Per far questo deve essere dapprima attivato da una causa che gli fornisca in altra forma l'energia che poi viene emessa come luce, e questo in natura avviene sotto diverse modalità, che vengono classificate in due gruppi:
1) Luminescenza dovuta a trasformazioni interne;
- di tipo chimico (chemiluminescenza, come gli stick Star-light o Cyalume usati dai pescatori ),
- biologico (bioluminescenza, come le lucciole),
- meccanico (triboluminescenza),
- per riscaldamento o per raffreddamento (termoluminescenza e crioluminescenza),
- per effetti elettrici (elettroluminescenza e catodoluminescenza, come lo schermo televisivo),
- per radioattività (radioluminescenza),
- per ultrasuoni (sonoluminescenza).
2) Luminescenza dovuta ad irraggiamento di energia luminosa:
- fluorescenza (es. i pennarelli evidenziatori)
- fosforescenza o fotoluminescenza
La fluorescenza e la fosforescenza sono due fenomeni molto simili, infatti entrambi vengono attivati da una radiazione di grande energia, tipicamente raggi ultravioletti, e riemettono questa energia a lunghezze d'onda maggiori, nella banda dello spettro visibile.
La differenza tra i due è che nel primo caso l'emissione avviene in modo praticamente istantaneo, mentre nel secondo avviene lentamente durante un periodo di parecchi minuti o anche ore, dopo la fine dell'eccitazione.
La fosforescenza venne scoperta nel 1602 dall'alchimista Vincenzo Casciarolo il quale rinvenne alle pendici del Monte Paderno una varietà di barite o baritina (solfato di bario anidro) raggiata e nodulare successivamente denominata "pietra fosforica bolognese" per la particolarità, una volta trattata in laboratorio, di ottenerne un solfuro capace di emettere luce nel buio;
La fosforescenza venne scoperta nel 1602 dall'alchimista Vincenzo Casciarolo il quale rinvenne alle pendici del Monte Paderno una varietà di barite o baritina (solfato di bario anidro) raggiata e nodulare successivamente denominata "pietra fosforica bolognese" per la particolarità, una volta trattata in laboratorio, di ottenerne un solfuro capace di emettere luce nel buio;
solo in seguito, nel 1669, si scoprì il fosforo (dal greco phos= luce e phoros= portatore) che venne chiamato così proprio per le sue proprietà luminescenti. Tuttavia solo agli inizi del secolo, con la meccanica quantistica, fu possibile spiegare esattamente i diversi aspetti di questo fenomeno.
Nella fluorescenza un elettrone molecolare viene investito da un'onda elettromagnetica della radiazione ultravioletta ed assorbendone l'energia si sposta su un'orbitale più esterno, ma l'eccessiva energia vibrazionale improvvisamente acquisita dalla molecola viene dispersa in brevissimo tempo nell'ambiente, lasciando l'elettrone in un particolare stato instabile dal quale tornerà nella posizione originaria, emettendo un fotone di luce visibile, nel giro di una frazione infinitesima di secondo.
Schema energetico dell'emissione per fluorescenza
Le due curve rappresentano l'energia dell'elettrone in funzione della distanza tra gli atomi della molecola, mentre le linee orizzontali all'interno delle curve sono i livelli di energia corrispondenti alle loro vibrazioni.
Un elettrone, situato nel primo livello di vibrazione dell'orbitale di partenza, viene colpito dai raggi ultravioletti e ne assorbe l'energia grazie alla quale viene spinto su un orbitale più esterno, in un livello di vibrazione elevato; da qui, come indicato dalle frecce piccole, perde energia fino a raggiungere lo stato di vibrazione più bassa. Ma questo è uno stato instabile, perciò l'elettrone ricade nell'orbitale iniziale, provocando un'onda elettromagnetica che sarà visibile come luce blu, se il salto è elevato, o come luce verde o rossa, se il salto è piccolo. Infatti la lunghezza d'onda della radiazione è tanto più corta quanto più il salto è energetico; ciò spiega anche perchè per l'eccitazione sono necessari gli ultravioletti, con lunghezza d'onda più piccola della luce visibile, infatti il salto di assorbimento deve ovviamente essere maggiore di quello di emissione, come si intuisce dallo schema.
La stessa cosa accade per la fosforescenza, soltanto che in questo caso l'elettrone passa in uno stato intermedio dal quale la probabilità di ricadere sull'orbitale di partenza è estremamente bassa (si dice che la transizione è proibita), e ciò fa sì che gli elettroni non decadano tutti nello stesso istante, ma in modo casuale durante un tempo ben più lungo
Un elettrone, situato nel primo livello di vibrazione dell'orbitale di partenza, viene colpito dai raggi ultravioletti e ne assorbe l'energia grazie alla quale viene spinto su un orbitale più esterno, in un livello di vibrazione elevato; da qui, come indicato dalle frecce piccole, perde energia fino a raggiungere lo stato di vibrazione più bassa. Ma questo è uno stato instabile, perciò l'elettrone ricade nell'orbitale iniziale, provocando un'onda elettromagnetica che sarà visibile come luce blu, se il salto è elevato, o come luce verde o rossa, se il salto è piccolo. Infatti la lunghezza d'onda della radiazione è tanto più corta quanto più il salto è energetico; ciò spiega anche perchè per l'eccitazione sono necessari gli ultravioletti, con lunghezza d'onda più piccola della luce visibile, infatti il salto di assorbimento deve ovviamente essere maggiore di quello di emissione, come si intuisce dallo schema.
La stessa cosa accade per la fosforescenza, soltanto che in questo caso l'elettrone passa in uno stato intermedio dal quale la probabilità di ricadere sull'orbitale di partenza è estremamente bassa (si dice che la transizione è proibita), e ciò fa sì che gli elettroni non decadano tutti nello stesso istante, ma in modo casuale durante un tempo ben più lungo
Schema energetico dell'emissione per fosforescenza
In questo caso un elettrone, che si trova inizialmente nel primo livello di vibrazione dell'orbitale in basso, viene colpito dai raggi ultravioletti e, grazie all'energia assorbita, viene spinto su un orbitale più energetico, in un livello di vibrazione più elevato; da qui, come indicato dalle frecce piccole, perde energia fino a raggiungere lo stato di vibrazione più bassa. Ma la struttura molecolare del materiale fosforescente è tale che la stessa energia corrisponde anche ad un orbitale intermedio più stabile, e quindi l'elettrone sarà costretto a spostarsi su quest'ultimo, secondo lo stesso principio per cui una pallina appoggiata sopra una palla più grande, non essendo in equilibrio, dovrà necessariamente cadere, rotolando sulla sfera sottostante.
Tale orbitale intermedio è molto stabile, e ciò permette all'elettrone di rimanervi per parecchio tempo, prima di ricadere nell'orbitale iniziale; questo è il motivo per cui la luce di fosforescenza può essere emessa anche molto tempo dopo la fine dell'eccitazione.
Poichè l'energia dell'orbitale intermedio può variare anche di molto, a secondo della struttura cristallina del materiale, anche la luce di fosforescenza può avere un qualsiasi colore dello spettro visibile, come abbiamo visto per la fluorescenza.
Sia per i fenomeni di fluorescenza che per quelli di fosforescenza vale la “Legge di Stokes”:
L'energia del fotone emesso appartiene ad una regione dello spettro spostata verso lunghezze d' onda maggiori rispetto alla lunghezza d' onda del fotone. La banda di luminescenza è indipendente dalla radiazione monocromatica eccitatrice purché appartenente a una medesima banda di assorbimento (l' intera banda di emissione è presente per ogni radiazione monocromatica assorbita appartenente alla banda illuminante). La banda di assorbimento è ottenuta come inviluppo delle righe di eccitazione.
