التفسفر الوميض الفوسفوري

يأتي مصطلح "الفسفرة" من الكلمة اليونانية القديمة φῶς ( phos ) ، والتي تعني "الضوء" واللاحقة اليونانية -φόρος ( -phoros ) التي تعني "تحمل" ، جنبًا إلى جنب مع اللاحقة اللاتينية -escentem ، والتي تعني "أن تصبح من" ، "يميل نحو" ، أو "مع جوهر". ^[6] وبالتالي ، فإن الفسفرة تعني حرفيًا "الميل لتحمل الضوء". تم تسجيله لأول مرة في عام 1766. ^[7]

تم استخدام مصطلح "الفوسفور" منذ العصور الوسطى لوصف المعادن التي تتوهج في الظلام. كان الفوسفور البولوني من أشهرها ، ولكن ليس الأول. حوالي عام 1604 ، اكتشف فينتشنزو كاسيارولو "لابيس سولاريس " بالقرب من بولونيا بإيطاليا. بمجرد تسخينه في فرن غني بالأكسجين ، يمتص بعد ذلك ضوء الشمس ويتوهج في الظلام. في عام 1677 ، عزل Hennig Brand عنصرًا جديدًا يتوهج بسبب تفاعل اللمعان الكيميائي عند تعرضه للهواء ، وأطلق عليه اسم " الفوسفور ". ^[8]

على النقيض من ذلك ، فإن مصطلح "اللمعان" (من اللاتينية lumen لكلمة "light") ، صاغه إيلهاردت فيدمان في عام 1888 كمصطلح للإشارة إلى "الضوء بدون حرارة" ، بينما "التألق" بواسطة السير جورج ستوكس في عام 1852 ، عندما لاحظ أنه عند تعريض محلول من كبريتات الكينين للضوء المنكسر من خلال منشور ، يتوهج المحلول عند تعريضه للضوء الغامض غير المرئي (المعروف الآن باسم ضوء الأشعة فوق البنفسجية) وراء نهاية الطيف البنفسجي. شكلت ستوكس المدى من مزيج من الفلورسبار و البريق (يفضل استخدام المعدنية بدلا من الحل)، ولو اكتشف لاحقا أن يضيء الفلورسبار بسبب تفسفر. ^[9]

كان هناك الكثير من الالتباس بين معاني هذه المصطلحات خلال أواخر القرن التاسع عشر إلى منتصف القرن العشرين. في حين أن مصطلح "التألق" يميل إلى الإشارة إلى اللمعان الذي توقف فورًا (وفقًا لمعايير عين الإنسان) عند إزالته من الإثارة ، فإن مصطلح "الفسفرة" يشير فعليًا إلى أي مادة تتوهج لفترات ملحوظة في الظلام ، وأحيانًا تشمل حتى اللمعان الكيميائي (والذي في بعض الأحيان أنتجت كميات كبيرة من الحرارة). فقط بعد الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي ، قدمت التطورات في الإلكترونيات الكمومية ، والتحليل الطيفي ، والليزر مقياسًا للتمييز بين العمليات المختلفة التي ينبعث منها الضوء ، على الرغم من أن الفروق في الكلام الشائع لا تزال غالبًا غامضة إلى حد ما. ^[10]

مخطط جابلونسكي لمخطط طاقة يستخدم لشرح الفرق بين التألق والفسفور. قد يعود إثارة الجزيء أ إلى حالته المثارة القمعية ( ¹ أ *) ، بعد فترة قصيرة بين الامتصاص والانبعاث (عمر التألق) ، على الفور إلى الحالة الأرضية ، مما يعطي فوتونًا عبر التألق (وقت الاضمحلال). ومع ذلك ، فإن الإثارة المستمرة يتبعها عبور بين النظام إلى الحالة الثلاثية ( ³ أ) التي تسترخي إلى الحالة الأرضية عن طريق الفسفور مع أوقات اضمحلال أطول بكثير.

بعبارات بسيطة ، فإن الفسفرة هي عملية يتم فيها إطلاق الطاقة التي تمتصها مادة ما ببطء نسبيًا في شكل ضوء. هذه هي الآلية المستخدمة في بعض الحالات للمواد التي تتوهج في الظلام والتي يتم "شحنها" من خلال التعرض للضوء. على عكس التفاعلات السريعة نسبيًا في التألق ، مثل تلك التي تظهر في وسائط الليزر مثل الياقوت الشائع ، فإن المواد الفسفورية "تخزن" الطاقة الممتصة لفترة أطول ، حيث أن العمليات المطلوبة لإعادة إحياء الطاقة تحدث بشكل أقل تكرارًا. ومع ذلك ، لا يزال النطاق الزمني مجرد تمييز عام ، حيث توجد مواد فلورية بطيئة الانبعاث ، على سبيل المثال أملاح اليورانيل ، وبالمثل ، فإن بعض المواد الفسفورية مثل كبريتيد الزنك ( باللون البنفسجي) سريعة جدًا. علميًا ، يتم تصنيف الظواهر من خلال الآليات المختلفة التي تنتج الضوء ، حيث قد تكون المواد الفسفورية مناسبة لبعض الأغراض مثل الإضاءة ، ولكنها قد تكون غير مناسبة تمامًا لأخرى تتطلب مضانًا ، مثل الليزر. لمزيد من التعتيم على الخطوط ، يمكن للمادة أن تبعث الضوء من خلال آلية واحدة أو اثنتين أو ثلاث آليات اعتمادًا على المواد وظروف الإثارة. ^[11]

عندما تصبح الطاقة المخزنة محبوسة بواسطة دوران الإلكترونات الذرية ، يمكن أن تحدث حالة ثلاثية ، مما يؤدي إلى إبطاء انبعاث الضوء ، أحيانًا بعدة أوامر من حيث الحجم. نظرًا لأن الذرات تبدأ عادةً في حالة دوران مفردة ، مفضلة التألق ، فإن هذه الأنواع من الفوسفور عادةً ما تنتج كلا النوعين من الانبعاث أثناء الإضاءة ، ثم توهجًا باهتًا من الضوء الفسفوري الصارم عادةً ما يستمر أقل من ثانية بعد إطفاء الإضاءة.

على العكس من ذلك ، عندما تكون الطاقة المخزنة بسبب الفسفرة المستمرة ، تحدث عملية مختلفة تمامًا بدون مقدمة مضان. عندما تصبح الإلكترونات محاصرة داخل عيب في الشبكة الذرية أو الجزيئية ، يُمنع الضوء من الظهور مرة أخرى حتى يتمكن الإلكترون من الهروب. للهروب ، يحتاج الإلكترون إلى دفعة من الطاقة الحرارية للمساعدة في إخراجها من المصيدة والعودة إلى مدار حول الذرة. عندها فقط يمكن للذرة أن تصدر فوتونًا. وبالتالي ، فإن الفسفرة المستمرة تعتمد بشكل كبير على درجة حرارة المادة. ^[12]

بعد أن يمتص الإلكترون فوتونًا ذا طاقة عالية ، قد يخضع لارتخاء اهتزازي وعبور بين الأنظمة إلى حالة دوران أخرى. مرة أخرى ، يرتاح النظام اهتزازيًا في حالة الدوران الجديدة وينبعث منه الضوء في النهاية عن طريق الفسفور.

معظم الأحداث الضوئية ، التي تمتص فيها الركيزة الكيميائية ثم تعيد إصدار فوتون من الضوء ، تكون سريعة ، في حدود 10 نانوثانية . يُمتص الضوء وينبعث في هذه المقاييس الزمنية السريعة في الحالات التي تتطابق فيها طاقة الفوتونات المعنية مع حالات الطاقة المتاحة وتسمح بالتحولات المسموح بها في الركيزة. في حالة الفسفرة الخاصة ، يخضع الإلكترون الذي يمتص الفوتون (الطاقة) لعملية عبور غير اعتيادية إلى حالة طاقة مختلفة (عادةً ما تكون أعلى) من التعددية الدورانية ( انظر رمز المصطلح ) ، وعادة ما تكون حالة ثلاثية . نتيجة لذلك ، يمكن أن يصبح الإلكترون المثير محاصرًا في الحالة الثلاثية مع وجود انتقالات "محظورة" فقط متاحة للعودة إلى حالة الطاقة المفردة المنخفضة. هذه التحولات ، على الرغم من كونها "ممنوعة" ، ستظل تحدث في ميكانيكا الكم ولكنها غير مفضلة من الناحية الحركية وبالتالي تتقدم في نطاقات زمنية أبطأ بشكل ملحوظ. لا تزال معظم المركبات الفسفورية بواعث سريعة نسبيًا ، مع ثلاثة أضعاف أزمنة الاضمحلال في حدود ميلي ثانية.

تشمل الأمثلة الشائعة الطلاءات الفوسفورية المستخدمة في مصابيح الفلورسنت ، حيث يكون الفسفور بترتيب أجزاء من الألف من الثانية أو أكثر مفيدًا لملء "وقت التوقف" بين دورات التيار المتردد ، مما يساعد على تقليل "الوميض". تُستخدم الفوسفورات ذات أوقات الاضمحلال الأسرع في تطبيقات مثل البيكسلات التي تثيرها الإلكترونات الحرة ( التلألؤ الكاثودي ) في أجهزة التلفزيون ذات أنبوب أشعة الكاثود ، والتي تكون بطيئة بدرجة كافية للسماح بتكوين صورة أثناء قيام شعاع الإلكترون بمسح الشاشة ، ولكن بسرعة كافية لمنع الإطارات من التشويش معًا. ^{[13] [14]} حتى المواد المرتبطة عادةً بالفلورة قد تكون في الواقع عرضة للفسفور ، مثل الأصباغ السائلة الموجودة في أقلام التظليل ، وهي مشكلة شائعة في ليزر الصبغة السائلة . يمكن في بعض الأحيان تقليل أو تأخير ظهور الفسفرة في هذه الحالة بشكل كبير عن طريق استخدام عوامل التبريد الثلاثي. ^[15]

معادلة

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

حيث S هو مفرد و T ثلاثي الذي تشير رموزه إلى حالات (0 هي الحالة الأساسية و 1 الحالة المثارة). يمكن أن تحدث التحولات أيضًا إلى مستويات طاقة أعلى ، ولكن يتم الإشارة إلى الحالة المثارة الأولى للبساطة.

أنتج نبضة شديدة للغاية من ضوء الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة في أنبوب الفلاش هذا الفسفور الأزرق الثابت في غلاف السيليكا غير المتبلور والمدمج ، والذي يستمر لمدة تصل إلى 20 دقيقة بعد الوميض الذي يبلغ 3.5 ميكروثانية.

و المجهر الإلكتروني يكشف عيوب الشغور في شعرية البلورية

تأتي المواد الصلبة عادةً في نوعين رئيسيين: متبلور وغير متبلور. في كلتا الحالتين، شعرية أو شبكة من الذرات و الجزيئات تشكل. في البلورات ، تكون الشبكة عبارة عن تجميع أنيق وموحد للغاية. ومع ذلك ، فإن جميع البلورات تقريبًا بها عيوب في تسلسل التراص لهذه الجزيئات والذرات. عيب الشغور ، حيث تفتقد الذرة ببساطة من مكانها ، تاركة "ثقبًا" فارغًا ، هو أحد أنواع العيب. في بعض الأحيان يمكن للذرات أن تتحرك من مكان إلى آخر داخل الشبكة ، مما يؤدي إلى عيوب شوتكي أو عيوب فرنكل . يمكن أن تحدث عيوب أخرى من الشوائب في الشبكة. على سبيل المثال ، عندما يتم استبدال ذرة عادية بذرة مختلفة ذات حجم أكبر أو أصغر بكثير ، يحدث عيب بديل ، بينما يحدث الخلل الخلالي عندما يتم احتجاز ذرة أصغر بكثير في "الفجوات" ، أو المسافات بين الذرات. بالمقابل ، فإن المواد غير المتبلورة ليس لها "ترتيب بعيد المدى" (يتجاوز مساحة بضع ذرات في أي اتجاه) ، وبالتالي فهي بحكم التعريف تمتلئ بالعيوب.

عند حدوث عيب ، اعتمادًا على النوع والمادة ، يمكن أن يحدث ثقبًا أو "مصيدة". على سبيل المثال ، تؤدي ذرة الأكسجين المفقودة من مركب أكسيد الزنك إلى إحداث ثقب في الشبكة ، محاطة بذرات الزنك غير المقيدة. ينتج عن هذا صافي قوة أو جاذبية يمكن قياسها بوحدة إلكترون فولت . عندما يضرب فوتون عالي الطاقة إحدى ذرات الزنك ، يمتص إلكترونه الفوتون ويطرح في مدار أعلى. قد يدخل الإلكترون بعد ذلك في المصيدة ويثبت في مكانه (خارج مداره الطبيعي) من خلال الجذب. لبدء إطلاق الطاقة ، هناك حاجة إلى ارتفاع عشوائي في الطاقة الحرارية بحجم كافٍ لدفع الإلكترون خارج المصيدة والعودة إلى مداره الطبيعي. بمجرد الوصول إلى المدار ، يمكن أن تنخفض طاقة الإلكترون إلى وضعها الطبيعي (الحالة الأرضية) مما يؤدي إلى إطلاق فوتون. ^[16]

إن إطلاق الطاقة بهذه الطريقة هو عملية عشوائية تمامًا ، تحكمها في الغالب متوسط ​​درجة حرارة المادة مقابل "عمق" المصيدة ، أو عدد الإلكترونات فولت التي تمارسها. تتطلب المصيدة التي يبلغ عمقها 2.0 إلكترون فولت قدرًا كبيرًا من الطاقة الحرارية (درجات حرارة عالية جدًا) للتغلب على الجاذبية ، بينما في عمق 0.1 إلكترون فولت ، هناك حاجة إلى القليل جدًا من الحرارة (درجات حرارة شديدة البرودة) من أجل فخ حتى لعقد الإلكترون. قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى إطلاق أسرع للطاقة ، مما ينتج عنه انبعاث أكثر إشراقًا ولكنه قصير العمر ، بينما قد ينتج عن درجات الحرارة المنخفضة توهجات باهتة ولكنها تدوم طويلاً. قد لا تسمح درجات الحرارة الشديدة البرودة أو السخونة ، اعتمادًا على المادة ، بتراكم أو إطلاق الطاقة على الإطلاق. يتراوح العمق المثالي لمصيدة الفسفور الثابت في درجة حرارة الغرفة بين 0.6 و 0.7 إلكترون فولت. ^[17] إذا كان العائد الكمي الفسفوري مرتفعًا ، أي إذا كانت المادة تحتوي على عدد كبير من المصائد ذات العمق الصحيح ، فإن هذه المواد ستطلق كميات كبيرة من الضوء على نطاقات زمنية طويلة ، مما ينتج عنه ما يسمى بـ "التوهج في الظلام" " مواد.

الفسفرة المستمرة هي آلية أي شيء يشار إليه عادة باسم التوهج في الظلام. تشمل الاستخدامات النموذجية الألعاب والكرات والكرات وعلامات السلامة والدهانات والعلامات والمكياج والفن والديكور ومجموعة متنوعة من الاستخدامات الأخرى.

بعض الأمثلة على المواد التي تتوهج في الظلام لا تتوهج بالفسفور. على سبيل المثال ، تتوهج العصي المتوهجة بسبب عملية الإشعاع الكيميائي التي عادة ما يتم الخلط بينها وبين الفسفرة. في التلألؤ الكيميائي ، يتم إنشاء حالة من الإثارة عبر تفاعل كيميائي. يتتبع انبعاث الضوء التقدم الحركي للتفاعل الكيميائي الأساسي. ستنتقل الحالة المثارة بعد ذلك إلى جزيء صبغ ، يُعرف أيضًا باسم المحسس أو الفلوروفور ، ثم تتألق بعد ذلك إلى الحالة الأساسية.

وتشمل المواد الملونة المستخدمة في المواد الفسفورية الزنك كبريتيد و السترونتيوم ألومينات . يعود استخدام كبريتيد الزنك في المنتجات المتعلقة بالسلامة إلى ثلاثينيات القرن الماضي.

تم تطوير أصباغ السترونتيوم ألومينات في عام 1993 بسبب الحاجة إلى إيجاد بديل للمواد المتوهجة في الظلام ذات الإنارة العالية والفوسفورية الطويلة ، خاصة تلك التي تستخدم بروميثيوم . ^{[18] [19]} أدى هذا إلى اكتشاف ياسوميتسو أوكي (نيموتو وشركاه) لمواد ذات إنارة أكبر بحوالي 10 مرات من كبريتيد الزنك والفوسفور حوالي 10 مرات أطول. ^{[20] [21]} أدى هذا إلى إنزال معظم المنتجات القائمة على كبريتيد الزنك إلى فئة الجدة. تُستخدم أصباغ السترونتيوم القائمة على الألومينات الآن في علامات الخروج وعلامات المسار واللافتات الأخرى المتعلقة بالسلامة. ^[22]

• 

  كبريتيد الزنك (يسار) وألومينات السترونشيوم (يمين) ، في الضوء المرئي ، في الظلام ، وبعد 4 دقائق في الظلام.

• 

  يتشكل كبريتيد الكالسيوم (يسار) وسيليكات الأرض المعدنية (يمين) باللون الأحمر والأزرق على التوالي.

في عام 1974 ، أصبحت بيكي شرودر واحدة من أصغر الفتيات اللائي حصلن على براءة اختراع أمريكية لاختراعها "لوح التوهج" الذي يستخدم خطوطًا فسفورية تحت ورق الكتابة لمساعدة الناس على الكتابة في ظروف الإضاءة المنخفضة. ^[23]

تضاف مادة التوهج في الظلام إلى مزيج البلاستيك المستخدم في قوالب الحقن لصنع بعض أقراص الجولف ، والتي تسمح باللعب ليلاً.

يتم إنشاء جدار الظل عندما يومض ضوء على شخص أو كائن أمام شاشة فسفورية تلتقط الظل مؤقتًا. تم طلاء الشاشة أو الجدار بمنتج يتوهج في الظلام يحتوي على مركبات فسفورية. ^[24] يمكن العثور على جدران الظل هذه علنًا في متاحف علمية معينة. ^{[25] [26]}

• 

  الصورة السابقة لالتقاط ظل على جدار فسفوري.

• 

  بعد صورة لالتقاط ظل على جدار فسفوري.

• أحجار كريمة مضيئة
• دهان مضيء
• Microsphere
• تألق مستمر
• الفوسفور
• الفوسفور
• التريتيوم