La fluorescenza è l'emissione di luce causata dall'eccitazione di elettroni da una molecola (o atomo), generalmente dall'assorbimento di un fotone immediatamente seguito da un'emissione spontanea . La fluorescenza e la fosforescenza sono due diverse forme di luminescenza che si differenziano in particolare per la durata dell'emissione dopo l'eccitazione: la fluorescenza cessa molto rapidamente mentre la fosforescenza dura più a lungo. La fluorescenza può essere utilizzata, tra le altre cose, per caratterizzare un materiale .
Una molecola fluorescente ( fluoroforo o fluorocromo ) ha la proprietà di assorbire l'energia luminosa (luce di eccitazione) e ripristinarla rapidamente sotto forma di luce fluorescente (luce di emissione). Una volta che l'energia del fotone è stata assorbita, la molecola è quindi generalmente in uno stato eccitato elettronicamente, spesso uno stato di singoletto , notato S 1 . Il ritorno allo stato fondamentale (anche singoletto e annotato S 0 ) può quindi essere effettuato in diversi modi: o per fluorescenza o per fosforescenza.
La fluorescenza è caratterizzata dall'emissione di un fotone molto rapidamente. Questa velocità è spiegata dal fatto che l'emissione rispetta una delle regole di selezione per l' emissione di fotoni della meccanica quantistica che è ΔS = 0, il che significa che la molecola rimane in uno stato di singoletto.
La fosforescenza è caratterizzata da una transizione da uno stato S = 0 a uno stato S = 1 (stato di tripletto indicato con T 1 ), che non è consentito dal modello quantistico, ma che è reso possibile dall'accoppiamento spin-orbita . Tuttavia, la transizione è più lenta da completare. Quindi segue un'emissione di fotoni per tornare allo stato fondamentale.
La luce riemessa dalla molecola eccitata durante la fluorescenza può essere della stessa lunghezza d'onda (fluorescenza di risonanza) o di lunghezza d'onda maggiore, o talvolta anche più corta (assorbimento di due fotoni). Nei mezzi liquidi in particolare, il fatto che la lunghezza d'onda di emissione dopo l'eccitazione sia maggiore è dovuto al fatto che la molecola ritorna allo stato fondamentale dal livello di vibrazione più basso dello stato eccitato (regola di Kasha). Questa differenza è chiamata spostamento di Stokes .
Questo spostamento nello spettro di emissione a lunghezze d'onda più elevate, descritto dallo spostamento di Stokes, facilita notevolmente la separazione e il rilevamento della luce fluorescente, un segnale specifico fornito dal fluoroforo.
Esiste un'ampia selezione di fluorocromi, ognuno dei quali può essere caratterizzato dai suoi spettri di eccitazione ed emissione.
Il principio della fluorescenza viene utilizzato, tra l'altro, nei microscopi confocali a scansione laser , nei microscopi a fluorescenza e negli spettrofluorometri .
Il fenomeno della fluorescenza non si limita all'emissione nello spettro visibile, ma riguarda tutto il range dello spettro elettromagnetico, in particolare l'emissione di raggi X ( fluorescenza X ).
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Molti casi di fluorescenza si osservano in natura, sono generalmente visibili alla luce UV . Tali casi sono noti, tra l'altro, in funghi, frutti come banane , piante contenenti chinino come Cinchona officinalis , artropodi come scorpioni , mammiferi come Didelphidae . Recentemente, grazie a ricercatori sudamericani, è stato osservato un fenomeno di fluorescenza in un anfibio . Una piccola raganella di colore verde chiaro con alcuni piccoli punti sul dorso, che si illumina di verde neon sotto la luce ultravioletta.
Fungo sotto UVA .
Un odore in mare aperto alla luce del giorno e ai raggi UV.
Il chinino contenuto in alcune bevande analcoliche conferisce loro una fluorescenza visibile sotto i raggi UV.
Banane alla luce del giorno e ai raggi UV.
Le diverse caratteristiche dei fluorofori sono:
Poiché la fluorescenza generalmente provoca l'emissione di luce visibile da una fonte di energia invisibile ( ultravioletto ), gli oggetti fluorescenti appaiono più luminosi degli oggetti della stessa tonalità, ma non fluorescenti. Questa proprietà è utilizzata da indumenti ad alta visibilità e da vernici anticollisione arancioni che, ad esempio, vengono verniciate su alcune parti di aeroplani , ma anche per semplici fini estetici (abbigliamento, ecc.).
La fluorescenza viene utilizzata anche nel caso della luce nera , una sorgente luminosa composta principalmente da raggi ultravioletti vicini, che fa risaltare i bianchi e gli oggetti fluorescenti quando emessi nella semioscurità, al fine di creare un'atmosfera speciale.
La fluorescenza viene utilizzata anche con i raggi X :
La fluorescenza viene utilizzata anche in altre tecniche di imaging medico come la tomografia ottica diffusa dove possono recuperare Fluoruri presenti nel tessuto biologico.
Gli evidenziatori depositati sulla carta e un inchiostro fluorescente visibile resistente alla luce senza oscurare il testo stesso.
Anche la tecnica di rilevamento del mercurio o del piombo mediante fluoroionofori selettivi è un'applicazione della fluorescenza.
Il tubo fluorescente (nome ufficiale: tubo fluorescente ) è un'altra applicazione ben nota. Questi tubi sono utilizzati principalmente per l' illuminazione industriale e talvolta domestica (chiamati per errore "neon": perché il gas al neon emette luce rossa). Contengono gas, molto spesso vapori di mercurio a bassa pressione o argon, che emettono luce ultravioletta invisibile quando ionizzati. La parete interna è ricoperta da una miscela di polveri fluorescenti, che trasforma questa luce nel campo del visibile, che si avvicina al bianco. Questi tubi offrono una resa elettrica molto migliore di una lampada ad incandescenza , ovvero emettono più lumen per watt consumato e, quindi, riscaldano molto meno. Oggi la forma può cambiare e l' elettronica che le controlla permette prestazioni ancora migliori. Si trovano così le cosiddette lampade a risparmio energetico che sostituiscono vantaggiosamente le lampade ad incandescenza (tuttavia il loro riciclaggio a fine vita è complesso e costoso).
La clorofilla ha , come tutti i pigmenti, è fluorescente. La misurazione della fluorescenza della clorofilla a , emessa da una pianta o da un organismo fotosintetico in generale, è un potente strumento per misurare l'assorbimento della luce e il funzionamento della fotosintesi.
Alcuni biotest , come Luminotox , utilizzano la fluorescenza fotosintetica come misura indiretta della tossicità per un organismo fotosintetico . La diminuzione della fluorescenza della clorofilla è un segno della diminuzione della fotosintesi e quindi dell'effetto di un inquinante sull'organismo.