Weird Science

Świecący cukierek

Zja­wi­sko fos­fo­re­scen­cji

Zja­wi­ska fizyczne, którym towa­rzy­szy świe­ce­nie, cie­szą się szcze­gól­nym zain­te­re­so­wa­niem, zarówno ucz­niów, jak i nau­czy­cieli. Jest to związane z tym, że w ten spo­sób można się prze­ko­nać naocz­nie o ist­nie­niu mole­ku­lar­nych mecha­ni­zmów rządzących naszym świa­tem. Takie doświad­cze­nie z pew­no­ścią łatwiej i szyb­ciej tra­fia do wyo­braźni, niż samo opra­co­wa­nie teo­re­tyczne. Nie bez zna­cze­nia jest też to, że inte­re­su­jący efekt wywo­łuje zacie­ka­wie­nie i dąże­nie do jego zro­zu­mie­nia. A to jest prze­cież istotą nauki! Dla­tego omówię dziś bar­dzo inte­re­su­jące zja­wi­sko, jakim jest fos­fo­re­scen­cja, a także to, w jaki spo­sób wiąże się ona z tytu­ło­wym „cukier­kiem”.

Fos­fo­re­scen­cja jest jed­nym z typów lumi­ne­scen­cji, to jest pro­ce­sów, w których docho­dzi do pow­sta­nia pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego z zakresu świa­tła widzial­nego. Zja­wi­sko to polega na emi­sji świa­tła przez niek­tóre sub­stan­cje, w efek­cie uprzed­niego naświe­tle­nia pro­mie­nio­wa­niem o okre­ślo­nej dłu­go­ści fali, a co za tym idzie, także o odpo­wied­niej ener­gii. Czas trwa­nia fos­fo­re­scen­cji jest sto­sun­kowo długi, a jej trwa­nie mie­rzy się w okre­sach rzędu od poje­dyn­czych sekund do wielu godzin. Czas ten odróżnia także fos­fo­re­scen­cję od flu­o­re­scen­cji (np. chlo­ro­filu, czy jodku mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I)), która jest podob­nym zja­wi­skiem, lecz w jej przy­padku emi­sja świa­tła ustaje nie­mal natych­miast (w cza­sie rzędu 10-8s) po usta­niu dzia­ła­nia czyn­nika wzbu­dza­jącego.

Doświad­cze­nie

Fos­fo­re­scen­cję wyka­zuje wiele sub­stan­cji, na przy­kład domiesz­ko­wane solami metali ciężk­ich siarczki cynku i bery­low­ców, domiesz­ko­wany alu­mi­nian strontu, czy azotki glinu i boru. Mate­riały te są jed­nak często tok­syczne i sto­sun­kowo kło­po­tliwe w otrzy­my­wa­niu, a dostęp­ność do nich może być utrud­niona.

Ist­nieje jed­nak spo­sób na tyle pro­sty, że można go wypróbo­wać w domo­wym lub szkol­nym labo­ra­to­rium. Potrzebne są jedy­nie łatwe do zdo­by­cia sub­stan­cje che­miczne: mie­sza­nina cukrów (glu­kozy i fruk­tozy) oraz mle­czan eta­kry­dyny będący inten­syw­nym barw­ni­kiem flu­o­re­scen­cyj­nym. Jeśli cho­dzi o cukry, to naj­le­piej wyko­rzy­stać cukie­rek-lan­drynkę, w skład którego, oprócz bar­dzo nie­wiel­kich ilo­ści dodat­ków sma­ko­wych i barw­ni­ków, wcho­dzą wła­śnie wspom­niane cukry. Syrop skro­biowy sto­so­wany jako doda­tek sku­tecz­nie pow­strzy­muje kry­sta­li­za­cję cukru, która mogłaby przesz­ka­dzać w doświad­cze­niu. Mle­czan eta­kry­dyny o wzo­rze che­micz­nym C18H21N3O4 jest sub­stan­cją o wła­ści­wo­ściach odka­ża­jących i można go kupić w aptece, pod nazwą rywa­nol.

Jeden cukie­rek należy pokru­szyć (Ryc.1) i dokład­nie wymie­szać z kil­koma mili­gra­mami mle­czanu eta­kry­dyny mającego postać żółt­ego proszku (Ryc.2).

Ilustracja: Ryc.1

Ryc.1

Ilustracja: Ryc.2

Ryc.2

Tak otrzy­maną mie­sza­ninę należy ogrze­wać nad pal­ni­kiem alko­ho­lo­wym, gazo­wym, lub po pro­stu nad elek­tryczną płytą grzejną, aż do jej stop­nie­nia. Ogrze­wa­nie należy pro­wa­dzić w nie­zbyt wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze, sto­sun­kowo powoli, tak by nie dopro­wa­dzić do zwęgle­nia cukrów. Z tego powodu konieczne jest też ciągłe mie­sza­nie. Wraz ze wzro­stem tem­pe­ra­tury mie­sza­nina staje się coraz bar­dziej płynna, a jej lep­kość spada.

Pod­czas stap­nia­nia cukrów należy uwa­żać, ponie­waż gorący, lepki cukier może spo­wo­do­wać dot­kliwe opa­rze­nia.

Upłyn­nioną masę trzeba jesz­cze mie­szać przez minutę lub dwie, po czym wylać na zimną powierzch­nię, naj­le­piej pokrytą spo­żyw­czą folią alu­mi­niową.

Po och­ło­dze­niu otrzy­mu­jemy szkli­sty stop (Ryc.3), zabar­wiony mle­cza­nem eta­kry­dyny na zie­lony kolor.

Ilustracja: Ryc.3

Ryc.3

Dla for­mal­no­ści wspomnę, że tak otrzy­many „cukie­rek” nie jest już jadalny!

Na świe­tle stop nie prze­ja­wia jakichś spe­cjal­nych wła­ści­wo­ści. Wystar­czy go jed­nak naświe­tlić świa­tłem żarówki, a następ­nie szybko usu­nąć źródło świa­tła. Można zaob­ser­wo­wać wtedy trwa­jącą kilka-kil­ka­na­ście sekund, zadzi­wia­jąco inten­sywną fos­fo­re­scen­cję barwy jasno­zie­lo­nej (Ryc.4).

Ilustracja: Ryc.4

Ryc.4

Do naświe­tla­nia naj­le­piej sto­so­wać świa­tło o jak naj­wyższej ener­gii. Naświe­tla­nie mono­ch­ro­ma­tycz­nym świa­tłem czer­wo­nym nie daje żad­nych efek­tów, w prze­ci­wieńs­twie do mono­ch­ro­ma­tycz­nego świa­tła nie­bie­skiego pocho­dzącego z półp­rze­wod­ni­ko­wego lasera, które daje efekt dużo sil­niej­szy niż świa­tło żarówki (Ryc.5). Czas dostrze­gal­nej fos­fo­re­scen­cji jest wtedy wyraźnie dłuższy.

Ilustracja: Ryc.5

Ryc.5

Efekt można też zoba­czyć na fil­mie:

Pro­ces naświe­tla­nia można pow­ta­rzać wie­lo­krot­nie, za każdym razem obser­wu­jąc fos­fo­re­scen­cję. Należy jed­nak pamiętać, że otrzy­many stop jest higro­sko­pijny – należy go chro­nić przed wil­go­cią.

Wyja­śnie­nie

Jak wyja­śnić zacho­dzące tutaj zja­wi­ska? Więk­szość zja­wisk lumi­ne­scen­cyj­nych, opie­ra­jących się na absorp­cji ener­gii pro­mie­ni­stej, a następ­nie ponow­nej jej emi­sji, trwa bar­dzo krótko, do 10 nano­se­kund. W przy­padku flu­o­re­scen­cji prze­skok elek­tro­nów cząstki do stanu pod­sta­wo­wego zacho­dzi bez­po­śred­nio, w bar­dzo krót­kim cza­sie.

W przy­padku fos­fo­re­scen­cji absorp­cja pro­mie­nio­wa­nia o okre­ślo­nej dłu­go­ści fali powo­duje, podob­nie jak w flu­o­re­scen­cji, wzbu­dze­nie cząsteczki barw­nika do jed­nego z sin­gle­to­wych sta­nów wzbu­dzo­nych. Następ­nie docho­dzi w cza­sie rzędu piko­se­kund do przejść wibra­cyj­nych VR, w których część ener­gii wzbu­dze­nia zostaje roz­pro­szona w postaci cie­pła. W cza­sie kolej­nych pro­ce­sów cząstka zostaje spro­wa­dzona do niższego sin­gle­to­wego stanu wzbu­dzo­nego. Dla mate­ria­łów wyka­zu­jących fos­fo­re­scen­cję zacho­dzi wtedy częste przej­ście między­sy­s­te­mowe ISC ze stanu sin­gle­to­wego do try­ple­to­wego, co jest wbrew kwan­to­wej regule wyboru gło­szącej, że to przej­ścia między sta­nami o tej samej mul­ti­ple­to­wo­ści zacho­dzą z dużym praw­do­po­do­bieńs­twem. Pow­rót cząsteczki do elek­tro­no­wego stanu pod­sta­wo­wego, po ponow­nej utra­cie czę­ści ener­gii w trak­cie przejść wibra­cyj­nych VR, następuje w pro­ce­sie fos­fo­re­scen­cji. Pozo­stała część ener­gii zostaje wtedy oddana do śro­do­wi­ska w postaci pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego z zakresu świa­tła widzial­nego.

W takim przy­padku przej­ście ze stanu wzbu­dzo­nego do pod­sta­wo­wego jest utrud­nione z racji małego praw­do­po­do­bieńs­twa przej­ścia między­sy­s­te­mo­wego ISC. Dzięki temu ener­gia wzbu­dze­nia nie jest odda­wana do śro­do­wi­ska pra­wie natych­miast, jak to się dzieje w flu­o­re­scen­cji, lecz przez pewien czas, co obser­wu­jemy jako powoli zani­ka­jącą poświatę.

Z racji strat ener­gii dłu­gość fali świa­tła emi­to­wa­nego w pro­ce­sie fos­fo­re­scen­cji jest zaw­sze dłuższa niż dłu­gość fali świa­tła wzbu­dza­jącego, dłuższa nawet od fali świa­tła flu­o­re­scen­cji zacho­dzącej w ana­lo­gicz­nym przy­padku, co nazy­wamy prze­su­nięciem Sto­kesa.

Trzeba też zazna­czyć, że fos­fo­re­scen­cja zależy w dużej mie­rze od tem­pe­ra­tury. W wyższej tem­pe­ra­tu­rze, na sku­tek sil­nych drgań ter­micz­nych cząstek, docho­dzi do sil­niej­szego roz­pra­sza­nia ener­gii, co pociąga za sobą zmniej­sze­nie inten­syw­no­ści, a nawet całk­o­wity zanik emi­sji świa­tła.

Biblio­gra­fia:

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Marek Ples

Aa