1. Luminescence
Le mot "lumineux" signifie essentiellement "qui émet de la lumière". La plupart des objets de notre monde émettent de la lumière parce qu'ils possèdent de l'énergie provenant du soleil, l'objet le plus lumineux que nous connaissions et que nous pouvons voir. Contrairement à la lune qui semble émettre de la lumière, mais qui ne fait que la refléter du soleil comme un miroir géant fait de roche.
Il existe trois formes principales de luminescence : la fluorescence, la phosphorescence et la chimiluminescence. Deux d'entre elles, à savoir la fluorescence et la phosphorescence, sont des formes de photoluminescence. La différence entre la photoluminescence et la chimiluminescence est que la réaction de luminescence est déclenchée par la lumière dans le cas de la photoluminescence, alors que dans le cas de la chimiluminescence, l'émission de lumière est déclenchée par une réaction chimique. La base des deux formes, la fluorescence et la phosphorescence, est la capacité d'une substance à absorber la lumière et à émettre cette lumière à une longueur d'onde plus grande, ce qui signifie une énergie plus faible, mais l'échelle de temps dans laquelle cela se produit est différente. Alors que dans les réactions fluorescentes, l'émission a lieu immédiatement et n'est visible que tant que la source lumineuse est allumée (par exemple, les lampes UV), dans les réactions phosphorescentes, le matériau peut stocker l'énergie absorbée et la libérer plus tard, ce qui produit une lueur résiduelle qui persiste après que la lumière a été éteinte. Ainsi, si elle disparaît immédiatement, il s'agit d'une fluorescence. Si elle persiste, c'est la phosphorescence. Et si elle nécessite une activation chimique, c'est la chimiluminescence.
À titre d'exemple, on peut imaginer une boîte de nuit où le tissu et les dents brillent sous la lumière noire (fluorescence), où le panneau des sorties de secours brille (phosphorescence) et où les bâtons lumineux brillent (chimiluminescence).
Mais comment cela fonctionne-t-il en détail ? Pour en savoir plus, consultez notre article principal sur la luminescence.
2. FLUORESCENCE
Les matériaux qui produisent instantanément de la lumière sont dits fluorescents. Les atomes qu'ils contiennent absorbent de l'énergie et deviennent "excités". En revenant à l'état normal en environ un cent millième de seconde (10-9 à 10-6 sec), ils libèrent l'énergie sous forme de minuscules particules de lumière appelées photons.
Techniquement parlant, la fluorescence est un mécanisme radiatif par lequel les électrons excités passent de l'état excité le plus bas (S1) à l'état fondamental (S0). Au cours de ce processus, l'électron perd un peu de son énergie par relaxation vibratoire, ce qui fait que le photon émis a une énergie plus faible et donc une longueur d'onde plus grande.
3. PHOSPHORESCENCE
Pour comprendre les différences entre la fluorescence et la phosphorescence, il faut faire un petit détour par le spin de l'électron. Le spin est une propriété fondamentale de l'électron et une forme de moment angulaire qui définit son comportement dans un champ électromagnétique. Le spin ne peut avoir qu'une valeur de ½ et une orientation vers le haut ou vers le bas. Le spin d'un électron est donc désigné par +½ ou -½, ou encore ↑ ou↓. Si les électrons se trouvent sur la même orbitale d'un atome, ils ont toujours un spin antiparallèle à l'état fondamental simple (S0). Lorsqu'il est promu dans un état excité, l'électron conserve son orientation de spin et un état excité singulet (S1) est formé, où les deux orientations de spin restent appariées comme antiparallèles. Tous les événements de relaxation dans la fluorescence sont neutres du point de vue du spin et l'orientation du spin de l'électron est maintenue à tout moment.
Il en va différemment pour la phosphorescence. Il s'agit de passages intersystèmes rapides (10-11 à 10-6 sec) d'un état excité singulet (S1) à un état excité triplet énergétiquement favorable (T1). Cela conduit à une inversion du spin de l'électron et ces états sont caractérisés par un spin parallèle des deux électrons et sont métastables. Ici, la relaxation se produit par phosphorescence, ce qui entraîne une nouvelle inversion du spin de l'électron et l'émission d'un photon. Le retour à l'état fondamental singulet détendu (S0) peut se produire après un délai plus long (de 10-3 à >100 secondes). Dans ce processus, plus d'énergie est consommée par des processus non radiatifs lors de la relaxation phosphorescente que lors de la fluorescence, ce qui entraîne une différence d'énergie plus importante entre le photon absorbé et le photon émis et donc un décalage plus important de la longueur d'onde.