Fluorescenza e fosforescenza: i fenomeni di fotoluminescenza alla base dei fluo-party

I fluo-party, che hanno preso piede negli ultimi anni, sono feste suggestive in cui ci si diverte con musica, gadget fluorescenti e trucchi che si illuminano alla luce ultravioletta.

Fluo party
I fluo-party si svolgono al buio con delle lampade a ultravioletti per far risaltare gadget e trucchi colorati.

I fluo-party sono feste stravaganti in cui ci si agghinda con gadget e vernici luminescenti. Solitamente, i termini fosforescenza e fluorescenza vengono confusi ed usati in modo intercambiabile, ma dal punto di vista chimico non sono affatto uguali: differiscono infatti sia per il meccanismo che per la durata del processo.

La fotoluminescenza

La fotoluminescenza è un insieme di fenomeni di assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche (soprattutto negli spettri UV e visibile) e ri-emissione di fotoni in un intervallo di pochi nanosecondi. Fosforescenza e fluorescenza fanno parte di questa categoria: in entrambi i casi, gli elettroni a più basso livello energetico (detto stato fondamentale) di particolari atomi o molecole vengono eccitati dall’energia emessa dalle radiazioni ad una particolare lunghezza d’onda (λ). Questa eccitazione porta tali elettroni a compiere un salto verso uno stato a più alta energia (detto appunto eccitato), ma non perdura a lungo: infatti, essendo molto instabile, l’elettrone torna spontaneamente nel suo livello energetico originale liberando l’energia che aveva assorbito sotto forma di calore e fotoni.

Assorbimento radiazione
Semplificazione del fenomeno di assorbimento delle radiazioni da parte di un elettrone, che passa da uno stato fondamentale S0 ad uno eccitato S1.

Affinché l’elettrone possa assorbire la radiazione, questa deve possedere una precisa energia (direttamente proporzionale alla sua frequenza ν, e quindi inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda λ) che corrisponda al quanto di energia ΔE necessario per il salto dallo stato fondamentale S0 a quello eccitato S1. La luce del sole è composta da radiazioni con λ degli spettri ultravioletto, visibile e infrarosso, per cui è in grado di eccitare qualsiasi elettrone ed è responsabile sia della normale colorazione che di fluorescenza e fosforescenza.

Fosforescenza e fluorescenza non sono uguali!

La differenza tra i due fenomeni inizia al momento del rilascio dell’energia assorbita. Per la legge di conservazione dell’energia, tutta quella assorbita deve essere in qualche modo dispersa: la maggior parte viene convertita in calore, mentre il resto viene emesso sotto forma di fotoni. Nel caso della fosforescenza l’elettrone eccitato, prima di tornare allo stato fondamentale, passa in un livello intermedio detto tripletto tramite una conversione intersistema. Questo spiega perché questo tipo di luminescenza avviene con più ritardo e perdura a lungo, anche per ore, dopo l’assorbimento dell’energia. Nella fluorescenza invece si ha un passaggio diretto e veloce dallo stato eccitato a quello fondamentale tramite conversione interna da singoletto a singoletto. Entrambe le conversioni avvengono per rilascio di calore, e solo dopo si ha l’emissione di fotoni.

Meccanismo fotoluminescenza
I livelli energetici degli elettroni sono molti e vengono “utilizzati” in base alla quantità di energia che assorbono.

La reazione chimica dei lightstick

Strano a dirsi ma i lightstick sono braccialetti fluorescenti, nonostante siano capaci di illuminarsi per ore. Il loro principio di funzionamento è particolare e coinvolge energia chimica invece di quella delle radiazioni, per questo è più esatto dire che il processo è di chemioluminescenza (simile alla bioluminescenza di lucciole, funghi, batteri e altri organismi). Il tubicino di plastica contiene un estere, il difenil ossalato, e un pigmento fluorescente, mentre la fialetta di vetro interna contiene perossido di idrogeno, o più semplicemente acqua ossigenata. Rompendo il vetro, l’acqua ossigenata fuoriesce e reagisce con l’estere formando fenolo e 1,2-dioxetanedione (un perossiacido). Quest’ultimo, essendo instabile, subisce una reazione di decomposizione ad anidride carbonica, che avviene con rilascio di energia sotto forma di calore (la reazione è detta quindi esotermica). Questo calore viene assorbito dal pigmento fluorescente che a questo punto si illumina. La durata dell’effetto, che può far confondere quindi fluorescenza e fosforescenza, è dovuta alla lentezza delle due reazioni e al fatto che il calore (inavvertibile sulla pelle) venga rilasciato ed assorbito gradualmente per ore. Il diversi colori dei bracciali sono dovuti all’emissione di radiazione visibile su diverse lunghezze d’onda (da circa 400nm per il blu ai 700nm per il rosso) che dipendono dal tipo di pigmento fluorescente usato.

Reazione lighstick
La reazione chimica che avviene nei lightstick è leggermente esotermica e fornisce l’energia necessaria al colorante per dare fluorescenza continuamente per qualche ora.

Cristiano Monti

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