Gratuit lumière

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

• Fisika

Si vous lisez cet article dans le magazine et que vous êtes dans un bâtiment, vous pouvez lire avec l'aide de la fluorescence. Si vous êtes sur Internet et que vous voyez ces mots sur un écran normal d'un ordinateur de bureau, entre autres choses, un phénomène appelé phosphorescence le rend possible.

La fluorescence et la phosphorescence ne sont pas les mêmes, mais la différence n'est pas grande. Dans les deux cas, la matière absorbe et émet de la lumière. Dans le cas de la fluorescence cela se produit en très peu de temps, dans quelques microsecondes. Dans le cas de la phosphorescence, le temps qui peut couvrir ce processus est très large: millisecondes, minutes et même heures. Ainsi, dans le cas de la phosphorescence, même s'il n'existe pas d'autres sources de lumière, la matière peut continuer à émettre de la lumière.

Lumière propre

Pline Zaharra a parlé de pierres précieuses avec sa propre lumière. Mais XVII. Au début du XXe siècle, une autre pierre singulière a suscité le véritable intérêt scientifique. Vincenzo Casciarolo, cordonnier et alchimiste, trouva dans les environs de Bologne une pierre de sulfate de baryum qui serait ensuite connue comme la pierre bolognaise. Et il y découvrit que s'il se tenait à la lumière du soleil, il émettait ensuite une lumière étrange dans l'obscurité. Cela a réveillé l'imagination des alchimistes de l'époque. Et c'est que, à cette époque, les alchimistes cherchaient la pierre des philosophes qui servirait à faire de l'or, et bien sûr, une pierre magique de ces caractéristiques était très encourageante.

Bien qu'il n'ait pas réussi comme pierre des philosophes, la curiosité pour la pierre bolonique n'a pas disparu. Galileo lui-même a également participé aux débats scientifiques sur cette pierre. Par exemple, quand Fortunius Licetus a écrit que la lumière de la lune était la même que celle de la pierre bolonique, Galileo s'est opposé en affirmant que la lumière de la lune était la lumière réfléchie du soleil.

De nombreuses recherches ont été menées sur cette pierre, tandis que de nombreux chercheurs ont découvert d'autres substances de propriétés similaires. Toutes devenaient lumineuses, après la lumière ou chauffées, etc. Ils ont donc été appelés phosphés, c'est à dire lumineux ou porta-lumière. Et aujourd'hui nous connaissons comme phosphorescence ce phénomène magique observé par le cordonnier Casciarolo dans la pierre bolonique.

Bien qu'il s'agisse d'un phénomène très similaire à la phosphorescence, la fluorescence a été trouvée beaucoup plus tard: XIX. Au XXe siècle. Bien que pour la première fois vu dans une solution de chlorophylle, Sir George Gabriel Stokes (à qui on doit une bonne partie de ce que nous savons aujourd'hui sur ce sujet) a pris le nom du phénomène de la fluorite.

Au niveau atomique

Pour comprendre ces deux phénomènes, il faut descendre au niveau des atomes. Fondamentalement, quand un photon --ou rayonnement électromagnétique - touche un atome, ceci prend l'énergie du photon et est excité. Et quand l'atome retourne à son état initial détendu, il émet un autre photon, généralement moins d'énergie.

Les atomes, en général, se trouvent à une température ambiante à un niveau énergétique de base. Autrement dit, les électrons des atomes sont généralement au plus bas niveau d'énergie possible. Cependant, quand un photon d'une certaine longueur d'onde touche l'atome, il peut arriver que les électrons montent avec le niveau d'énergie.

Supposez qu'un électron excité est passé du niveau de base d'énergie S ₀ au niveau S _1. Mais dans ces niveaux énergétiques majeurs il y a d'autres niveaux. Ainsi, par exemple, l'électron peut atteindre le troisième niveau de S _1. Immédiatement, cet électron aura tendance à descendre au niveau minimum de S ₁ et il perdra une certaine énergie dans cette voie sous forme de chaleur. Ensuite, l'électron descendra au niveau de base _(S 0) et si sur ce chemin l'énergie perdue sort comme photon, nous serons devant un cas de fluorescence.

Le résultat de ce processus est que l'atome qui reçoit le rayonnement d'une certaine longueur d'onde absorbe ce premier rayonnement et émet un rayonnement de plus grande longueur d'onde, et donc moins d'énergie. C'est la base de la fluorescence.

Les niveaux énergétiques des atomes sont discrets et nécessitent une certaine quantité d'énergie pour passer de l'un à l'autre. Par conséquent, ils absorbent uniquement les photons avec cette quantité d'énergie. Par conséquent, les matériaux fluorescents et phosphorescents émettent de la lumière seulement avec un rayonnement d'une certaine longueur d'onde, et à son tour, la lumière émise sera d'une certaine longueur d'onde. Ou, plus précisément, d'une plage spécifique de longueurs d'onde. En fait, dans le niveau énergétique de base, les électrons ne tombent pas toujours au même niveau. Et donc pas tous les rayonnements émis sera de la même longueur d'onde. La longueur d'onde de l'absorption et de l'émission dépend des composants et de l'état du matériau.

Comme le rayonnement émis est inférieur à celui absorbé, pour que l'émission ait un spectre visible, normalement les atomes doivent aspirer aux rayons ultraviolets. Ainsi, la fluorescence apparaît généralement dans la plupart des cas sous un rayonnement ultraviolet. Cependant, l'absorption et l'émission peuvent également appartenir au même spectre, et parfois il est également difficile de les séparer.

Voie interdite

Dans le cas de la phosphorescence, le processus est très similaire. Mais les électrons excités sont « piégés » dans une autre situation particulière. En fait, dans ce cas, il est dit que le passage de cet état particulier à un niveau d'énergie de base est quantiquement interdit. Cela ne signifie pas qu'il ne passe pas, mais la probabilité est beaucoup plus faible. Ainsi, le processus s'allonge et, après avoir éliminé la source de rayonnement, le matériau phosphorescent continue à émettre de la lumière.

Cependant, la plupart des phosphorescents sont des émetteurs relativement rapides qui émettent de la lumière en quelques millisecondes. Dans le cas d'autres, cependant, le processus peut être prolongé beaucoup: minutes et même heures, donc ils sont généralement des matériaux qui donnent de la lumière dans l'obscurité. C'est le cas de la pierre bolognaise. Et c'est aussi ce qui se passe dans les aiguilles et les numéros de nombreuses montres, ou de coller sur le plafond dans ces étoiles et planètes, etc.

Mais la phosphorescence a une autre application très utilisée. Ce que nous voyons sur les téléviseurs conventionnels ou sur les écrans des ordinateurs de bureau est précisément la phosphorescence, si ces écrans fonctionnent au moyen d'un tube à rayons cathodiques. Sur ces écrans, trois composants phosphorescents sont utilisés pour créer des images colorées: le sulfure de zinc est combiné avec le cuivre et l'aluminium, obtenant un composant vert; pour le bleu, le sulfure de zinc est mélangé avec un peu d'argent; et enfin, la couleur rouge est obtenue en activant le sulfure d'oxyde d'itrie avec l'européen.

Ces composants phosphorescents sont excités par des électrons et remplissent la même fonction que le photon, excitant les électrons des composants phosphorescents et les élevant par des niveaux énergétiques. Ensuite, en se relaxant, ils donnent une couleur verte, bleue ou rouge. Ainsi sont créées les images que nous voyons sur les écrans.

A la maison, discothèque et laboratoire

La fluorescence est actuellement entièrement apprivoisée. En fait, il est très habituel d'utiliser des tubes fluorescents pour l'éclairage de tout type de bâtiment. Ces tubes contiennent du mercure à l'intérieur et les parois du tube un revêtement fluorescent à l'intérieur. Lorsqu'une décharge électrique se produit entre les électrodes du tube, les électrons excitent les atomes de mercure et ceux-ci émettent un rayonnement ultraviolet.

Ce rayonnement n'est pas visible, et si seulement cela se produisait, nous ne verrions pas la lumière. Mais ce rayonnement ultraviolet émis par les atomes de mercure excités excite à son tour les atomes du revêtement fluorescent du tube, qui émettent la lumière visible qui sort du tube fluorescent.

Et la chaîne d'atomes qui sont excités peut être plus longue. En fait, d'autres lampes fluorescentes sont utilisées simultanément pour produire de la fluorescence. Ils sont similaires aux tubes fluorescents conventionnels, mais avec une couverture différente, et émettent un peu de lumière visible et surtout un rayonnement ultraviolet proche, appelé «lumière noire».

Ce rayonnement ultraviolet à proximité est généralement d'une longueur d'onde supérieure à 350 nm, très proche du spectre visible, il n'a donc pas d'effets indésirables sur les rayons ultraviolets de moindre longueur d'onde. Ces lampes sont utilisées pour mettre en évidence les matériaux fluorescents dans l'obscurité. Par exemple, ils sont habituels dans les discothèques pour induire la fluorescence du polyester qui est habituellement présent dans les tissus blancs.

En plus de la maison et de la discothèque, la fluorescence est également importante dans les laboratoires. La fluorescence a beaucoup d'applications dans la science. Il est largement utilisé dans la biochimie et la médecine pour détecter les molécules, les cellules ou les tissus. Certaines molécules peuvent présenter leur propre fluorescence, mais dans de nombreux cas, des marques fluorescentes --fluorofores- sont utilisées pour marquer ce qui est destiné à être détecté.

Par exemple, en ajoutant un fluorophore aux anticorps, vous pouvez localiser dans un échantillon l'antigène de cet anticorps. Des microscopes de fluorescence sont utilisés pour cela. Ces microscopes éclairent l'échantillon avec des rayons ultraviolets qui permettent l'observation visuelle de la fluorescence ou par un moniteur.

La fluorescence est également très fréquente dans la détection d'ADN. Dans ce cas, on utilise généralement le bromure d'étyde, car en réalité la fluorescence est très petite, car lorsqu'elle est connectée à l'ADN elle présente une grande fluorescence. La fluorescence occupe également une place importante dans le domaine de la génomique d'une telle importance aujourd'hui. C'est parce que les séquenceurs automatiques d'ADN lisent des séquences génomiques grâce à des marques fluorescentes de différentes couleurs placées avant chaque nucléotide.

La fluorescence a chaque année plus d'applications au niveau scientifique. Mais nous avons vu que dans la vie quotidienne la fluorescence et la phosphorescence sont plus communes que nous ne pourrions penser à un début. Si vous utilisez un ou deux pour lire, je ne sais pas, mais pour écrire cet article, les deux ont été indispensables.