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Definición de Luminiscencia

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 (Del lat. lumen, -inis, ‘luz’); sust. f.

1. Propiedad que poseen ciertos cuerpos de emitir luz sin que se dé elevación de temperatura: ciertos elementos radiactivos, como el uranio, se caracterizan por su luminiscencia.
2. Fenómenos lumínicos producidos por estos cuerpos.

Sinónimos
Luz, luminosidad, irradiación, emisión, fulgor, brillo, fluorescencia, fosforescencia.

Antónimos
Oscuridad, opacidad.

 Conjunto de fenómenos producidos en multitud de sustancias que se caracterizan por la emisión, durante un tiempo determinado, de radiación visible como consecuencia de la acción de determinados agentes externos (ya sean campos eléctricos, reacciones químicas o irradiación) en los niveles electrónicos de los átomos y moléculas que las forman. Deben distinguirse estos procesos de la incandescencia, que es la emisión de radiación visible como consecuencia de la alta temperatura que tiene un cuerpo (generalmente mayor de 500 ºC).

Introducción histórica

Los procesos de luminiscencia se dan en sustancias tan distintas como átomos, moléculas orgánicas, inorgánicas y organometálicas, cristales orgánicos e inorgánicos y materiales amorfos. Ciertos fenómenos luminiscentes, como los que presentan cierto tipo de gusanos (céstidos), ciertos hongos (esquistostegales) y el fenómeno atmosférico conocido como aurora boreal son conocidos de antiguo, pero su investigación sistemática es relativamente reciente. Las primeras observaciones se realizaron curiosamente sobre un compuesto químico sintético, el sulfato de bario, que obtuvo a principios del s. XVII el alquimista boloñés Vincenzo Cascariolo. Entre los nombres que se utilizaron para denominar esta sustancia se encontraba phosphorus, ‘portador de luz’, nombre que acabó denominando no sólo al elemento químico sintetizado por Brand en 1669, sino también a los materiales que presentan su misma propiedad luminiscente (fósforos).

Entre las primaras investigaciones científicas sobre los fenómenos luminiscentes destaca la descripción de sus propiedades básicas en 1662 por el físico inglés Robert Boyle. Realizando observaciones sobre la luminiscencia de cierta materia orgánica en descomposición, observó que era un fenómeno en el que no había aumento de temperatura de la sustancia, que se podía inhibir el efecto con la adición de alcohol, ácido clorhídrico y amoníaco y que variaba según la calidad del aire en que se encontrara la sustancia.

Los términos fluorescencia y fosforescencia aparecieron de forma independiente. Fosforescencia se empleó para designar el proceso que presentaban los fósforos, cuya luminosidad puede persistir varios minutos después de que haya cesado la irradiación de la muestra. La fluorescencia, sin embargo, es un fenómeno casi instantáneo, y su término fue acuñado en 1852 cuando se demostró experimentalmente que ciertas sustancias absorben luz de la región espectral correspondiente al ultravioleta y la emiten instantáneamente en otra región espectral, emisión que cesa abruptamente cuando se interrumpe la irradiación. El nombre de fluorescencia proviene del mineral fluorita, que presenta luminosidad débil de color variable cuando se irradia con una lámpara ultravioleta. Varios minerales luminiscentes se fueron descubriendo paulatinamente. El primero de los compuestos estables que se conocen como fósforos fue el sulfato de cinc, sintetizado en 1866 y que forma parte de la composición de muchos de los recubrimientos que poseen las pantallas de televisión en la actualidad.

A finales de la década de 1880 se observó que el extracto de luciérnaga, al ser mezclado con el de cierto tipo de almeja Phola, formaba una reacción química luminiscente. Uno de los preparados era un compuesto relativamente inestable al calor, llamado luciferasa. El otro era relativamente estable, y fue llamado luciferina. Se sugirió que probablemente todos los sistemas bioluminiscentes fueran debidos a esta misma reacción. Sin embargo, la bioquímica de estos fenómenos es mucho más compleja. Entre los pocos que se han estudiado destacan los de ciertos crustáceos del mar de Japón (Cypridina hilgendorfii) y ciertas especies de peces que habitan las profundidades abisales. Aunque no se ha encontrado ningún interés tecnológico en estas reacciones, son muy interesantes porque presentan un alto grado de eficiencia. Entre los materiales bioluminiscentes que se han sintetizado artificialmente destaca el 5-amino-2,3-dihidro-1,4-ftalacinediona, logrado en 1928 y que presenta emisión luminosa de color azul.

Tipos de luminiscencia

La manera más clásica de producir efecto de luminiscencia consiste en irradiar la sustancia con luz de baja energía (dentro de las energías visible y ultravioleta, generalmente). Los blanqueadores de papeles, tejidos y detergentes contienen iluminadores ópticos de este tipo, que emiten luz azul al ser iluminados por radiación ultravioleta. Este fenómeno es conocido como fotoluminiscencia.

La radioluminiscencia es producida por la irradiación de sustancias por radiación ionizante, rayos gamma o rayos X. Los polímeros orgánicos que emiten luz visible al recibir esta irradiación son utilizados como detectores y contadores (llamados de centelleo) de productos de desintegración de ciertos isótopos radiactivos u otro tipo de radiación de alta energía.

La electroluminiscencia es producida por la acción de campos eléctricos. Ejemplo de ello son los tubos de descarga (también llamados fluorescentes), tubos de cristal que contienen un gas enrarecido, generalmente neón, argón, moléculas de nitrógeno o algún compuesto de mercurio, entre cuyos extremos se sitúan dos electrodos entre los que se establece una diferencia de potencial y se arrancan electrones del cátodo (tubo de rayos catódicos). Estos electrones, en su trayecto hacia el ánodo, colisionan con los átomos del gas y los ionizan. En la posterior recombinación de iones y electrones se desprenden fotones, que inciden en una película de fósforo que recubre las paredes del tubo, cuyos átomos sufren un proceso de excitación electrónica y posterior desexcitación. Los diodos emisores de luz son otro caso de electroluminiscencia.

La quimioluminiscencia se produce como resultado de alguna reacción química, generalmente de oxidación-reducción. Si esta reacción se realiza en sistemas biológicos, como producto de reacciones enzimáticas, se conoce como bioluminiscencia.

Luminiscencia y transiciones electrónicas

En todos estos procesos la causa física es la misma: un átomo o molécula, al ser irradiado, absorbe energía en cantidades discretas determinadas por sus niveles electrónicos. Esta energía es empleada para promocionar un electrón que inicialmente se encontraba en un estado de baja energía a un nivel superior, y al desexcitarse se emite un fotón.

La mayoría de las moléculas poseen un estado fundamental (el de más baja energía) en el que los electrones se encuentran apareados, es decir, en cada nivel energético se hallan dos electrones con sus números cuánticos de espín opuestos (antiparalelos), como consecuencia del Principio de exclusión de Pauli. Estos estados reciben el nombre de singletes porque en presencia de un campo magnético no se desdoblan. Al incidir un fotón de determinada energía, uno de los electrones es excitado a un nivel energético superior, quedando dos niveles energéticos sin completar. Los electrones en estos orbitales pueden encontrarse con el mismo espín o con el contrario, es decir, paralela o antiparalelamente. La primera situación corresponde a un estado singlete, y la última a un estado triplete (en presencia de un campo magnético, este último se desdobla en tres estados). Experimentalmente se ha observado que los estados singlete poseen una energía menor que los tripletes. Las transiciones realizadas entre estados singlete-singlete y singlete-triplete son muy distintas, y obedecen a dos tipos distintos de luminiscencia: fosforescencia y fluorescencia, debido a que las transiciones entre estados singlete conservan el espín total del sistema y las transiciones entre singlete y triplete no. Al haber una regla de selección para transiciones electrónicas que prohíbe el cambio en el espín total, las transiciones singlete-singlete serán mucho más probables, lo que significa que el electrón estará, por término medio, menos tiempo excitado con respecto a las transiciones singlete-triplete. Esto ocasiona que la velocidad de desexcitación entre estados singlete (fluorescencia) sea más rápida que entre singlete y triplete (fosforescencia), y como consecuencia la fosforescencia es un fenómeno de mayor duración temporal que la fluorescencia. Para moléculas orgánicas que contengan átomos ligeros ( H, C, N, O, P, S, …), la proporción entre ambas transiciones es de 108.

Cuando el electrón se encuentra excitado en un estado singlete puede experimentar transiciones no radiativas, que en vez de producir una emisión de fotones producen un aumento de la energía de vibración molecular, y por tanto de la temperatura. Muchas moléculas orgánicas presentan unos estados excitados de una duración tan larga que la probabilidad de que realicen transiciones no radiativas aumenta considerablemente. Uno de los mecanismos en que estas transiciones pueden ocurrir es por colisión con otras moléculas, proceso conocido como apagamiento en el que las moléculas apagadoras quedan sensibilizadas (excitadas energéticamente). Una molécula apagadora habitual es la molécula de oxígeno, pues al tener dos electrones desapareados posee un estado triplete cuya vida media es excepcionalmente alta. Como es un potente agente oxidante, la iluminación en presencia de oxígeno origina la desnaturalización de ciertos sistemas biológicos como los alimentos, proceso conocido como acción fotodinámica. Los estados triplete presentan también una reactividad elevada hacia otras moléculas o impurezas que pueden estar presentas en pequeñas cantidades.

En fluidos con impurezas, la fosforescencia es débil porque los activadores de este proceso tienen una probabilidad elevada de colisionar con el apagador debido a la alta movilidad de las moléculas. Al descender la temperatura, la luminiscencia aumenta como consecuencia del descenso su movilidad. De esta forma es fácil observar fosforescencia a temperatura ambiente cuando las moléculas fosforescentes se encuentran disueltas en un cristal polimérico rígido o en algún otro tipo de diluyente o matriz aislante.

Aplicaciones tecnológicas de los fenómenos luminiscentes

Fosforescencia y fluorescencia son dos fenómenos físicos que han encontrado un amplio campo de aplicación en dispositivos de todo tipo.

Pantallas fosforescentes

Probablemente donde se utilizan en mayor número sea en las pantallas de televisión, ordenadores y en general en todos aquellos aparatos que cuentan con un tubo de rayos catódicos. Estas pantallas cuentan con un recubrimiento interno de uno o varios tipos de fósforos que producen fosforescencia cuando el haz de electrones impacta en ellos.

Entre los fósforos de uso más común destacan los basados en el sulfuro de cinc, al que se agregan diversos metales (plata, manganeso, cadmio) en proporciones diversas para que el pico de intensidad máxima de emisión de fotones corresponda a la longitud de onda correspondiente a la zona del espectro que se desea. Otros compuestos muy utilizados están basados en itrio-vanadios, en óxidos de gadolinio, silicatos de itrio, y en general cualquier base vítrea con tierras raras (cerio, gadolinio, europio, terbio, astato y otros). En sus características industriales suele especificarse en vez de la longitud de onda del pico de emisión la coordenada de color según el código CIE. El material se presenta en polvo con un tamaño de grano que oscila entre 2 y 10 micras.

Las pantallas de color poseen tres capas superpuestas de estos fósforos, correspondientes a los colores azul, rojo y verde, que son excitadas por haces de electrones distintos. En la pantalla se obtiene el espectro completo de los colores por síntesis aditiva. Una característica que hay que tener en cuenta en estos materiales es el tiempo de duración de la transición fosforescente, pues una excesiva inercia en la iluminación ocasiona una superposición de imágenes que dificulta enormemente la visión. Generalmente se encuentran entre los milisegundos.

Tubos fluorescentes

Los gases sometidos a presiones bajas se ionizan fácilmente cuando son sometidos a diferencias de potencial elevadas. Con presiones de gas del orden de una centésima parte la de la atmósfera, todo el interior del tubo se ilumina vivamente debido a la ionización de los restos del gas. El proceso es debido a que la recombinación de electrones con los iones da lugar a transiciones radiativas en longitudes de onda (colores) que dependen de la estructura atómica del gas utilizado. Es muy frecuente emplear gases nobles monoatómicos, pero pueden emplearse gases moleculares como nitrógeno e incluso vapores de metales como el sodio o el mercurio. Todos estos componentes emiten en sus bandas características con mayor distribución en unas u otras bandas dependiendo de la tensión o energía con que se exciten. El neón, por ejemplo, produce una característica luz naranja, el argón una mezcla de verdes y azules, el mercurio una luz muy rica en verde, mientras que el sodio da una luz amarilla. Este fenómeno se aprovecha no sólo para construir los llamados anuncios de neón sino también para fabricar las lámparas de descarga de gas o tubos fluorescentes, tan utilizadas en la iluminación urbana, como son las de vapor de mercurio o sodio. Las lámparas que emplean xenón generan luz blanca muy brillante, utilizada en proyecciones cinematográficas e instrumentos científicos e industriales. Las que emplean hidrógeno se emplean preferentemente para generar luz ultravioleta. Los tubos fluorescentes aprovechan esta luminosidad, reforzada por capas de materiales fluorescentes -fósforos muy parecidos a los empleados en tubos de rayos catódicos y otras sales metálicas- colocados en las paredes interiores del tubo.

Detectores

La energía de los fotones emitidos en las transiciones electrónicas que dan lugar a los fenómenos luminiscentes depende solamente de la estructura atómica del compuesto que los emite, de forma que esta propiedad se emplea para detectar la presencia de determinados elementos y naturalizar compuestos. Las técnicas que se basan en esta propiedad reciben el nombre genérico de espectrofotometrías de fluorescencia y fosforescencia. De ellas, la de fluorescencia es la más utilizada, en particular para la detección de trazas de contaminantes en tecnologías de medio ambiente, en industrias y en el cuerpo humano, en particular porque los compuestos utilizados en fluorescencia permiten una mayor sensibilidad y mayor especificidad.

Detectores como los centelleadores utilizados en astronomía de rayos X, trabajan convirtiendo la energía procedente de los rayos X en luz visible. Esta conversión no es sino una forma de fosforescencia. La presentan materiales cristalinos cono NaI y CsI a los que se añaden impurezas de talio o sodio, oxosulfidos y fósforos de tierras raras. Otros materiales muy utilizados son plásticos y cristales de germanato de bismuto. Para estos usos es deseable que el fenómeno luminiscente sea de corta duración, pues ello aumenta la resolución del detector. El tiempo de desexcitación en materiales orgánicos se encuentra en torno a los microsegundos, y con los materiales plásticos pueden alcanzarse los nanosegundos.

Otros usos

Muchos detergentes y blanqueantes contienen sustancias luminiscentes en su composición. Estas sustancias se adhieren a los tejidos durante el lavado, absorben la radiación ultravioleta del sol y reemiten por fluorescencia en la zona del espectro correspondiente al azul, de forma que al actuar sobre un tejido blanco se elimina el efecto de amarilleo y se incrementa la sensación de blancura. También se utilizan en la fabricación de papel.

Temas relacionados

Átomo.
Monitor.
Dispositivos electrónicos de vacío.

Enlaces en Internet

http://www.core.lsumc.edu/phosp/phosp.htm; Fósforos que almacenan imágenes como posibles sustitutos a las placas fotográficas en radiografías.

http://www.phosphor.demon.co.uk/; Fósforos para tubos de televisión y otros equipos.

Bibliografía

BRANSDEN, B. H. y JOACHAIN, C. J.: Physics of atoms and molecules. Longman, Harlow, Essex, 1983.

LUMINISCENCIA

Fuente: Britannica

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