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).
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.
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).
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.
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:
- Jabłoński A., Efficiency of Anti-Stokes Fluorescence in Dyes, Nature, vol. 131, 1933,
- Pluciński T., Doświadczenia chemiczne, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa 1997.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Marek Ples