Phosphorescence: Phénomène physique

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La phosphorescence est le phénomène observé lorsqu'une matière continue à émettre de la lumière après avoir été éclairée. Le terme signifie approximativement illuminer comme le phosphore. Le phosphore blanc donne en effet de la lumière dans le noir, mais dans cette matière ce sont des réactions d'oxydation (chimiluminescence) qui en sont la cause. Phosphorescence et fluorescence sont deux formes différentes de luminescence.

Le phénomène de phosphorescence proprement dit est dû, lui, à une autre réaction : il s'agit d'une suite de pertes d'énergie par des électrons qui ont été excités et qui retournent à des niveaux d'énergie plus bas. Le fait que cela se passe lentement relève du domaine de la mécanique quantique.

Des matières phosphorescentes comme les aluminates de terres rares sont utilisées pour peindre les aiguilles de certains réveils ou montres, ainsi que dans la fabrication de jouets lumineux.

 

Une molécule possède la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse (lumière d'excitation) si cette lumière apporte l'énergie correspondant à une transition électronique, vibrationnelle ou rotationnelle. Une fois l'énergie du photon absorbée, et si celle-ci est suffisante pour faire une transition électronique, la molécule va se trouver dans un état électroniquement excité, souvent un état singulet pour les molécules organiques, que l'on note « S1 », l'état fondamental étant noté « S0 ». Le retour à l'état fondamental S0 peut alors se faire de différentes manières : soit de manière radiative (par phosphorescence et/ou fluorescence), soit de manière non radiative (par vibration principalement).

La fluorescence est caractérisée par l'émission d'un photon de manière très rapide. Cette rapidité s'explique par le fait que l'émission respecte une des règles de sélection de l'émission de photons de la mécanique quantique qui est ΔS=0, ce qui signifie que la molécule reste dans le même état de spin.

La phosphorescence quant à elle est une transition radiative entre deux états de spins différents. Après absorption du photon, la molécule se trouve dans un état de spin identique à celui de l'état fondamental. Une conversion inter-système peut avoir lieu et l'électron passe de l'état S1 à un autre état de spin plus élevé (généralement un triplet noté T1) qui est plus bas en énergie que cet état S1 d'après la règle de Hund. La transition radiative est normalement interdite entre deux états de spin différents mais elle a tout de même lieu mais à un temps plus long que la fluorescence. L'excitation thermique vers l'état S0 lui fait émettre de la lumière de façon différée, dépendant de la température. Plus elle est élevée, plus la lumière sera réémise rapidement.

Certaines montres fabriquées dans la première moitié du XX^e siècle utilisaient des traces de radium pour exciter en permanence la peinture phosphorescente (à base de sulfure de zinc ZnS) de leurs aiguilles (radioluminescence).

Cette pratique dangereuse (en particulier pour ceux qui travaillaient à leur fabrication) a été abandonnée tout d'abord en remplaçant le radium par du tritium beaucoup moins dangereux puis au profit de peintures à base d'aluminate de strontium (SrAl₂O₄) dopé par un mélange de terres rares, ces peintures ayant une rémanence et une luminosité beaucoup plus élevées.

• Pigments phosphorescents - comparaison entre ZnS et SrAl
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  Poudre de ZnS et de SrAl.
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  Pigments dans l'obscurité.
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  Pigments dans l'obscurité après 4 min.