Luminiscentie: fluorescentie versus fosforescentie

Luminescentie is het oplichten van een stof door bestraling met energierijk licht of een chemische reactie. We onderscheiden de processen: fosforescentie, fluorescentie, chemoluminescentie en bioluminescentie. Luminescentie heeft een breed toepassingsgebied, met name toegepast in de operatiekamer, bij forensisch onderzoek, als noodverlichting, bij diepzee-organismen en in de amusementswereld.

Fluoresceren

Fluorescerende materialen stralen een eigen kleur licht uit als ze bestraald worden. Kenmerkend voor fluoresceren is dat wanneer de externe lichtbundel wordt weggenomen het object stopt met uitzenden van fotonen. De aangeslagen elektronen vallen direct terug naar hun grondtoestand. Fluorescerende stoffen bestaan meestal uit zinkulfide, calciumsulfide of magnesiumsulfide. Het pigment wordt onder andere toegepast bij verkeersborden, het fluoriserende pigment wordt toegevoegd aan de verf of aan het plastic als het een plastic product betreft.
Medische toepassing fluoresceren
Soms moeten chirurgen operaties uitvoeren waarbij het moeilijk te zien is welke stukken weefsel aangetast zijn en weggesneden moeten worden. Er zijn pigmenten die in het aangetaste weefsel gaan zitten en niet in het gezonde weefsel. Via het bloed komen deze stoffen terecht in het weefsel. De arts opereert onder een UV-lamp waardoor de aangetaste weefsel oplicht en de arts ziet welke stukken weggesneden moeten worden.

Fosforesceren

Fosforesceren is hetzelfde proces als het fluoresceren echter het uitzenden van eigen licht blijft enige tijd doorgaan na het wegnemen van de externe stralingsbron, de aangeslagen elektronen blijven langer in hun aangeslagen toestand alvorens terug te vallen naar hun grondtoestand. De gemiddelde levensduur van de aangeslagen toestand is een eigenschap van de stof. Fosforescerende materialen blijven dus in tegenstelling tot fluorescerende materialen na het weghalen van de lichtbundel nagloeien. Fosforescerende stoffen zijn onder andere calciumsulfide (CaS) en strontiumsulfide (SrS).

Witte fosfor gemaakt uit rode fosfor

Rode fosfor (Pn) wordt verhit en sublimeert tot damp die in lauw water wordt geleid en condenseert in het water bij ca. 45°C tot geel/witte vloeibaar witte fosfor. Bij afkoelen wordt de vloeibare witte fosfor(P4) vast. Witte fosfor bewaart men onder water omdat het aan de lucht bij 30°C ontbrandt met een groenachtige kleur. Fosfordamp is giftig in tegenstelling tot de uitgangsstof 'vaste rode fosfor'.

Toepassing fosforescentie in veiligheidslucifers

Vroeger maakte men luciferkoppen uit witte fosfor. De luciferkoppen ontbranden door ze langs een muur te strijken. In de "veiligheidslucifer", zit in de luciferkop een zwavelverbinding en die is alleen aan te steken door langs een strijkvlak te strijken waarin rode fosfor zit, die door wrijvingswarmte ontbrandt en de luciferkop aansteekt. Veiligheidslucifers kunnen dan niet tijdens opslag of transport in brand vliegen door bijvoorbeeld wrijving.

Lichtspectrum
De kleur rechts in dit spectrum is rood, gaan we naar langere golven dan spreken men van infrarood dat voor het menselijke oog onzichtbaar is. De kleur links is violet, gaan we naar kortere golven spreekt men van ultraviolet licht dat eveneens onzichtbaar is. UV-licht zorgt dat fluorescerende en fosforescerende pigmenten zichtbaar eigen licht uitzenden met een voor die stof kenmerkende golflengte en dus kleur.

Chemoluminescentie

Een van de oudste bekende chemoluminescent reacties is dat van witte fosfor dat oxideert in vochtige lucht onder het uitzenden van groen licht. Chemoluminescentie is het verschijnsel dat bij een exotherme chemische reactie energie vrijkomt in de vorm van licht in plaats van warmte. Stoffen reageren met elkaar en er ontstaat een reactieproduct plus energie. Deze energie wordt niet, als gebruikelijk bij exotherme reacties, aan de omgeving afgestaan in de vorm van warmte, maar wordt door het ontstane reactieproduct opgenomen. De inwendige energie wordt opgenomen doordat de elektronen een energetisch hogere baan innemen (aangeslagen elektronen). Deze elektronen zullen na verloop van tijd terugvallen naar de grondtoestand. Tijdens het geleidelijk terugvallen naar de grondtoestand komt deze energie weer vrij in de vorm van fotonen (licht molekulen).

Chemoluminescentie in forensisch onderzoek

Chemoluminescentie wordt in forensisch onderzoek toegepast om bloedsporen aan te tonen. Men gebruikt luminol (C8H7N3O2) en waterstofperoxide (H2O2). Luminol is een geelgroen poeder dat slecht oplost in water. Met het ijzer in het bloed als katalysator reageren luminol en waterstofperoxide en produceren een blauw licht gedurende een halve minuut. De kleine hoeveelheid ijzer in het bloed is voldoende om onzichtbare resten bloed aan te tonen, zelfs als de plaats van de misdaad gereinigd is.
Lightstick (glowsticks)
Een lightstick zendt licht uit door chemoluminescentie. De lightstick is een doorzichtige plastic staaf waarin een glazen buis die is gevuld met twee stoffen gescheiden door een wand. De lightstick wordt licht gebogen waardoor de glazen buis breekt en de twee stoffen bij elkaar komen, er ontstaat een langzame exotherme chemische reactie waarvan het reactieproduct eigen licht uitzendt waarvan de kleur kenmerkend is voor de gebruikte stof.

Leger en preppers

Andere toepassingen zijn er in het leger, er worden lightsticks gebruikt als lichtbron voor noodverlichting. Lightsticks hebben geen batterijen nodig, geven een nacht lang licht.

Amusement

Als amusement worden lightsticks in allerlei verschillende kleuren gebruikt op feesten en in disco’s.

Blacklight

Blacklight is UV-licht, onzichtbaar voor het oog. De externe stralenbundel is onzichtbaar waardoor de luminiscentie van het voorwerp 100% tot zijn recht komt. Lange golf UV licht is veilig voor de ogen. Middellange golf UV-licht is zonder speciale bril schadelijk. Blacklight heeft een golflengte-ondergrens 320 nm, de gemiddelde golflengte is 365 nm.

Bioluminiscentie

Emissie van zichtbaar licht door levende organismen zoals de vuurvlieg en verschillende vissoorten. Veel organismen produceren licht. Op moleculair niveau gebeurt hetzelfde als bij alle luminisatie processen, namelijk dat de kleur wordt bepaald door de energieval ten gevolge van het terugvallen van het elektron vanuit aangeslagen toestand naar zijn grondtoestand. Diepzee-organismen hebben deze techniek ontwikkeld om met licht prooien te lokken of soortgenoten aan te trekken in verband met voortplanting. Er zijn bacteriën die met behulp van bioluminescentie communiceren. De kleur voor het licht dat door deze dieren opgewekt wordt is blauw en groen omdat licht met een kortere golflengte dan rood gemakkelijker door water beweegt.

Lees verder

• Elektronenconfiguratie: De mantel van het atoom
• Periodiek systeem van elementen