الإشعاع الضوئي أوالضيائية أوالتألق Luminescence هوانبعاث الضوء بطرق أخرى غير الحرارة. ويعهد انبعاث الضوء بوساطة الحرارة بالتوهج الحراري. والإشعاع الضوئي غالبًا، يضم الضوء المنظور. ويمكن حتى يشير أيضًا إلى الأشعة تحت الحمراء وأشكال أخرى من الإشعاع لا تُرى بالعين.

والضوء الصادر عن التألق لا يخضع إلى قانون كيرشوف التقليدي الذي يحدد مقدرة إصدار الجسم بدلالة درجة حرارته. ولإثارة التألق في جسم ما ينبغي تزويده بإحدى الطاقات، وعلى أساس من ذلك يمكن تمييز أنماط تألق مختلفة بحسب الطريقة المتبعة في إثارته.

تعريف

الإشعاع بالتألق هوالضوء الذي يصدره جسم درجة حرارته عادية، وهوفي صدوره عند درجة الحرارة العادية يختلف عن الضوء المرئي الذي يصدره جسم متوهج في درجة حرارة عالية مثل الخشب المحترق أوالحديد المصهور أوسلك المصباح المتوهج. وقد لوحظ إشعاع التألق منذ القدم فاتى ذكره في القصص والأغاني وبهرت الإنسان ألوانه الزاهية التي تصدرها أرومات الأشجار الرطبة وبعض الحشرات مثل اليراعة والدودة المضيئة.

أنواع التألق

التألّق الكهربائي

وهوينشأ عن تفريغ كهربائي في الغاز، ويستفاد منه في مصابيح الإشارة في الطرق البرية والمطارات وفي الأنابيب المتألقة المستخدمة في الإعلانات بألوان تختلف باختلاف الغاز: أحمر (النيون) وأزرق (بخار الزئبق) وضارب إلى البنفسجي (الأرغون). وتفيد ظاهرة التألق هذه في الكشف عن الغازات مهما كانت كمية الغاز زهيدة. يحدث التألّق الكهربائي في الأجسام الصلبة بإثارة وسط عازل (كهرنافذ)، ويستفاد من ذلك في خلق مصابيح تستعمل في إنارة لافتات الإشارات عامة وفي تنويرات النجدة وإشارات المرور خاصة. ويتكون المصباح، من علبة هي قاعدة المصباح وتحتوي على مسريين، أحدهما صفيحة معدنية والآخر لوح زجاجي مطلي بمادة ناقلة للكهرباء، وهذا اللوح يؤلف قابلة المصباح ومنه ينفذ الضوء المتألق نتيجة لتطبيق فرق كمون يتراوح بين 400-500 فولط على المسريين اللذين يحصران بينهما طبقة رقيقة عازلة بُعثر فيها الفسفور المتألق.

فمثلاً إذا طُبِّق فرق كمون عالٍ وكافٍ على المسريين في أنبوب گيسلر Geissler، وقع انفراغ في الغاز المخلخل الذي يملأ الأنبوب، ويُرى الإشعاع على أشده في الأنبوب الشعري.

ويمكن توليد هذا الانفراغ باستعمال أنبوب ليس له مسريان، وذلك بوضعه داخل وشيعة يحدث فيها انفراغُ دارة كهربائية مهتزة ذات ترددٍ عال. فالحقل الكهربائي يولد في الأيونات سرعة كافية لإثارة جزيئات الغاز.

وإذا طبِّق توتر عالٍ جداً على مسرييْ أنبوب غِيسْلر حدثت بينهما شرارة، وتولّد إشعاع ضوئي يتألف طيفه من الطيفين معاً: طيف مادة المسريين وطيف الغاز الذي يحيط بهما. إذا طريقة الإثارة هذه تحرِّر طاقة كبيرة جداً في زمن قصير جداً. كذلك فإن القوس الكهربائية، كالشرارة، ليست إلا انفراغاً كهربائياً، غير حتى المهبط (الكاتود) الحار جداً يُصدر قدراً كبيراً من الإلكترونات، مما ينجم عنه أنه يكفي فرق كمون صغير نسبياً لاستمرار عمل القوس، في حين يمكن حتى تكون شدة التيار كبيرة جداً.

وفي معظم الحالاتقد يكون طيف الضوء الصادر غير متصل. فإذا كان مؤلفاً من أشعة وحيدة اللون، كان الطيف خطياً تولّده ذرات عناصر مختلفة. وإذا كان للطيف مظهر سلسلة من العصائب bands المضيئة التي لها حد فاصل في أحد طرفيها ومتدرّجة عند الطرف الآخر، كان الطيف بشكل عصابة أوحزمة band spectrum، تولِّدها الجزيئات.

وعلى هذا إذا مُلئ أنبوب غيسلر بالآزوت تولّد طيف عصابة، إذ لا تكون الإثارة حينئذ كافية لتفكيك جزيء الآزوت. وباللقاء، يُلاحظ في الشرارة الكهربائية طيفٌ خطي يعود إلى ذرة الآزوت، لأن هذا النمط من الإثارة كافٍ لتفكيك الجزيء.

إن مقارنة طيف خطي لمادةٍ ما تولِّده شرارةٌ بطيفٍ خطي للمادة عينها تولِّده قوس كهربائية تُظهر أنهما يختلفان. ويعود ذلك إلى حتى طيف القوس تولّده ذرة معتدلة في حين تولّد طيف الشرارة ذرةٌ متأينة، وإن زيادة درجة الحرارة أوشدة الحقل الكهربائي تؤدي إلى زيادة في التأين. لذلكقد يكون طيف الجوار القريب من مسرى ساخن جداً لقوس كهربائية طيفاً شبيهاً بالطيف الذي تولِّده الشرارة، إذ إذا ذرات ذلك الجوار تكون متأينة.

التألّق الحراري

الـالق الحراري تصدره بعض الأجسام في درجة حرارة أدنى من الدرجة التي تثير توهجها كتألق الطباشير حين يُرش مسحوقها على سطح ساخن، وكالوميض الليلكي الذي تصدره بلورة Spath _ Fluor حين تسخن حتى درجة الاحمرار. التألّق البرودي: وسببه التبريد الشديد كتألق بعض البلورات عندما تغطس في الهواء السائل.

التألق بالاحتكاك

التألق بالاحتكاك triboluminescence وهويحدث عندما تُحكّ بترة من الخزف ببترة أخرى، أوعندما تُسحق بعض الأجسام كالطباشر والسكّر. وتألق حراري تصدره بعض الأجسام في درجة حرارة أدنى من الدرجة التي تتوهج فيها، يحدث ذلك حين يُرشّ مسحوق الطباشير على سطح ساخن. كذلك يرافق بعض التفاعلات الكيمياوية تألق يوصف بأنه كيمياوي، كما يحدث مثلاً في حالة تفسّخ بعض أنواع الخشب الرطبة، وفي استنارة بعض الحشرات كاليراعة والحباحب. وتتألق بعض المواد مصدرة ضوءاً إذا سقطت تحت تأثير حقل كهربائي شديد، وهذا هوالتألق الكهربي electro luminescence. وهناك بعض الأجسام إذا سقط عليها إشعاع كهرمغنطيسي أصدرت إشعاعات ذات أطوال موجية مختلفة، ويوصف هذا التألق بأنه ضوئي photoluminescence. والأنماط الأخرى للتألق توصف بما يشير على سبب التألق كالتألق الإشعاعي والتألق البلوري، وغيرهما.

إن أنماط التألق المتنوعة هذه يمكن تصنيفها من وجهة النظر الذرية أوالجزيئية في زمرتين: أولاهما توافق إشعاعاً سببه تصادمٌ بين الجسيمات: الإلكترونات أوالأيونات أوالجزيئات، التي تتسارع بتأثير حقل كهربائي أوازدياد في درجة الحرارة، أي مايسمى التألق الكهربي، والزمرة الثانية يصدر فيها الإشعاع بتأثير ضوءٍ يسقط على الجسم المشع أي مايسمى التألق الضوئي.

التألّق البلوري

كتألق بعض البلورات في أثناء تبلورها.

التألّق الإشعاعي

وهوتألق تولده الأشعة السينية. والجسيمات المتأينة (المتشاردة)، وأشعة غاما (γ). وإذا كان سبب التألق إلكترونات سريعة وصف التألق بأنه كاتودي (مهبطي)، ويستفاد منه في خلق أنابيب راسمات الاهتزاز Oscillographs وفي خلق شاشات التلفاز.

التألّق الكيميائي

وهويرافق بعض التفاعلات الكيميائية مثل تأكسد الفسفور تأكسداً بطيئاً في درجة الحرارة العادية وتفسخ الأخشاب القديمة أوالأسماك.

التألّق الحيوي

وهوتألق ناتج عن تفاعلات كيميائية تحدث في كائنات حية مثل تأكسد مادة تسمى لوسفرين Luciferin بوجود أنظيم يسمى لوسفراز Luciferase يعمل وسيطاً في التفاعل. وهناك أنواع عديدة من اللوسفرين في الحيوانات المتألقة مثل الحباحب أواليراع والجراثيم (فوتوبكتريوم) التي تنموعلى الأسماك الميتة واللحم الفاسد وديدان الأرض المضيئة، وتُصدر هذه الحيوانات عادة ضوءاً ذا لون واحد هوفي الغالب أزرق أوأخضر أوأصفر.

التألق الضوئي

الفسفرة والفلورة غالباً ما يُعتمد للتمييز بين أنماط التألق مدة استمرار إصداره بعد زوال المؤثر. فبعض المواد يستمر تألقها مدة طويلة نسبياً بعد انقطاع التأثير فيها وتوصف الظاهرة هذه بالفسفرة أوالتفسفر. أما إذا كان التألق يتم في أثناء التأثير فقط فتوصف الظاهرة بالفلورة أوالتفلور. ولكن التمييز بين الظاهرتين على هذا الأساس ليس في الحقيقة دقيقاً، إذ يتوقف على خواص المكشاف الذي يكشف التألق. فمكشاف الفلورة الدقيق يمكنه كشف تخلف التألق مدة من مرتبة 9-عشرة ثانية، وهذا ما تعجز العين عن كشفه. فالحكم بأن التألق فسفرة أوفلورة يعتمد على طريقة الكشف، غير أنه اصطُلح على حتى يوصف التألق بالفلورة إذا كان يزول بعد انقطاع التأثير خلال مدة تقل عن (8-عشرة ثانية).

كذلك فإن التفسفر لا يُشاهد إلا في الجوامد، بينما يُشاهد التفلور في الأجسام الجامدة والسائلة والغازية. هذا ويطلق على كلتا الظاهرتين معاً اسم التألق الضوئي.

إن أكثر الأجسام المتفسفرة شهرة هي كبريتات الزنك وكبريتات الكدميوم والزنك والكبريتات القلوية الترابية، وهي لا تتصف بالتفسفر حين تكون نقية جداً، وتكتسب هذه الخاصية إذا أُضيفت إليها منشِّطات هي كميات صغيرة جداً من عناصر معدنية. فمثلاً كبريت الزنك المنشَّط بالنحاس يُعطي تألقاً أخضر، أما إذا نُشِّط بالمنغنيز فيكون تألقه أصفر برتنطقياً أوبرتنطقياً محمراً بحسب مقدار المنغنيز المضاف. ويوجد في الأسواق أنواع من الكباريت إذا أُنيرت بالضوء الأبيض أوفوق البنفسجي تألقت تألقاً طويلة الأمد تختلف ألوانها بحسب هجريبها.

أما الأجسام المتفلورة فلا تُنشَّط وتتوقف عن التألق قليلاً أوكثيراً بحمل درجة الحرارة. ويمتص الجسم المتفلور الإشعاع الساقط عليه ثم يصدر مباشرة إشعاعاً آخر في مجالٍ من الأطوال الموجية أكبر طولاً وفقاً لقانون ستوكس Stokes. ويستفاد من هذا في تحويل الأشعة فوق البنفسجية القصيرة إلى ضوء مرئي ذي ألوان مختلفة واستخدام في صناعة المصابيح المتفلورة التي تعتمد على تألق الغازات وتألق الأجسام الصلبة معاً لتوليد ضوء مرئي، ويتألف المصباح من أنبوب زجاجي مملوء بمزيج من غاز الأرغون وبخار الزئبق تحت ضغط منخفض، ويُطلى السطح الداخلي بمسحوق متألق أوبمزيج من المساحيق المتألقة، ويُزوَّد المصباح بمسريين عند طرفي الأنبوب. فحين يحدث تفريغ كهربائي في الغاز بين المسريين تُثار ذرات الزئبق فتتألق وينجم عن ذلك إصدار ضوء مرئي وضوء فوق بنفسجي يثير تألقاً مرئياً عندما يسقط على الطلاء، ويُختار هذا الطلاء بحيثقد يكون مردوده الضوئي جيداً. وهوأكبر كثيراً من المردود الضوئي في المصابيح المتوهجة التي لا يمكن فيها اجتناب تحول قسم كبير من الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. وهناك مصابيح متفلورة تسمى مصابيح الضوء الأسود ، تُغطى بمسحوق متألق يُختار كي يصدر ضوءاً فوق بنفسجيا طول موجته 360 نانومتر عوضاً عن الضوء المرئي.

ولكي تصبح المادة ذات إشعاع ضوئي لابد حتى تتشبع إلكترونات الذرّات بالطاقة. وتتخلص الإلكترونات من الطاقة الزائدة بإطلاق الضوء. والطاقة المنتجة للضوء تأتي من مصادر متنوعة منها: التيار الكهربائي، الأشعة السينية، الأشعة فوق البنفسجية، ومن تفاعلات كيميائية معينة.

أما الضوء الذي يصدر عن اليراع، وبعض الكائنات الحية فيسمى التفسفر الأحيائي. ويسمى الإشعاع الذي يتوقف بمجرد إزالة مصدر الطاقة الفلورة. أما الإشعاع الضوئي الذي يستمر لحظات أوحتى أيامًا بعد إزالة مصدر الطاقة فيسمى وميضًا فسفوريًا.

عقارب الساعة وأرقامها وعلامات المطار والأجهزة الملاحية، الإشارات الإرشادية للطائراتقد يكونوا في الغالب تحت غطاء من مواد ضيائية، في عملية تسمى الإضائية luminising.

النظرية المبسَّطة لإشعاع التألق

إذا انتقل إلكترون في ذرةٍ ما من سويةٍ مثارةW1 إلى سوية أدنىW0، فإنه يصدر إشعاعاً يُعطى تردده (تواتره)v10 بالعلاقة:hv10=W1-W0. حيث يشير h على ثابت بِلانْك Planck ومقداره 6.624×10-34 جول ثانية.

ومن المعروف حتى في جميع ذرةٍ سويات مختلفة للإثارة تقابل الطبقات الإلكترونية المتنوعة في الذرة. وفي جميع انتنطق من سويةٍ إلى سوية أدنى يصدر إشعاع وحيد اللون، (انظر الشكل 3). أما في الجزيء، فإن الانتنطق من حالةٍ مثارة إلى السوية الدنيا الأساسية، يولّد عدداً غير منته من العصائب الطيفية، ذلك لأنه يضاف في هذه الحالة إلى تغيرات الطاقة في الذرات التغيراتُ المكمّمة quantised لطاقة النوى المهتزة حول وضع توازنها من جهة، وتغيرات طاقة دوران الجزيء من جهة أخرى.

إن كلاً من الذرة والجزيء لا يمكن حتى يوجد في حالة مثارة إذا لم يُزوَّد بالطاقة، وتُكتسب هذه الطاقة بنتيجة الاصطدام مع جسيْمٍ ما. إذا جسيْماتٍ كالذرات والأيونات والإلكترونات تمتلك بسبب حركتها طاقة حركية Ec قبل الاصطدام تختلف باختلاف سرعتها. فعند الاصطدام تُزوِّد هذه الجسيماتُ الذرّة بجزءٍ E من هذه الطاقة الحركية يقابل مثلاً الانتنطقَ من الحالة العادية W0 إلى الحلة المثارة W1، حيثقد يكون: E = W1-W0، ويتبقى لدى الجسيمات بعد الاصطدام طاقة تساوي Ec-E.

وباللقاء إذا كان الجسيم فوتونا تردده v، فإن طاقته التي تساوي hv تُمتَص دائماً امتصاصاً تاماً من قِبَل الذرة أوالجزْيء اللذين لايمكنهما حتى يمتَصا إلا الفوتونات التي تساوي طاقتُها بالضبط الطاقة اللازمة لنقْل أيٍ منهما إلى السوية المثارة.

ويمكن استعمال النتائج السابقة في تفسير التألق الكهربي كما يلي: إذا طُبِّق على مسريين فرق كمون V، فإن الإلكترون الواحد يتسارع ويكتسب طاقة حركية Ec= eV، حيث يشير e على شحنة الإلكترون وتساوي 1.60× 10-19 كولون. فإذا اصطدم هذا الإلكترون بذرةٍ أمكنه حتى يتخلى لها عن جزءٍ من طاقته الحركية يكفيها للانتنطق من السوية الأساسية إلى سوية مثارة. فمثلاً، يمكن لبخار الزئبق الوحيد الذرة حتى يُصدر شعاعاً طوله الموجيλ =0.2537 مكرون، توافق انتنطقاً يساوي: 7.83×10-19 جول وفق العلاقة:

حيث: c: سرعة الضوء في الخلاء، وتساوي 3×810 متر/ ثانية. وعلى هذا، لإثارة الذرة ينبغي تطبيق فرق كمون V ليكون: Ec= eV≥7.83×10-19 (جول). أي ينبغي تطبيق فرق كمون V يحقق الشرط: V ≥ 4.9 فولط.

ولتفسير التفلور يُستخدم مخطط سويات الطاقة من أجل جزيء ثنائي الذرة مثلاً؛ وذلك بالنظر في الحالة الإلكترونية الأساسية F والحالة المثارة E. إذا لكل من هاتين الحالتين سويات متعددة، إذ كما تجاوز القول، ينبغي حتى يُضاف إلى الطاقات الإلكترونية طاقات اهتزاز الجزيء. لتكن رموز هذه السويات: V0، V1، V2، … في الحالة F، ولتكن رموزها في الحالة:E 0/V، 1/V، 2/V، … ففي درجة الحرارة العاديةقد يكون الجزيء في الحالة الأساسية F، وفي سوية الاهتزاز الدنيا V0 فامتصاص الشعاع المثير ينقله إلى السوية المثارة E، ولتكن سوية الاهتزاز /V2. إذا العودة من هذه السوية إلى إحدى سويات الحالة F المحصورة بين V0وV1 يرافقها إصدار طيف تفلور، (الشكل 4ـ أ). ولكن قبل الهبوط إلى الحالة F، يمكن للجزيء حتى يفقد بالاصطدام بعضاً من طاقة اهتزازه بسبب الهيجان الحراري، وأن يصبح في الحالة 1/V، (الشكل 4ـ ب)، وحينئذ تكون الأشعة الصادرة موافقةً للانتنطقات من 1/V، إلى إحدى السويات V0 أوV1 أوV2، ويعتمد بقاء الذرة أوالجزيء في حالة مثارة على هذه السوية وعلى عوامل أخرى، وقد يمتد ذلك مدد زمنية طويلة نسبياً فيفسر التفسفر.

وإذا كانت طاقة الهيجان الحراري كبيرة، أمكن للجزيئات، على العكس مما سبق، حتى تنتقل من /V2 إلى /V3 قبل حتى تهبط إلى إحدى السويات V0 أوV1 أوV2 (الشكل أربعة ـ ج). في هذه الحالة،قد يكون الطول الموجي للشعاع الصادر أقصر من طول موجة الضوء المثير لأن الترددات المرافقة لهذه الانتنطقات أكبر من الترددات المرافقة المهيجة، وهذا يفسِّر الشذوذ عن قانون ستوكْس.

إن إشعاع التألق الناجم عن عودة الإلكترونات إلى الحالة الأساسية، يتم تلقائياً، وتكون الإشعاعات التلقائية، التي تصدرها مجموعة من الإلكترونات المثارة، مستقلة بعضها عن بعض، لذلك تكون إشعاعات التألق في هذه الحالة غير مترابطة incoherent، أي أنها لاتكون متفقة في الطور. غير أنه يمكن إصدار إشعاع التألق عن طريق إثارته بفوتونات لها تردد إشعاع التألق نفسه، فتحدُث انتنطقاتٌ مثارة تستعمل في اللازر[ر] الذي يولّد حزمة شديدة جداً من الضوء الوحيد اللون المترابطة coherent، أي حتى اهتزازاته تكون متفقة في الطور.

انظر أيضا

• قائمة مصادر الضوء
• إشعاع حراري
• إشعاع نووي
• أشعة تحت الحمراء
• أشعة فوق البنفسجية
• أشعة كونية
• العلاج بالأشعة
• فلورة
• تفلور

المصادر

المراجع

• منجد، وتربدار، وسمان، الفيزياء العامة والتجريبية (الضوء): الكتاب الثاني (مترجم عن الفرنسية، مطبوعات المجلس الأعلى للعلوم بدمشق 1974).
• ROGER BERNARD, “La Iuminescence”, Que sais- je (Presses Universitaires de France, Paris 1974).

وصلات خارجية

• Luminescence on Scienceworld
• Fluorophores.org The database of luminescent dyes
• Luminiscent microspheres