChEd..88..731V. doi:10.1021/ed100182h.
  4. ^ Muyskens, M.; Ed Vitz (2006). "The Fluorescence of Lignum nephriticum: A Flash Back to the Past and a Simple Demonstration of Natural Substance Fluorescence". Journal of Chemical Education. 83 (5): 765. Bibcode:2006JChEd..83..765M. doi:10.1021/ed083p765.
  5. ^ Brewster, David (1834). "On the colours of natural bodies". Transactions of the Royal Society of Edinburgh. 12 (2): 538–545. doi:10.1017/s0080456800031203. Archived
  6. ^ Herschel, John (1845). "On the epipŏlic dispersion of light, being a supplement to a paper entitled, "On a case of superficial colour presented by a homogeneous liquid internally colourless"". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 135: 147–153. doi:10.1098/rstl.1845.0005. Archived
  7. ^ Herschel, John (1845). "On a case of superficial colour presented by a homogeneous liquid internally colourless". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 135: 143–145. doi:10.1098/rstl.1845.0004. Archived
  8. ^ Stokes, G. G. (1852). "On the Change of Refrangibility of Light". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 142: 463–562. doi:10.1098/rstl.1852.0022. Archived
  9. ^ Stokes (1852), pages 472–473. In a footnote on page 473, Stokes acknowledges that in 1843, Edmond Becquerel had observed that quinine acid sulfate strongly absorbs ultraviolet radiation (i.e., solar radiation beyond Fraunhofer's H band in the solar spectrum). See: Edmond Becquerel (1843) "Des effets produits sur les corps par les rayons solaires" Archived