Luminiscencia FÍS.

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Física

Generalidades. Se denomina l. a todo proceso de emisión de luz (v.) de origen no térmico. Dicha emisión resulta siempre característica de la sustancia emisora. Las temperaturas a que tiene lugar son generalmente bajas en contraposición al caso de la incandescencia, en que son elevadas.

Los procesos de l. tienen lugar por transformación de la sustancia luminiscente mediante agentes químicos o físicos. La energía necesaria para la producción del fenómeno aparece, en el primer caso, como consecuencia de reacciones químicas o cambios estructurales del compuesto. Así, p. ej., la débil luminosidad emitida por la variedad amarilla del fósforo se debe a un proceso de oxidación de esta sustancia. Sin embargo, el rendimiento en estos casos es bajo, en comparación con el de los debidos a agentes físicos. En este segundo grupo están incluidos los procesos más interesantes y de aplicaciones más fecundas. Nuestra atención se centrará fundamentalmente en las sustancias sólidas, que reciben el nombre de fósforos, si bien conviene recordar que el fenómeno ocurre igualmente en los otros dos estados de agregación. También debe señalarse que estos procesos no son exclusivos de la materia inanimada. En efecto, las luciérnagas constituyen un conocido ejemplo de bioluminiscencia (v.); la emisión, en este caso, es debida a la oxidación de una sustancia denominada luciferina que es sintetizada por las células de dichos insectos.

Cuando la emisión se realiza casi simultáneamente al proceso de excitación el fenómeno se denomina fluorescencia, mientras que recibe el nombre de fosforescencia si entre ambas etapas existe un lapso de tiempo apreciable (desde microsegundos hasta horas). En el primer caso el tiempo de activación del proceso, del orden de 10-$ seg., corresponde a la vida media de un estado atómico para una transición dipolar eléctrica.

Catodoluminiscencia. Recibe este nombre la excitación de los fósforos por electrones (v.) con lo cual se hacen visibles los impulsos eléctricos. Su importancia técnica es extraordinaria, ya que tienen aplicación en los tubos de rayos catódicos (televisión, etc.). Ejemplos de fósforos dotados de esta propiedad y con buenas características técnicas son: ZnS, CdS, ZnO, etc. Los colores de sus respectivas bandas de emisión se extienden a todo el espectro visible.

Fotoluminiscencia. Es la emisión luminosa de los fósforos excitados por radiación óptica (infrarroja, visible y ultravioleta). Generalmente, estos sólidos presentan bandas bien diferenciadas de absorción y emisión. La luz absorbida en una de las primeras es reemitida posteriormente con una longitud de onda mayor. Los tratamientos teóricos del problema han seguido dos líneas fundamentalmente distintas, según el material en cuestión fuese un compuesto de tipo iónico o bien poseyese un enlace de tipo covalente (V. ENLACES Químicos). En el primer caso, la fotoluminiscencia está íntimamente relacionada con la existencia de centros de color en los cristales iónicos (V. ESTADOS DE LA MATERIA II, 4). Estos centros, en cierto modo semejantes a un átomo de hidrógeno, poseen, al igual que éste, niveles básicos de energía y excitados. Mediante la absorción de energía luminosa pasan de un estado básico a uno excitado; al volver al estado básico emiten aquella energía en forma de luz de mayor longitud de onda, produciéndose así la l. Los procesos de absorción y emisión relacionados con la l. se explican mediante la introducción en el cálculo de una coordenada de configuración que describe la vibración de los iones que circundan al centro y los saltos entre los niveles cuantificados. En la obra de F. C. Broun (v. bibl.) puede encontrarse una adecuada descripción general de la teoría así como numerosas referencias bibliográficas para estudios más profundos.

En lo que se refiere a los compuestos covalentes, la explicación de la fotoluminiscencia es bien diferente. En efecto, en estos sólidos no existen centros de color ni otros defectos de carácter iónico. Para describir las propiedades de los mismos, se ha recurrido a la teoría de bandas de los semiconductores (v.), ya que eléctricamente se comportan como tales. De acuerdo con esta última, se postula la existencia de estados correspondientes a electrones "atrapados" y la aparición de la fotoluminiscencia se adscribe a la desexcitación de estos últimos.

Cuando los efectos de fotoluminiscencia son debidos a radiación incidente comprendida en la región de rayos X o rayos y, el fenómeno recibe el nombre de roentgenluminiscencia.

Termoluminiscencia. En este caso, la emisión de la radiación absorbida por el fósforo, no tiene lugar hasta que la sustancia recibe un tratamiento térmico a temperatura moderada. Podemos citar, como ejemplo, al corindón y ciertos rubíes, que tras recibir una dosis de radiación ultravioleta, son capaces de reemitirla en longitud de onda visible al ser calentados a unos 100° C.

Electroluminiscencia. Reciben este nombre los procesos de emisión luminosa de los fósforos por la acción de un campo eléctrico. En la mayor parte de los casos, este fenómeno es debido a la interacción entre los electrones energéticos, acelerados por el campo, y los centros activos libres existentes en el cristal. El material más representativo es el ZnS.

Triboluminiscencia. Con este nombre se designa el proceso de emisión de luz que llevan a cabo algunos sólidos al ser triturados o pulverizados. No se sabe con certeza si la triboluminiscencia es debida al propio proceso de pulverización o si tiene su origen en algunos de los efectos asociados. Así, p. ej., tanto la elevación de la temperatura durante el proceso mecánico como la introducción de enormes deformaciones plásticas en la red, con sus defectos estructurales asociados, podrían ser responsables del fenómeno. La triboluminiscencia aparece tanto en materiales específicamente luminiscentes como en otros que no presentan otro tipo de l., como el ácido tartárico.

Aplicaciones. Ya hemos mencionado la importancia de la catodoluminiscencia en la fabricación de diversos tipos de aparatos (televisión, osciloscopio, radar). La fotoluminiscencia tiene su aplicación más usual en la construcción de los denominados tubos fluorescentes, en los que la absorción se realiza en la zona ultravioleta correspondiente a la raya de 2.537 A del espectro del mercurio (gas sometido a la descarga). El problema estriba en encontrar un fósforo adecuado, que transforme esta radiación en luz visible del color requerido. Generalmente se emplea un halofosfato de calcio activado con antimonio (luz azul) y manganeso (luz naranja).

V. t.. ÁTOMO; IONIZACIÓN; LUZ; RADIACIÓN.

J. M. ROJO ALAMINOS.

BIBL.: F. C. BROWN, Física de los sólidos, Barcelona (en prensa); C. KITTEL, Introducción a la Física del estado sólido, Barcelona 1965; G. F. J. GARLIC, Luminiscent materials, Londres-Oxford 1949.