פוספורסצנציה

פוספורסצנציה או זרחורנות היא סוג של פוטולומינסנציה שדומה לפלואורסצנציה. פוספורסצנציה היא תופעה שבה חומר מקבל אור או קרינה ופולט אותה מחדש בצורה איטית, בניגוד לפלואורסצנציה. הסיבה לכך היא כללי הברירה במכניקת קוונטים הקובעים מהם מעברים "מותרים" בין מצבים שונים של מערכת. בחומרים מסוימים המעברים האלו מתרחשים באיטיות רבה ולכן האור או הקרינה נפלטים בעוצמה נמוכה יותר למשך כמה שעות.

שימוש בפוספורסצנציה

דוגמאות לשימושים יומיומיים של פוספורסצנציה הם צעצועים שזוהרים בחושך, סטיקרים, צבע ואור של שעוני יד, ואת כולם אפשר "להטעין" על ידי חשיפה לאור השמש.

היסטוריה

הגילוי של פוספורסצנציה התרחש בשנת 1604 על ידי וינצ'נצו קשארולו (Vincenzo Casciarolo), שראה אבן שפלטה אור לכאורה בכוחות עצמה ואחרי שחימם אותה בכבשן עשיר בחמצן היא פלטה את אור השמש שספגה והאירה בחושך. חקר הפוספורסצנציה הוביל לגילוי הרדיואקטיביות בשנת 1896.

הסבר התהליך

במובנים פשוטים, פוספורסצנציה היא תהליך שבו אנרגיה נספגת בחומר ונפלטת ממנו באיטיות בצורת אור. זאת לפעמים השיטה שבה מייצרים חפצים שזוהרים בחושך, ש"נטענים" באמצעות חשיפה לאור. שלא כמו התגובות המהירות בפלואורנסציה, כמו אלה שאנחנו רואים בנורות פלואורסצנט, חפצי פוספורסצנציה מאחסנים אנרגיה למשך זמן ארוך יותר, בשל כך שהתהליכים הנחוצים לפליטת אור קורים לעיתים רחוקות יותר.

מכניקה קוונטית

ההבדל בין פלואורסצנציה לפוספורסצנציה

ברוב המקרים של פוטולומינסנציה, שבהם מצע כימי מקבל פוטון של אור ואחר כך פולט אותו, התהליך מתבצע מהר, בזמן בסדר גודל של כ-10 ננו-שניות. קליטת האור ופליטתו מתרחשות מהר מאוד במקרים שבהם האנרגיה של הפוטונים מתאימה לרמות האנרגיה הקיימות בחומר ולמעברי הרמות המותרים. במקרה המיוחד של פוספורסצנציה, האלקטרון שבלע את הפוטון עובר מעבר בין מערכות (Intersystem crossing) ממצב של סינגלט, לתוך מצב אנרגיה עם ניוון ספין אחר (לרוב יותר גבוה), בדרך כלל למצב טריפלט (ניוון משולש). כתוצאה מכך, האלקטרון המעורר נלכד במצב טריפלט, והוא רק יכול לבצע מעברים "אסורים" כדי לחזור למצב סינגלט. המעברים הללו, למרות שהם "אסורים", יכולים לקרות במכניקה קוונטית אבל הם לא עדיפים מבחינה קינטית ולכן התהליך יקרה בזמן הרבה יותר ארוך. רוב התרכבות הפוספורסצנציות הן פולטים מהירים יחסית, עם מצב טריפלט עם זמן חיים בסדר גודל של מילי־שניות. למרות זאת, לחלק מהתרכובות יש מצב טריפלט עם זמן חיים בסדר גודל של דקות ואפילו שעות, מה שמאפשר לחומרים לאחסן ביעילות אנרגיית אור באמצעות דעיכה איטית מאוד של המצב המעורר של האלקטרון. אם הנצילות הקוונטית של הפוספורסצנציה גבוהה, חומרים אלו ישחררו כמויות גדולות של אור למשך זמן ארוך, ויכונו לעיתים "זוהרים בחושך".

המשוואה

$S_{0}+h\nu \to S_{1}\to T_{1}\to S_{0}+h\nu ^{\prime }\$

כאשר S הוא סינגלט ו-T הוא טריפלט שהמספרים הקטנים לידו מציינים מצבים (0 הוא מצב היסוד ,1 הוא מצב מעורר). מעברים יכולים לקרות גם במצבי אנרגיה גבוהים יותר, אבל המצב המעורר הראשון מצוין לשם פשטות.

כמולומינסנציה

יש הרבה דברים שזוהרים בחושך והם לא מאירים בגלל פוספורסצנציה. לדוגמה, מקל זוהר (סטיקלייט), מאיר בשל תהליך כמולומינסנציה הנקרא פלואורסצנציה שפעמים רבות מחשיבים אותו בטעות לפוספורסצנציה. בכמולומינסנציה, מצב מעורר נוצר באמצעות תגובה כימית. פליטת האור מוצאת, את התהליך הקינטי בבסיס התגובה הכימית. המצב המעורר ישתנה לתרכובת פלואורסצנטית וכתוצאה מכך יחזור למצב היסוד.

חומרים המשמשים לפוספורסצנציה

בין הפיגמנטים (חומרי צבע) שמרבים להשתמש בהם בחומרי פוספורסצנציה נכללים אבץ גופרתי ואלומיניום סטרונציום. השימוש באבץ גופרתי בשביל אמצעי בטיחות החל כבר ב-1930. לעומת זאת, הפיתוח של אלומיניום סטרונציום שהבוהק שלו חזק בערך פי עשרה, ירד מרוב המוצרים מבוססי אבץ גופרתי ונכנס לקטגורית החדשנות. פיגמנטים מבוססי אלומיניום סטרונציום נמצאים בשימוש בשלטי יציאה, סימון שבילים וסוגי שילוט בטיחותי.

פיגמנט זרחן כחול בחושך.

ראו גם

• זרחן
• טריטיום
• פלואורסצנציה
• טריפלט
• סינגלט
• זהירה תרמית

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא פוספורסצנציה בוויקישיתוף

• פוספורסצנציה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• זרחנות, דף שער בספרייה הלאומית