20. Fluorescência e fosforescência

Luz visível pode ser produzida por dois processos: incandescência e luminescência. O primeiro acontece, por exemplo, nas lâmpadas incandescentes e em brasas aquecidas na fogueira, em que a emissão de luz é devida ao aquecimento do filamento e do carvão. A luminescência compreende vários outros processos em que luz é emitida quando elétrons passam de um estado para outro de menor energia. Esse processo é mais eficiente que a incandescência pois não há tanta perda de energia por calor. São exemplos de luminescência a emissão de luz por bastões luminosos (quimiluminescência), por vagalumes (bioluminescência), por lâmpadas fluorescentes (fluorescência) e outros. Fluorescência Quando átomos de um material são excitados, eles retornam para o estado de mais baixa energia (estado fundamental) por meio da emissão de luz sob a forma de fótons. O processo em que os átomos decaem imediatamente para o estado fundamental depois de excitados por uma fonte de luz é chamado de fluorescência. Essa transição pode ser via estados intermediários em que os fótons emitidos têm menor energia que a dos fótons absorvidos. Nesse caso, a luz emitida tem maior comprimento de onda que a da excitação (veja figura). Materiais fluorescentes deixam de emitir luz logo depois que se desliga a fonte de radiação que promove as excitações. A fluorescência ocorre, por exemplo, nas lâmpadas fluorescentes. Nessas lâmpadas, por meio de uma corrente elétrica os átomos de mercúrio do interior do tubo são excitados e passam a emitir luz ultravioleta além de outros comprimentos de onda. A luz ultravioleta é absorvida por um composto (pó branco) que reveste internamente o tubo da lâmpada que, por sua vez, fluoresce e emite luz visível.	Um átomo absorve um fóton (linha azul) e passa do estado fundamental E0 para um estado excitado En. Ele decai para um estado intermediário Ei por um processo não radiativo (linha vermelha) ou por meio da emissão de um fóton e, depois, decai para o estado fundamental (linha laranja) emitindo um fóton. A emissão de luz nesse processo é chamada de fluorescência quando ocorre rapidamente (nanosegundos) ou, de fosforescência, quando ocorre lentamente (milissegundos até horas).
Fosforescência Ao contrário dos materiais fluorescentes, um material fosforescente continua a emitir luz mesmo depois de a excitação ter sido interrompida. Nessa emissão, chamada de fosforescência, a transição do estado excitado para o fundamental ocorre muito lentamente. Materiais fosforescentes são utilizados, por exemplo, nos interruptores de lâmpadas para facilitar sua localização no escuro e nas tintas usadas em sinalizadores.
Experimento 1 Fluorescência
Utilizando o espectroscópio, os estudantes devem analisar a luz emitida por uma lâmpada fluorescente. A linha ultravioleta é invisível, mas as outras linhas do espectro do mercúrio podem ser vistas superpostas ao espectro contínuo que é devido à fluorescência do composto (pó branco) que reveste o tubo internamente. Esse material faz parte de um conjunto de substâncias chamadas de fósforos, que luminescem quando excitadas (não confundir com o elemento químico fósforo).
Experimento 2 Fosforescência
Neste experimento, será utilizada a folha de material fosforescente fornecida com o kit. Essa folha contém sulfeto de zinco dopado com cobre que é uma substância fosforescente que, quando excitada, emite luz de coloração esverdeada. Em um ambiente de penumbra, cubra parte da folha fosforescente com sua mão ou outro objeto e, em seguida, exponha-a à uma fonte de luz branca e intensa durante cerca de trinta segundos. Pode ser a luz do Sol, de uma lâmpada fluorescente, da lanterna de LED ou do seu telefone celular. Depois, retire a mão de sobre a folha. A parte da folha que foi exposta à luz passa a emitir luz por fosforescência enquanto a parte que foi coberta pela mão não fosforesce porque não foi excitada. O que acontece se o objeto que cobre a folha for removido com a folha ainda iluminada pela fonte de luz? A lanterna de LED pode ser utilizada para "desenhar" sobre a folha de papel fosforescente. Faça movimentos rápidos com a luz focalizada sobre folha e, em seguida, desligue a lanterna. Observe o "desenho" persistente sobre a folha. Sugere-se que os estudantes pesquisem sobre outras substâncias fosforescentes e quais as aplicações atuais delas.
Experimento 3 Excitação da fosforescência em sulfeto de zinco
Neste experimento, os estudantes analisarão quais comprimentos de onda produzem fosforescência no sulfeto de zinco dopado com cobre (ZnS:Cu), que é a substância presente na folha de papel fosforescente. Para isso, essa folha deverá ser exposta à luz de diferentes cores. Isso pode ser feito colocando-se uma rede de difração ou um DVD na frente da lanterna de LED, como explicado no experimento de Difração da luz. Posicione a folha de papel fosforescente de forma que ela seja iluminada por todo o espectro. Em seguida, desligue a lanterna. Qual a região do espectro que produz fosforescência na folha? Por que luz com comprimento de onda menor que um determinado valor não produz fosforescência?
Experimento 4 Absorção da luz
Para produzir fosforescência, um material deve ser excitado com fótons que têm energia maior ou igual à dos fótons que são emitidos na fosforescência. Isso significa que se a luz que excita o material não tiver energia suficiente o material não fosforesce. A fosforescência do sulfeto de zinco presente no papel fosforescente desse kit produz uma luz esverdeada, portanto, para fosforescer ele deve ser excitado com luz de comprimento de onda menor que o da luz verde. Alguns materiais podem atuar como filtros de luz, ou seja, eles podem absorver determinados comprimentos de onda e transmitir outros. Por exemplo, um plástico transparente tem determinada cor porque absorve a luz de algumas cores e transmite outras que lhe dão aquela cor. Mas isso ocorre também para comprimentos de onda fora da faixa do visível. Por exemplo, o vidro comum de janela é transparente à luz visível, mas é opaco à luz ultravioleta. Neste experimento, a folha de papel fosforescente será utilizada para verificar a absorção da luz por alguns materiais. Em um ambiente de penumbra, coloque lâminas de diferentes materiais sobre a folha fosforescente e, em seguida, exponha-a à luz da lanterna de LED. Depois de desligar a lanterna, remova os materiais e observe quais partes do papel fosforesce. Podem ser utilizadas folhas de papel, pedaço de vidro comum de janela, diferentes tipos de plásticos (opacos e transparentes), etc. Quais as cores que cada material absorve e quais ele transmite?
A nossa percepção de cores está descrita nos experimentos sobre Cor. A absorção de cores por pigmentos utilizados em tintas pode ser verificada com o papel fosforescente. Em um ambiente de penumbra, coloque uma folha com os discos de cores vermelho, verde e azul sobre o papel fosforescente, como mostrado na figura. Depois, ilumine essas folhas com a lanterna de LED durante cerca de trinta segundos. Desligue a lanterna e remova a folha com os discos impressos. Quais as cores das regiões dos discos que produziram fosforescência? Lembre-se que, quando iluminada com luz branca, a região vermelha do disco reflete (e transmite) luz dessa cor e absorve os demais comprimentos de onda. O mesmo ocorre com as outras cores.