luminescènza
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Definizione
sf. [sec. XX; dal latino lumen-mínis, lume]. Proprietà di alcune sostanze (solide, liquide, aeriformi) di riemettere, in forma di onde elettromagnetiche, energia assorbita in precedenza sotto forma di radiazione elettromagnetica. La radiazione emessa può essere costituita da raggi infrarossi, luminosi (e in questo caso si parla anche di fotoluminescenza), ultravioletti, X, gamma. Il fenomeno si produce mediante un meccanismo atomico o molecolare indipendente dall'agente eccitatore, ma è influenzato dalla temperatura, nel senso che al crescere di questa l'emissione diminuisce e il decadimento diventa più rapido. La durata del fenomeno (caratterizzato dal fatto che l'emissione si ha dopo che l'agente eccitatore è stato rimosso) va da intervalli di tempo inferiori a 10-8 s ad alcune ore (al limite, in certe sostanze, alcuni giorni); se la durata è inferiore a 10-8 s si parla di fluorescenza, se superiore di fosforescenza.
Chimica: la luminescenza nei gas atomici
Il meccanismo della luminescenza nei gas atomici può essere schematizzato considerando prima un atomo isolato. Dal livello energetico fondamentale, E₁, l'atomo viene portato a un livello superiore E₂ dall'agente eccitatore (per esempio, una radiazione elettromagnetica di frequenza f), assorbendo l'energia ΔE=E₂-E₁=hf, dove h è la costante di Planck. In condizioni chiamate di risonanza l'atomo ritorna al livello E₁ riemettendo la radiazione di frequenza f. In condizioni diverse, per esempio per collisione con un altro atomo, l'atomo può cadere a un livello E₃ intermedio fra E₁ e E₂, perdendo l'energia corrispondente. Se la probabilità di transizione dal livello E₃ al livello E₁ è elevata, la transizione avviene, in un insieme di atomi, molto rapidamente, con emissione di una radiazione di frequenza f´=(E₃-E₁)/h<f, quindi di lunghezza d'onda maggiore (legge di Stokes) della lunghezza d'onda di risonanza. Nel caso reale di un insieme di atomi, il fenomeno così rapido è la fluorescenza. Se invece la probabilità della transizione dal livello E₃ al livello E₁ è molto bassa, l'atomo rimane al livello E₃ per tempi relativamente lunghi; può accadere che per collisione con un altro atomo esso torni al livello E₂, indi da questo ricada al livello E₁, emettendo la radiazione corrispondente, di egual lunghezza d'onda di quella assorbita. Nel caso reale di un insieme di più atomi si ha allora fosforescenza. L'effetto della temperatura si spiega allora con il fatto che la transizione da E₃ a E₂ è facilitata dall'agitazione termica.
Chimica: la luminescenza nei gas molecolari, nei liquidi e nei solidi
Nei gas molecolari, nei liquidi e nei solidi, la luminescenza segue un meccanismo più complesso, nel senso che le transizioni non sono fra livelli che rappresentano valori discreti di energia, ma fra bande di energia; inoltre in molti casi la banda della radiazione emessa è a livello più basso, quindi spostata verso lunghezze d'onda più elevate, della banda della radiazione assorbita. Ciò avviene perché fra la prima transizione, che porta l'atomo a livello più elevato, e la seconda, con emissione di luminescenza, ciascun atomo cede energia agli atomi vicini sotto forma di vibrazioni meccaniche, che nei solidi sono vibrazioni reticolari. In altri casi avviene il contrario, ossia nell'interazione con gli atomi vicini l'atomo riceve energia vibratoria, quindi la radiazione è di frequenza più alta e di lunghezza d'onda più bassa della radiazione assorbita (righe anti-Stokes).
Chimica: materiali luminescenti
La maggior parte delle applicazioni dei fenomeni di luminescenza è basata sull'uso di materiali solidi con durata del fenomeno particolarmente lunga. Il nome di fosfori, a essi inizialmente attribuito, è stato successivamente esteso a tutti i materiali nei quali il fenomeno si presenta, ma è usato particolarmente per i materiali resi luminescenti artificialmente. Nel caso in cui la luminescenza sia prodotta dal passaggio di particelle ionizzate attraverso solidi, o liquidi, o aeriformi, si parla generalmente di scintillatori. In molte sostanze si induce artificialmente la luminescenza introducendo piccole percentuali di impurità, dette attivatori. Sono generalmente usati come attivatori il manganese, il rame, l'argento, il tallio, il piombo, il cerio, il cromo, il titanio, l'antimonio e lo stagno; essi vengono introdotti in sostanze quali i silicati, i seleniuri, gli alogenuri alcalini, gli ossidi di calcio, il magnesio, il bario e lo zinco, che divengono così fosfori artificiali.
Chimica: luminescenza sensibilizzata
Un tipo particolare di luminescenza, detta luminescenza sensibilizzata, o indiretta, si ha quando la radiazione incidente, di lunghezza d'onda λ₁, viene assorbita dalla miscela di due attivatori, per uno dei quali la risonanza corrisponde a λ₁. La radiazione emessa è, in questo caso, una miscela di λ₁ e λ₂, dove λ₂ è la lunghezza d'onda dellaradiazione emessa dal secondo attivatore, a cui gli atomi del primo hanno ceduto energia per urto. Gli atomi del secondo attivatore emettono le loro radiazioni ritornando al loro stato energetico fondamentale. Questo fenomeno si osserva, per esempio, con una miscela di vapori di mercurio e di tallio, su cui incida la radiazione di risonanza del mercurio. Un altro tipo di luminescenza, detta luminescenza con movimento di cariche elettriche, si ha in isolanti solidi nei quali siano presenti impurità di sostanze luminescenti. I fenomeni energetici in un tale materiale sono raffigurabili con un modello a bande, costituito, per energie crescenti, da una banda di valenza, una banda proibita (ma con possibilità di presenza di impurezze) e una banda di conduzione vuota. La luminescenza può essere allora schematizzata come dovuta al moto di elettroni I dalla banda di valenza alla banda di conduzione (1-4), per effetto dell'irraggiamento, e conseguente ricaduta (4-5) fino al punto M della banda proibita prima occupata da un elettrone (costituente un'impurezza), che nel frattempo è andato a neutralizzarsi in B nella buca elettronica creata dallo spostamento dell'elettrone I.
Chimica: fenomeni specifici
Specifici fenomeni di luminescenza sono la catodoluminescenza, la chemiluminescenza, l'elettroluminescenza, la sonoluminescenza, la termoluminescenza, la triboluminescenza, la bioluminescenza.