Lân phát sáng

Lân phát sáng hay còn gọi là dạ quang, là hiện tượng phát quang trong đó các phân tử của chất lân phát sáng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng từ photon sang năng lượng của electron ở một số trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao, nhưng vẫn bền trong phân tử để sau đó electron chậm rãi rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn và phát ra một phần năng lượng dưới dạng photon.

Lân phát sáng khác với huỳnh quang ở chỗ quá trình electron rơi về trạng thái ban đầu rất chậm. Trái với huỳnh quang, sự rơi về trạng thái cũ của electron xảy ra gần như tức thì, dẫn đến việc photon được phát ra ngay lập tức. Các chất lân phát sáng hoạt động như các bộ dự trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và sau đó phát ra ánh sáng chậm rãi.

Nguyên nhân khiến electron trở về trạng thái cơ bản chậm là do sự tồn tại lâu dài của trạng thái kích thích, khiến chuyển đổi trở lại bị ràng buộc bởi các quy tắc lượng tử. Việc này phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, với trạng thái kích thích được bảo tồn lâu hơn khi nhiệt độ thấp hơn.

Hầu hết các chất lân quang chỉ tồn tại trong khoảng vài miligiây khi ở trạng thái kích thích, nhưng một số có thể kéo dài đến vài phút hoặc vài giờ.

Thông tin chi tiết

Trong phân tử, electron thường nằm ở trạng thái cân bằng lượng tử ổn định với năng lượng và spin nhất định. Khi có photon hoặc các hạt khác bay vào, electron có thể hấp thụ năng lượng từ chúng và nhảy lên trạng thái năng lượng cao hơn.

Di chuyển lên trạng thái kích thích thường xảy ra dễ dàng khi không có thay đổi về spin, chỉ có thay đổi về năng lượng. Sau đó, electron dễ dàng rơi trở lại trạng thái cơ bản, giải phóng photon (hiện tượng huỳnh quang) hoặc năng lượng dưới dạng dao động nhiệt (sinh ra phonon; điều này xảy ra trên hầu hết các vật liệu tối: chúng hấp thụ ánh sáng và nóng lên).

Tuy nhiên, trong các vật liệu lân quang, một phần electron ở trạng thái kích thích có thể thay đổi spin và vẫn giữ nguyên năng lượng ban đầu. Trạng thái này, với spin và năng lượng khác biệt so với trạng thái cơ bản, không dễ dàng quay trở lại do bị hạn chế bởi quy luật cơ học lượng tử.

Để quay trở lại trạng thái cơ bản, các va chạm nhiệt giữa các phân tử sẽ làm cho electron giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt (các phonon) và trở lại trạng thái cơ bản dễ dàng hơn. Khi quay trở lại trạng thái cơ bản, năng lượng của electron có thể được giải phóng dưới dạng các phonon (nhiệt) hoặc photon (quang).

Ứng dụng

Các vật liệu lân quang được ứng dụng để tạo ra nguồn sáng trong các hoàn cảnh tạm thời thiếu ánh sáng mà không cần tiêu tốn năng lượng. Năng lượng phát sáng đã được tích trữ từ khi chúng được chiếu sáng tự nhiên. Ví dụ, chúng có thể được gắn trên mặt đồng hồ đeo tay để giúp đọc giờ trong bóng tối, hoặc trên kim chỉ la bàn để xác định hướng đi khi trời tối đen; thậm chí trên công tắc điện để chỉ vị trí của công tắc trong bóng tối khi chưa bật đèn.

Chúng cũng được sử dụng để làm đồ trang trí, sản xuất mực phát sáng (mặc dù mực phát sáng thường dùng các chất huỳnh quang hơn).

Chế tạo laser cũng có thể sử dụng các vật liệu lân quang vì electron có thể duy trì ở trạng thái kích thích trong thời gian dài, đủ để chờ photon khác đi qua và gây ra phát xạ kích thích đồng pha.

Các vật liệu lân quang cũng đã được áp dụng trong màn hình tia âm cực. Sau khi electron đập vào một điểm ảnh trên màn hình, điểm đó, chứa các chất lân quang, được kích thích và tiếp tục phát sáng trong một thời gian ngắn sau đó. Tuy nhiên, các vật liệu huỳnh quang cũng có thể được sử dụng nhờ vào hiệu ứng lưu ảnh trên võng mạc.

Tương tự như màn hình tia âm cực, màn hình ghi nhận các dòng hạt (electron, tia X, neutron,...) năng lượng cao cũng có thể chứa các vật liệu lân quang; mặc dù các vật liệu huỳnh quang cũng có thể được sử dụng.

Từ nguyên

Nguồn gốc của thuật ngữ 'lân quang' xuất phát từ ánh sáng tỏa ra trong bóng tối do hiện tượng lân quang, giống như ánh sáng lân tinh, được phát ra bởi các hợp chất phốtpho khi phản ứng hóa học oxy hóa trong không khí.

Thuật ngữ này được sử dụng để mô tả các chất phát sáng trong bóng tối mà không cần cháy, từ khi nhà tìm kiếm thuật ngữ Hennig Brand phát hiện ra phosphor vào năm 1669 thông qua quá trình sản xuất nước tiểu. Ông nhận ra rằng chất mà ông vừa tìm ra phát sáng trong bóng tối. Từ 'phosphor' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp phosphoros, có nghĩa là 'vật mang ánh sáng'.

Tuy nhiên, tính chất vật lý của hai hiện tượng này là khác nhau; ánh sáng của phosphor được cung cấp bởi phản ứng hóa học. Hiện tượng phát sáng mà Brand đã thấy là do phosphor tự cháy chậm trong không khí.

Vật liệu lân quang

Các vật liệu lân quang thường là hợp chất hóa học của kim loại chuyển tiếp hoặc các đất hiếm. Chúng thường được pha trộn với các chất phụ gia từ một chất cơ bản. Chất cơ bản có thể là oxit, sunfua, selenua, silicat của kẽm, cadmi, mangan, nhôm, silic hay kim loại đất hiếm. Các chất phụ gia giúp kéo dài thời gian phát sáng có thể là các kim loại như đồng, bạc. Pha thêm niken có thể làm giảm thời gian phát sáng.

Sulfua kẽm (ZnS) với 5 ppm đồng thường được sử dụng làm đồ chơi lân quang. Hỗn hợp sulfua kẽm và sulfua cadmi (CdS) có thể tạo ra các màu sắc khác nhau tùy thuộc vào nồng độ pha trộn; và có thể phát sáng từ 1 đến 10 giờ. SrAlO₃ pha với Eu là lân quang xanh sáng lâu. Hỗn hợp CaS SrS pha thêm Bismut có thể sáng 12 tiếng liên tiếp [1]. Các chất này có thể được pha trộn vào vật liệu chế tạo đồ chơi hoặc sơn mực in.

loại vật liệu phát quang được tạo ra từ sự kết hợp giữa kẽm sulfide, hoặc CaS và các chất phóng xạ như C 14, S 35, Sr 90, Tl 204, Ra hoặc đồng vị Po để sản sinh ánh sáng liên tục.

Hầu hết các vật liệu lân quang phát ra ánh sáng màu xanh. Vật liệu phát ra ánh sáng màu đỏ thường có thời gian phát sáng ngắn hơn.

• Huỳnh quang
• Vật liệu lân quang