ฟอสฟอเรสเซนซ์

ฟอสฟอเรสเซนซ์ (อังกฤษ: Phosphorescence) คือการเปล่งแสงของวัตถุคล้ายกับฟลูออเรสเซนซ์ วัตถุฟอสฟอเรสเซนซ์จะไม่เปล่งแสงทันทีหลังจากดูดซับแสงเข้ามาแต่จะค่อยๆปล่อยแสงออกมา การปล่อยแสงที่ช้าลงนั้นเกิดจากกระบวนการณ์ต้องห้าม (Forbidden mechanism) ของการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานในกลศาสตร์ควอนตัม การเปลี่ยนแปลงเหล่านี่จะเกิดได้ช้ามากในวัสดุบางชนิด รังสีที่ถูกปล่อยออกมาจะมีความเข้มต่ำแต่จะปล่อยอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายชั่วโมงหลังจากถูกกระตุ้น

Phosphorescent, ผงฟอสฟอเรสเซนซ์ในแสงขาว รังสีอัลตราไวโอเลต และในความมืด

ตัวอย่างของวัตถุฟอสฟอเรสเซนซ์ในชีวิตประจำวันคือพวกของเล่น สติกเกอร์ สี และ เข็มนาฬิกา ที่เรืองแสงได้ในความมืด หลังจากดูดซับแสงอาทิตย์หรือแสงจากหลอดไฟ การเรืองแสงจะค่อยๆเลือนหายไปในไม่กี่นาทีหรือชั่วโมงในที่มืด

การศึกษาวัสดุฟอสฟอเรสเซนซ์นั้นนำไปสู้การค้นพบกัมมันตภาพรังสีใน ค.ศ. 1986

คำอธิบาย

ทั่วไป

 

แผนผังพลังงานของการเกิดฟอสฟอเรซเซนซ์ โมเลกุล A ถูกกระตุ้นมาอยู่ในสถานะกระตุ้นซิงเลต (¹A*) และข้ามมาที่สถานะทริปเลต (³A) แล้วจึงคายหลังงานโดยการปล่อยแสงออกมาลงมาที่สถานะพื้น (ground state) ในขณะที่การคายพลังงานแบบฟลูออเรซเซนซ์ โมเลกุลในสถานะกระตุ้นจะคายพลังงานลงมาสถานะพื้นโดยตรง

โดยทั่วไปฟอสฟอเรสเซนซ์คือกระบวนการที่พลังงานทีถูกดูดซับโดยสสารนั้นถูกปล่อยออกมาอย่างช้าๆในรูปแบบของแสง ในบางกรณีก็จะทำให้เกิดการเรืองแสงในที่มืดได้โดยวัสดุนั่นจะสะสมพลังงานจากการรับแสงแล้วค่อยๆออกมาพลังงานออกมาในรูปแบบของแสงที่มองเห็นได้

ในกลศาสตร์ควอนตัม

 

หลังจากอิเล็กตรอนดูดซับโฟตอนพลังงานสูงแล้ว มันอาจจะคายพลังงานโดยการสั่นและเปลี่ยนสถานะสปินของมัน ระบบจะสั่นและเปลี่ยนสถานะสปินไปเรือยๆจนสามารถปล่อยโฟตอนเพื่อคายพลังงานออกมาได้

ในปรากฏการณ์เปล่งแสงส่วนใหญ่ สารเคมีจะดูดซับและปล่อยอนุภาคโฟตอนในช่วงเวลาสั้นๆในหลัก 10 นาโนวินาที ซึ่งกระบวนการดูดและคายแสงในเวลาอันรวดเร็วเช่นนี้จะเกิดได้ก็ต่อเมื่อพลังงานของโฟตอนนั้นพอดีกับระดับพลังงานทำให้สสารนั้นสามารถคายพลังงานมาสถานะพิ้นได้ ในกรณีพิเศษของสารฟอสฟอเรสเซนซ์อิเล็กตรอนที่ดูดพลังงานโฟตอนเข้ามาจะข้ามไปในสถานะอื่นที่มีสปินสูงขึ้น โดยมักจะเปลี่ยนจากสถานะดั้งเดิมที่เป็นแบบซิงเลตไปเป็นทริปเลต ผลที่ตามมาก็คืออิเล็กตรอนในสถานะกระต้นจะติดอยู่ในสถานะทริปเลตที่จะสามารถคายพลังงานได้ผ่านกระบวนการต้องห้าม (forbidden mechanism) เท่านั่นเพราะ กระบวนการนี้ตามหลักแล้วไม่สามารถเกิดขึ้นได้แต่ในกลศาสตร์ควอนตัมนั้นมันสามารถเกิดขึ้นได้แต่ใช้พลังงานสูงกว่าจึงเกิดขึ้นได้ช้ากว่ามาก สารฟอสฟอเรสเซนซ์ส่วนใหญ่จะคายพลังงานออกมาได้ค่อนข้างเร็วโดยอิเล็ดตรอนจะอยู่ในสถานะทริปเลตประมาณมิลลิวินาที แต่สารบางชนิดมีช่วงชีวิตของสถานะทริปเลตได้หลายนาทีหรือชั่วโมงทำให้สามารถใช้สารพวกนี้ในการกักเก็บพลังงานแสงในรูปของอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นซึ่งจะคายพลังงานออกมาช้าๆ สารเหล่านี้นำมาทำเป็นวัสดุเรืองแสงได้ถ้าแสงถูกปล่อยออกมาในปริมาณมากพอ

สมการ

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

โดยที่ S คือสถานะซิงเลต และ T คือสถานะทริปเลต ตัวห้อยบอกถึงสถานะพลังงาน (0 คือสถานะพิ้น และ 1 คือสถานะกระตุ้น) กระบวนการนี้อาจจะเกิดขึ้นได้ในระดับพลังงานที่สูงกว่าแต่เพื่อความเรียบง่ายจึงเขียนแค่สถานะของระดับพลังงานแรก

อ้างอิง

1. Karl A. Franz, Wolfgang G. Kehr, Alfred Siggel, Jürgen Wieczoreck, and Waldemar Adam "Luminescent Materials" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a15_519