Llum gratis

2008/05/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Si estàs llegint aquest article en la revista i estàs dins d'un edifici, és possible que estiguis llegint amb l'ajuda de la fluorescència. Si estàs en Internet i veus aquestes paraules en una pantalla normal d'un ordinador de sobretaula, entre altres coses, el fa possible un fenomen anomenat fosforescència.

La fluorescència i la fosforescència no són el mateix, però la diferència no és gran. En tots dos casos, la matèria absorbeix i emet llum. En el cas de la fluorescència això ocorre en molt poc temps, en alguns microsegons. En el cas de la fosforescència, el temps que pot abastar aquest procés és molt ampli: mil·lisegons, minuts i fins i tot hores. Per això, en el cas de la fosforescència, encara que no existeixin altres fonts de llum, la matèria pot continuar emetent llum.

Llum pròpia

Plinio Zaharra va parlar sobre unes pedres precioses amb llum pròpia. Però XVII. A principis del segle XX, una altra pedra singular va despertar el veritable interès científic. Vincenzo Casciarolo, sabater i alquimista, va trobar en les proximitats de Bolonya una pedra de sulfat de bari que després es coneixeria com la pedra bolonyesa. I allí va descobrir que si es mantenia a la llum del sol emetia després una llum estranya en la foscor. Això va despertar la imaginació dels alquimistes de l'època. I és que, en aquella època, els alquimistes buscaven la pedra dels filòsofs que serviria per a fer or, i per descomptat, una pedra màgica d'aquestes característiques era molt esperançadora.

Encara que no va tenir èxit com a pedra dels filòsofs, la curiositat per la pedra bolónica no va desaparèixer. El mateix Galileu també va participar en els debats científics sobre aquesta pedra. Per exemple, quan Fortunius Licetus va escriure que la llum de la lluna era la mateixa que la de la pedra bolónica, Galileu es va oposar al·legant que la llum de la lluna era la llum reflectida del sol.

Sobre aquesta pedra es van realitzar multitud de recerques, alhora que molts investigadors van anar descobrint altres substàncies de similars propietats. Totes es tornaven lluminoses, després de la llum o escalfades, etc. Per això se'ls va denominar phosphés, és a dir, lluminosos o porta-llum. I avui dia coneixem com a fosforescència aquell fenomen màgic observat pel sabater Casciarolo en la pedra bolónica.

Malgrat tractar-se d'un fenomen molt similar a la fosforescència, la fluorescència va ser trobada molt més tard: XIX. En el segle XX. Encara que per primera vegada ho van veure en una solució de clorofil·la, Sir George Gabriel Stokes (a qui es deu bona part del que avui sabem sobre aquest tema) va prendre el nom del fenomen de la fluorita.

A nivell atòmic

Per a comprendre aquests dos fenòmens és necessari descendir al nivell dels àtoms. Bàsicament, quan un fotó --o radiació electromagnètica - toca un àtom, aquest pren l'energia del fotó i s'excita. I quan l'àtom torna al seu estat inicial relaxat, emet un altre fotó, normalment de menor energia.

Els àtoms, en general, es troben a una temperatura ambient a un nivell energètic bàsic. És a dir, els electrons dels àtoms solen estar al menor nivell d'energia possible. No obstant això, quan un fotó d'una determinada longitud d'ona toca l'àtom, pot ocórrer que els electrons pugin amb el nivell d'energia.

Suposi's que un electró excitat ha passat del nivell bàsic d'energia S ₀ al nivell S _1. Però dins d'aquests principals nivells energètics hi ha altres nivells. Així, per exemple, és possible que l'electró pugi fins al tercer nivell de _{S 1.} Immediatament, aquest electró tendirà a descendir al nivell mínim de _{S 1} i perdrà una mica d'energia en aquest camí en forma de calor. A continuació, l'electró baixarà al nivell bàsic _(S 0) i si en aquest camí l'energia que perd surt com a fotó, estarem davant un cas de fluorescència.

El resultat d'aquest procés és que l'àtom que rep la radiació d'una determinada longitud d'ona absorbeix aquesta primera radiació i emet una radiació de major longitud d'ona, i per tant de menor energia. Aquesta és la base de la fluorescència.

Els nivells energètics dels àtoms són discrets i requereixen una quantitat determinada d'energia per a passar de l'un a l'altre. Per això, només absorbeixen fotons amb aquesta quantitat d'energia. Per tant, els materials fluorescents i fosforescents emeten llum només amb una radiació d'una determinada longitud d'ona, i al seu torn, la llum que emeten serà d'una determinada longitud d'ona. O, més concretament, d'un rang concret de longituds d'ona. De fet, dins del nivell energètic bàsic no sempre cauen els electrons al mateix nivell. I, per tant, no tota la radiació emesa serà de la mateixa longitud d'ona. La longitud d'ona en la qual es produeix l'absorció i l'emissió depèn dels components i de l'estat del material.

Com la radiació emesa és menor que l'absorbida, perquè l'emesa tingui un espectre visible, normalment els àtoms han d'aspirar als raigs ultraviolats. Per això, la fluorescència sol aparèixer en la majoria dels casos sota radiació ultraviolada. No obstant això, l'absorbit i l'emès també poden pertànyer al mateix espectre, i a vegades també costa separar-los.

Via prohibida

En el cas de la fosforescència el procés és molt similar. Però els electrons excitats queden 'atrapats' en una altra situació especial. De fet, en aquest cas, es diu que el pas d'aquest peculiar estat a un nivell d'energia bàsic està cuanticamente prohibit. Això no significa que no es passi, però la probabilitat és molt de menor. Per això, el procés s'allarga i, després d'eliminar la font de radiació, el material fosforescent continua emetent llum.

No obstant això, la majoria dels fosforescents són emissors relativament ràpids que emeten llum en uns mil·lisegons. En el cas d'uns altres, no obstant això, el procés pot allargar-se molt: minuts i fins i tot hores, per la qual cosa solen ser materials que donen llum en el fosc. Aquest és el cas de la pedra bolonyesa. I això és també el que ocorre en les agulles i números de molts rellotges, o per a pegar-se en el sostre en aquestes estrelles i planetes, etc.

Però la fosforescència té una altra aplicació molt utilitzada. El que veiem en les televisions convencionals o en les pantalles dels ordinadors de sobretaula és precisament la fosforescència, si aquestes pantalles funcionen per mitjà d'un tub de raigs catòdics. En aquestes pantalles s'utilitzen tres components fosforescents per a crear imatges acolorides: el sulfur de zinc es combina amb el coure i l'alumini, obtenint un component de color verd; per al blau, el sulfur de zinc es barreja amb una mica de plata; i finalment, el color vermell s'obté activant el sulfur d'òxid d'itri amb l'europeu.

Aquests components fosforescents s'exciten mitjançant electrons i compleixen la mateixa funció que el fotó, excitant els electrons dels components fosforescents i elevant-los per nivells energètics. Després, en relaxar-se, donen un color verd, blau o vermell. Així es creen les imatges que veiem en les pantalles.

A casa, discoteca i laboratori

La fluorescència és, en l'actualitat, totalment domesticada. De fet, és molt habitual l'ús de tubs fluorescents per a la il·luminació de qualsevol mena d'edifici. Aquests tubs contenen mercuri en el seu interior i les parets del tub un recobriment fluorescent pel seu interior. Quan es produeix una descàrrega elèctrica entre els elèctrodes del tub, els electrons exciten als àtoms de mercuri i aquests emeten radiació ultraviolada.

Aquesta radiació no és visible, i si només això ocorregués, no veuríem la llum. Però aquesta radiació ultraviolada emesa pels àtoms de mercuri excitats excita al seu torn als àtoms del revestiment fluorescent del tub, que emeten la llum visible que sali del tub fluorescent.

I la cadena d'àtoms que s'exciten pot ser més llarga. De fet, altres llums fluorescents s'utilitzen simultàniament per a produir fluorescència. Són similars als tubs fluorescents convencionals, però amb diferent cobertura, i emeten una mica de llum visible i, sobretot, una radiació ultraviolada pròxima, anomenada “llum negra”.

Aquesta radiació ultraviolada pròxima sol ser d'una longitud d'ona superior a 350 nm, molt pròxima a l'espectre visible, per la qual cosa no té efectes adversos sobre els raigs ultraviolats de menor longitud d'ona. Aquests llums s'utilitzen per a ressaltar materials fluorescents en la foscor. Per exemple, són habituals en les discoteques per a induir la fluorescència del polièster que sol estar present en els teixits blancs.

A més d'a casa i discoteca, en els laboratoris també és important la fluorescència. La fluorescència té moltes aplicacions en la ciència. És molt utilitzat en bioquímica i medicina per a detectar molècules, cèl·lules o teixits. Algunes molècules poden presentar fluorescència pròpia, però en molts casos s'utilitzen marques fluorescents --fluoroforos- per a marcar el que es pretén detectar.

Per exemple, mitjançant l'addició d'un fluoroforo als anticossos, es pot localitzar en una mostra l'antigen d'aquest anticòs. Per a això s'utilitzen microscopis de fluorescència. Aquests microscopis il·luminen la mostra amb raigs ultraviolats que permeten l'observació visual de la fluorescència o mitjançant un monitor.

La fluorescència és també molt freqüent en la detecció d'ADN. En aquest cas se sol utilitzar el bromur d'etidio, ja que en realitat la fluorescència és molt petita, ja que quan s'uneix a l'ADN presenta una gran fluorescència. La fluorescència també ocupa un lloc important en el camp de la genòmica de tanta importància en l'actualitat. Això es deu al fet que els seqüenciadors automàtics d'ADN llegeixen seqüencies genòmiques gràcies a marques fluorescents de diferents colors col·locades prèviament a cada nucleòtid.

La fluorescència té cada any més aplicacions a nivell científic. Però hem vist que en la vida quotidiana la fluorescència i la fosforescència són més comunes del que podríem pensar en un principi. Si estàs usant un o els dos per a llegir, no sé, però per a escriure aquest article els dos van ser imprescindibles.