Horóscopo luminiscencia

¿Qué es luminiscencia?

 

A todo lo largo de nuestra sección de experimentos que producen luz hemos usado los términos “incandescencia “, “termoluminiscencia”, y “chemiluminiscencia“.  En este articulo explicaremos la diferencia entre los diferentes tipos de luminiscencia.  El siguiente texto esta extraído del maravilloso libro sobre luminiscencia de AK Campbell [1] :

 

Todo el mundo sabe que cuando los sólidos y líquidos están muy calientes emiten luz. A esto se le llama incandescencia.  Boyle, en 1688, describió minuciosamente cinco similitudes entre quemar carbón y  la “madera brillante”, Ahora sabemos que esta ultima es un efecto de la intervención de hongos luminosos.  Ambos producían luz, pero sólo en presencia de aire, y ambos podían apagarse por la remoción del aire.  Sin embargo, mientras que el carbón estaba de forma irreversible apagado al eliminar el aire unos pocos minutos, la “madera brillante”, por otra parte, podía regenerar su luz, aunque se tardase media hora a añadir aire.  Además, el carbón estaba muy caliente mientras que la “madera brillante” no estaba ni siquiera templada.

 

Hacia 1794, J. Hutton había propuesto el término “ incandescencia “ (latín, incandare – volverse blanco) para describir la emisión de luz por un cuerpo calentado a alta temperatura.  Los límites de reconocimiento de color por el ojo humano son aproximadamente de 400 Nm (violeta) a 750 (rojo), sin embargo bajo intensidades luminosas extremas este rango de respuesta algunas veces puede ampliarse a 350-900 Nm.   En incandescencia una radiación roja débil puede ser detectada a 525 ºC (798 ºK).  Aumentando la temperatura la luz se convierte en rojo fuerte, luego cambia a amarillo, y se blanquea progresivamente al aumentar la contribución de la luz azul al espectro emitido (Tabla A1). Se puede encontrar mas información teórica en libros de texto de física, en el apartado de “Radiación del cuerpo negro”  y “Ley de Stephan-Wien”.

 

TABLA A1 Colores típicos de incandescencia.

 

Temperatura (oC)

color observado

525

Rojo pálido

700

rojo fuerte

900

rojo cereza

1100

amarillo fuerte

1200

amarillo brillante

1300

blanco

1400

blanco azulado

 

El descubrimiento de la “ Piedra Boloñesa “ en 1603, por el zapatero remendón y alquimista amateur italiano Vincenzo Cascariolo, condujo a la identificación de otro grupo de fenómenos, clasificados por Wiedemann, pero no hasta 300 años más tarde, como luminiscencia (latín, lumen - luz).  La piedra boloñesa, hecho de un espato pesado (sulfato de Bario) puede “embeber” la luz del sol y después emitirla en la oscuridad.  Actualmente se conoce un gran número de compuestos inorgánicos y orgánicos que presentan luminiscencia después de ser irradiados por luz ultravioleta o visible.  Wiedemann, en su escrito original de 1888, proponía que una “ sustancia luminiscente” es aquella que se vuelve luminosa por la acción de un agente externo que no involucra una subida equivalente de la temperatura.  Wiedemann inicialmente distinguió seis tipos de luminiscencia y los diferenció con un prefijo:

 

*      Fotoluminiscencia, causado por la absorción de luz;

*      Electroluminiscencia, producido en gases por una descarga eléctrica;

*      Termoluminiscencia, producido por calefacción leve;

*      Triboluminiscencia, como resultado de la fricción;

*      Cristaloluminiscencia, como resultado de la cristalización;

*      Chemiluminiscencia, Producto de una reacción química. 

 

desde entonces se han añadido más a la lista (Tabla A2).

 

TABLA A2.  Clasificación de luminiscencia, basado en E.N. Harvey.

Tipo

base de emisión luminosa

ejemplo

uno.

Asociado con calefacción (bien definido de incandescencia)

1.

Candoluminiscencia

Luminiscencia de sólidos incandescentes irradiando luz en longitudes de onda más cortas de lo esperado

ZnO caliente

2.

Piroluminiscencia

Luminiscencia de átomos de metal en llamas

Llama amarilla Na

3.

Termoluminiscencia

Luminiscencia de sólidos y cristales por calefacción suave (i.e., Muy por debajo de lo necesario para producir incandescencia)

Diamante calentado

B.

Asociada con radiación anterior

(Fluorescencia – vida corta; fosforescencia – vida larga)

1.

Fotoluminiscencia

Irradiación por UV o luz visible

Piedra de Bolonia (BaSO4)

2.

Luminiscencia catódica

Irradiación por partículas beta (electrones)

pantalla de televisión

3.

Anodoluminiscencia

irradiación por partículas alfa (núcleos)

fósforo de sulfuro de Zinc

4.

Radioluminiscencia

Irradiación por rayos g o x

Pintura lumínica

C.

Asociado con fenómenos eléctricos

1.

Electroluminiscencia y piezoluminiscencia

Luminiscencia asociada con campos y descargas eléctricas

La luz fluorescente

2.

Galvanoluminiscencia

Luminiscencia durante la electrólisis

Electrólisis de NaBr

3.

Sonoluminiscencia

Luminiscencia por ondas de sonido intenso en solución

Prueba ultrasónica en glicerol puro

D.

Asociado con nuevas disposiciones estructurales en sólidos

1.

Triboluminiscencia

Luminiscencia por fricción, agitación o aplastamiento

Fuerte agitación del nitrato de uranil,

UO2 (NO3)2.6H2O

2.

Cristaloluminiscencia

Luminiscencia en la cristalización

Adición de HCl o etanol en soluciones alcalinas saturadas (NaCl, KCl) de haluro de metal alcalino

3.

Lyoluminiscencia

Luminiscencia por disolución de cristales

LiCl o KCl por irradiación de rayos catódicos

E.

Asociado con reacciones químicas

1.

Chemiluminiscencia (oxiluminiscencia)

reacción química

Luminol + H2O2 y peroxidasa

2.

Bioluminiscencia (organoluminiscencia)

Organismos luminosos

O2 + luciferin luciferasa de la luciérnaga del mar (Vagula)

 

La diferencia crucial entre incandescencia y luminiscencia no es el calor, sino más bien si el proceso físico necesario para la emisión luminosa involucra transiciones en los niveles de energía electrónicos dentro de átomos o moléculas, en caso de la luminiscencia, o transiciones en los niveles de energía entre átomos o moléculas, en el caso de la incandescencia.  Los niveles de energía pueden ser representados en forma de diagramas de energía, o más simplemente por el diagrama Jablonski, Usado por primera vez en la década de 1930 (Figura A1).

Fig. A1.  Estados energéticos excitados – Diagrama de Jablonski.

 

Así, la luminiscencia consiste básicamente en la emisión de radiación visible o cercana (200-1500 Nm) provocada por electrones en orbitales excitados que se desexcitan a su estado normal. La luz emitida proviene de la diferencia de energía potencial de transiciones electrónicas dentro de átomos o moléculas. 

En la mayoría de los tipos de luminiscencia (Tabla A2), el prefijo identifica la fuente de energía responsable de la generación de la luz.  En la incandescencia, por otra parte, la luz es consecuencia de la perdida de energía cinética entre átomos o moléculas.  Esta energía está usualmente abastecida inicialmente como calor.  El calor, por ejemplo, puede generar estados electrónicamente excitados en la fase del gas, proporcionándole la excitación a la piroluminiscencia.  En contraste, en la termoluminiscencia, la calefacción suave, usualmente de 100-500 oC, provee la energía de activación necesaria para liberar la energía electrónica inicialmente absorbida de radiación ultravioleta y visible por partículas subatómicas.  Esto ocurre, por ejemplo, en cristales o líquidos que contienen impurezas.  La absorción de un fotón por el componente principal puede excitar un electrón a un nivel de energía superior, dejando atrás un “hueco“ que al haber perdido un electrón cargado negativamente, tiene carga positiva.  Un “hueco“ positivo atrae un electrón excitado, esta asociación se conoce como excitón.  Pero el exciton puede saltar entre moléculas en el cristal.  En un cristal puro, la energía del excitón en reasociación del “hueco“ y el electrón es disipada como calor.  Sin embargo, si hay deslocalizaciones, linderos estructurales, o impurezas químicas dentro del cristal, el excitón puede quedar atrapado allí por mucho tiempo, lo suficiente como para permitir la termoluminiscencia.   Entonces, cuando el cristal es calentado, la energía del excitón puede ser emitida como luz, y el espectro de emisión es característico de la impureza en vez del componente principal.

 

En la chemiluminiscencia, el estado electrónicamente excitado es generado por una reacción química.  Como consecuencia, la molécula excitada, producto de la reacción, tiene una estructura atómica diferente del substrato inicial (s).  Aquí, también, la calefacción   suave puede iniciar el fenómeno.

 

 

Mientras que la diferencia entre la incandescencia y la luminiscencia fueron una fuente de confusión para varios siglos, más recientemente ha habido aun más confusión sobre la diferencia entre fluorescencia y fosforescencia, ambas relacionadas con la chemiluminiscencia.  El uso científico moderno del término fosforescencia es atribuido a Johan Elsholtz que, en 1677, lo aplico a sustancias u objetos que, como la piedra boloñesa, absorba e irradie luz, después de un tiempo, en la oscuridad.  Sin embargo, la fosforescencia pronto se convirtió en un término popular para cualquier clase de luz fría, incluyendo la emitida por organismos luminosos.  E. Bequerel llevó a cabo muchos experimentos de luminiscencia a mediados del siglo XIX, incluyendo la invención de un fosforoscopio para medir la duración mínima de la fosforescencia.  Esto condujo al posterior descubrimiento de la radioactividad por su hijo Henri, y a la distinción entre fluorescencia y fosforescencia.  El término fluorescencia (latín fluo fluir) fue introducida por primera vez por Sir George Stokes en 1853 para describir un fenómeno observado en 1845 por Sir John HerschelHerschel encontró que ciertas sustancias, e.g., El sulfato de quinina o los minerales de fluoruro de calcio (conocido como fluoroespato), al estar expuesto a a la radiación ultravioleta, emitió luz azul visible.  Sin embargo, el fenómeno fue de duración cortísima. Al contrario que los minerales fosforescentes, ninguna luz fue observable inmediatamente después de desconectar la lámpara UV.  La fosforescencia, en cambio, es más intensa cuando transcurren unos minutos, aunque, posteriormente en 1858, Bequerel, usando su fosforoscopio, redujo el tiempo entre irradiación y emisión luminosa en algunas sustancias fosforescentes a 0.1ms. Aún y así, en la fluorescencia, este espacio de tiempo es de cuatro órdenes de magnitud más grande que la duración de la vida de una fluorita excitada. 

Desafortunadamente, el Diccionario Inglés Oxford todavía define fosforescence “ como “ la propiedad de brillar en la oscuridad “.

 

En resumen, podemos definir los siguientes términos : 

 

Luminiscencia, - Emisión de radiación electromagnética en UV, visible (Luz) creada por transiciones electrónicas internas de átomos o moléculas como resultado de la transición de un estado electrónicamente excitado para un estado inferior de energía, usualmente el estado base.

 

Fluorescencia, luminiscencia de un singlete electrónico excitado, y que es de duración cortísima después de la eliminación de la fuente de excitación. 

 

Fosforescencia, Luminiscencia desde un triplete el estado electrónico base que permanece detectable, algunas veces durante períodos considerables, después de eliminar la fuente de excitación (transición prohibida).

 

Referencia

 

1.    A.K. Campbell, Chemiluminiscencia: Los principios y las Aplicaciones en la Biología y la Medicina, Chichester, Eliis Horwood Ltd., 1988.