Luminescentie op MIRA


Wie MIRA heeft bezocht, zal zich herinneren dat op de tweede verdieping van de tentoonstellingsruimte een zogenaamd black light te vinden is. Hiermee kan je allerlei leuke lichteffecten bekomen, op je kledij bijvoorbeeld.

Wel, je ziet hier een vorm van luminescentie. Men spreekt ook van fluorescentie en fosforescentie. In wezen een gelijkaardig fenomeen; alleen is er een verschil in “nagloeitijd”. Bij fluorescentie is deze kort, wat wil zeggen dat het fenomeen verdwijnt na het verwijderen van de lichtbron, terwijl bij fosforescentie het object een tijd blijft licht geven na het doven van de invallende lichtbron.

 

Luminescentie.jpg

 

Een beetje fysica

Licht kan worden beschouwd als een elektromagnetische golf, maar in sommige gevallen kom je hiermee niet weg om fenomenen op de allerkleinste schaal te beschrijven. En dan gedraagt licht zich als een stroom van uiterst kleine elementaire deeltjes, fotonen genaamd.

Met deze dualiteit van golven en deeltjes betreden we het domein van de kwantummechanica, die stelt dat alle deeltjes zich onder bepaalde omstandigheden als golven gedragen en alle golven zich onder bepaalde omstandigheden als een stroom deeltjes gedragen. Dus voor elk wat wils…

Elk deeltje heeft een bepaalde energie E, uitgedrukt in joule [J] en een bepaalde frequentie, uitgedrukt in hertz [Hz]. Ter vergelijking staat bij geluid de frequentie als een maat voor de toonhoogte; voor licht zal ons oog de frequentie vertalen als een kleur: rood heeft een lage frequentie, geel en groen een hogere en blauw de hoogste frequentie van het zichtbare licht. Nu zijn de frequentie en de energie afhankelijk van elkaar: hoe hoger de frequentie, hoe hoger de energie. Blauwe lichtdeeltjes hebben dus meer energie dan rode.

Planck_0.jpg

 

Black light is een heel mooie illustratie van het deeltjeskarakter van licht

Het black light op MIRA is niets anders dan een tl-buis die ‘zacht’ ultraviolet licht uitstraalt met een  golflengte tussen 315 nm en 400 nm. Dus net over de rand van het zichtbare blauw. De uitgezonden energie is voldoende om luminescentie op te wekken.

Kwantum.jpg

Als een foton met voldoende energie (zoals een foton uit onze black light) een atoom raakt, slaat deze een elektron van dat atoom naar een baan met een hogere energie. Dit elektron valt weer terug naar zijn oude positie, maar in stapjes of kwanta. Daarbij komen fotonen vrij die een lagere energiewaarde hebben.

Bij de overgang van een hogere naar een lagere energietoestand, kan er licht worden uitgestraald. Dit gebeurt wanneer energierijke elektronen vanuit een aangeslagen toestand naar een baan met een lagere energie rond de atoomkern springen. De energie die hierbij vrijkomt, wordt door het elektron uitgezonden als een foton, dus als elektromagnetische straling. Afhankelijk van het energieverschil kan het zijn dat de uitgezonden straling binnen het golflengtebereik (van ca. 400 nm tot ca. 780 nm) van het voor de mens zichtbare licht ligt. In dat geval spreekt men van luminescentie.

 

EMS.jpg

 

Wat meer uitleg over ‘aangeslagen’ elektronen

Luminescentie wordt veroorzaakt doordat een deeltje (een elektron bijvoorbeeld) vanuit een aangeslagen toestand terugvalt naar de grondtoestand. Je zult je nu misschien afvragen wat een grondtoestand en een aangeslagen toestand precies zijn. Waarschijnlijk weet je wel dat de elektronen in een atoom zich in een bepaalde schil bevinden en dat naarmate je vordert in het periodiek systeem er steeds meer schillen gevuld worden. Dat laatste heeft een reden: de elektronen in een schil verder van de kern hebben een hogere energie dan die in een schil dichterbij de kern. In een atoom in de grondtoestand zitten de elektronen in de banen die de laagste energie hebben. Elektronen in een atoom kunnen worden aangeslagen, dat wil zeggen dat een elektron energie opneemt waardoor het naar een baan verder van de kern gaat. We zeggen dan dat het elektron zich in een aangeslagen toestand bevindt. Elektronen vinden het echter helemaal niet fijn om in een aangeslagen toestand te zitten. Ze zullen dan ook weer terug naar de grondtoestand willen. Bij deze terugval wordt energie uitgezonden. In het geval van luminescentie wordt de energie uitgezonden in de vorm van licht.

Atomen en moleculen kunnen op verschillende manieren worden aangeslagen. Een van de bekendste methoden is het aanslaan door het gebruik van licht oftewel fotoluminescentie. Een voorbeeld hiervan is ‘glow in the dark’ verf. Een andere mogelijkheid is een chemische reactie waarbij een van de producten in de aangeslagen toestand gevormd wordt. Dit heet chemoluminescentie en het wordt bijvoorbeeld gebruikt bij glowsticks. Bioluminescentie is een bijzondere vorm van chemoluminescentie. Hierbij vindt er in een organisme een reactie plaats waar licht bij vrijkomt. Glimwormpjes en vuurvliegjes zijn hier een voorbeeld van.

 

Fluorescentie.jpg

 

Het licht schijnt in de duisternis – een waaier aan toepassingen

Zo krijg je leuke en spectaculaire effecten als het materiaal bestraald wordt met uv-licht. Dat ultraviolet licht van de bron zie je niet rechtstreeks, maar door het eerder beschreven fenomeen van luminescentie kan dit ‘onzichtbare’ licht wel omgezet worden in fotonen met een lagere frequentie die je dan wel kan zien. Het lijkt dus alsof materialen in het donker plots uit zichzelf licht beginnen af te geven.
 

Dit is het geval bij een fluohesje bijvoorbeeld. Dat bevat stoffen die kunnen ‘luminesceren’. Deze stoffen gaan licht uitzenden als er uv-licht opvalt. Dit effect zie je ook bijvoorbeeld als een wit T-shirt oplicht onder een uv-lamp. Gewone (vooral witte) kledij kan inderdaad ‘stralen’ omdat de meeste wasproducten optische witmakers bevatten. Dat zijn aan het wasmiddel toegevoegde additieven die de eigenschap hebben om uv-licht om te zetten naar zichtbaar licht, steeds volgens hoger beschreven principe. Op die manier krijg je ook de indruk dat het gewassen hemd ‘witter dan wit’ is geworden.

 

20180614_104916.jpg
                                                                                                                                   Fluo-hesjes op MIRA

 

Witmaker.jpg

 

Tekst: Herman Schoups, 19-03-2020

Inspiratie werd gehaald uit: