Quântica com Experimentos: Fosforescência

Brinquedos que “brilham no escuro”, como adesivos de estrelas e planetas que são colados no teto do quarto são muito comuns. Mas como eles funcionam? 

No caso da fluorescência, é mais fácil de entender o processo. A molécula fluorescente absorve energia da luz incidente e emite luz de menor energia. Assim que desligamos a radiação incidente, a fluorescência deixa de acontecer e não vemos mais luz sendo emitida. 

Quando vemos um material emitindo luz espontaneamente, no escuro, sem estar mais recebendo energia, isso pode parecer um tanto estranho. De onde está vindo essa energia que está sendo emitida? Será que isso viola a conservação de energia? 

O que acontece não é nada parecido com um sistema que estivesse tirando energia do nada (até porque esse tipo de sistema é impossível). O que temos é um material no qual a energia está sendo armazenada, e é emitida lentamente após apagarmos a luz. Ou seja, quando a luz está acesa,  o material absorve energia e quando a apagamos, ele libera essa energia lentamente.  Esse processo é chamado de fosforescência.

De forma parecida com um material fluorescente, quando iluminamos o  material fosforescente os seus elétrons vão para um nível de energia mais alta. Esses materiais fosforescentes em geral são dopados (contém impurezas colocadas de propósito na sua estrutura), com íons metálicos como cobre e prata, entre outros. 

Podemos explicar a fosforescência em dois níveis de complexidade. De maneira mais simples, podemos dizer que quando  o elétron vai retornar para o estado de menor energia, ele passa para um estado intermediário, em que ele não consegue retornar imediatamente e emitir luz. Assim, ele fica preso em uma “armadilha” e a luz vai sendo liberada aos poucos, lentamente, à medida que cada armadilha solta seus elétrons. 

A maneira mais sofisticada de explicar este fenômeno tem a ver com o princípio de exclusão de Pauli. Esse princípio é aquele que diz que dois elétrons não podem ter os mesmos números quânticos ao mesmo tempo. Quando dois elétrons estão no mesmo orbital, por exemplo, no orbital 1s, eles terão os mesmos números quânticos, com exceção do número quântico de spin. Um dos elétrons terá o spin “para baixo” e o outro “para cima” (-1/2 e +1/2). Quando o elétron dá um salto para um nível de energia mais alto, o seu spin não muda. Assim, ele ainda pode voltar pro mesmo orbital 1s onde ele estava, pois ele tem o spin diferente do outro elétron que já está lá. Na fosforescência, no entanto, ocorre algo diferente. O elétron sofre um processo (chamado de cruzamento intersistema) em que o seu spin muda. Isso faz com que a transição de volta pro orbital onde ele estava agora se torne “proibida”, pois se o elétron voltar pra lá, ele violaria o princípio de exclusão de Pauli. O resultado disso é que esse retorno se torna mais complicado: o elétron precisa ganhar energia térmica para subir para outro nível, inverter seu spin e aí sim retornar para o nível fundamental, de menor energia.  Embora essa explicação seja um tanto fora do esperado para o nível médio, acredito que seja interessante conhecermos um pouco mais a fundo os fenômenos que explicamos para os alunos.