1) Od světlušek ke svítícím tyčinkám

 

Prozkoumejte „studené světlo“, které nás provází skoro na každém kroku

Pavel Teplý, Luděk Míka

 

Světlo může vznikat různými způsoby. Jedním z nejběžnějších je zahřátí objektu na dostatečně vysokou teplotu. Příkladem je třeba Slunce (které má na povrchu několik tisíc stupňů Celsia), vlákno obyčejné žárovky nebo plamen svíčky. Spolu se světlem se zde uvolňuje rovněž velké množství tepla. Ale existuje i jiný způsob – luminiscence. Na rozdíl od žárovky či svíčky není v případě luminiscence nutné zdroj světla ohřívat. Světlo je vyzařováno i za nízkých teplot, a navíc při tom nevzniká téměř žádné teplo.

Důležitou odlišností je, že horké předměty vydávají jen žlutooranžové nebo bílé světlo. (Žárovičky na vánočním stromku mají okolo žhnoucího vlákna barevné sklo, které jejich světlu propůjčuje kýženou barvu.) Zato luminiscenční barviva mohou zářit prakticky jakoukoli barvou.

 

Studené světlo

Mnoho materiálů kolem nás dokáže za jistých okolností „svítit“ neboli luminiskovat. Svítí bílé oblečení na diskotékách, svítící tyčinky, doklady či bankovky pod ultrafialovou lampou, světlušky v létě, různí mořští živočichové a našli bychom řadu dalších příkladů.

K vyvolání luminiscence potřebujeme dvě věci. Za prvé musíme mít takzvaný luminofor – látku, která může za určitých podmínek svítit. Druhou nezbytnost představuje energie. Podstatou celého jevu je totiž dodání energie luminoforu, který ji přemění na viditelné záření.

Luminiscence se dá jednoduše vysvětlit pomocí kvantové fyziky. Když poskytneme luminoforu energii, přeskočí v něm elektrony na vyšší energetickou hladinu (odborně říkáme, že se excitují). Na této hladině ovšem nemohou zůstat, a proto se vrací na původní čili základní hladinu. Při návratu elektronu se uvolní energie ve formě viditelného záření, tedy světla o určité barvě. Tento proces však není dokonalý – energie vyzařovaného světla je vždy menší než energie, kterou jsme luminoforu dodali.

 

Mnoho podob luminiscence

Luminiscenci dělíme na několik typů podle toho, jaká forma energie se při ní přeměňuje na světlo. V první řadě může jít o samotné světlo. Mnohdy však nestačí viditelné světlo, ale je nutné použít ultrafialové (UV) záření, které má vyšší energii. Luminiscence vyvolaná světlem či UV zářením se označuje jako fotoluminiscence. Pokud energii dodáváme prostřednictvím chemické reakce, mluvíme o chemiluminiscenci. Jejím nejznámějším případem jsou svítící tyčinky. Probíhá-li příslušná chemická reakce uvnitř nějakého živého organizmu, používáme termín bioluminiscence. Méně obvyklá je mechanoluminiscence, při níž světlo vzniká mechanickou deformací látky – například při rozlepování obálky nebo při drcení krystalů některých sloučenin.

Pojďme se teď na jednotlivé druhy luminiscence podívat podrobněji.

 

Fluorescence a fosforescence: bankovky i jízdenky

Při fotoluminiscenci dodáváme energii ve formě světla nebo obecněji elektromagnetického záření. Nastává zde velmi zajímavá situace, kdy se záření jedné vlnové délky (obvykle UV) přemění na světlo jiné (delší) vlnové délky. Pěkným příkladem je tonik. Pokud na něj posvítíme neviditelným ultrafialovým zářením, začne vydávat krásné, světle modré viditelné světlo. Příčinou luminiscence toniku je chinin, který tomuto nápoji dodává hořkou chuť.

Fotoluminiscence se dělí podle doby trvání na fluorescenci a fosforescenci. Zatímco fluorescence ustává prakticky ve stejném okamžiku, kdy přestaneme dodávat energii, fosforescence může přetrvávat i desítky minut po vypnutí zdroje světla.

Fluorescence má obrovské praktické využití. Fluorescenční látky najdeme v reflexních vestách v autech, které nás chrání před přehlédnutím jinými řidiči. Prací prášky obsahují látky nazývané optické zjasňovače, jež vykazují fluorescenci a dokážou přeměnit ultrafialovou složku slunečního záření na jasně bílé světlo. To je důvod, proč se nám čerstvě vyprané bílé prádlo zdá na slunci (či pod UV lampou) bělejší. Díky optickým zjasňovačům je ale bělejší třeba i kancelářský papír.

Na stejném principu jsou založeny zvýrazňovače, které ovšem využívají jiné luminofory než prací prášky a díky tomu mohou být různě barevné. Bez fluorescence by nesvítily ani zářivky – jejich součástí je luminofor, přeměňující UV záření vznikající v zářivce na viditelné bílé světlo. Fluorescenční ochranné prvky také chrání bankovky, jízdenky MHD či osobní doklady před paděláním. Fluorescence je velmi častá i u přírodních látek. Mezi známé přírodní luminofory patří zelené chlorofyly rostlin (svítí červeně), některé bílkoviny (elastin, kolagen), kurkumin v kari, berberin ve vlaštovičníku, vitaminy (A, B, D) a mnoho dalších.

S fosforescencí se běžně setkáváme třeba u štítků označujících nouzové východy. Pokud takový štítek krátce osvítíme UV zářením, můžeme podle typu pozorovat až několik desítek minut dlouhou luminiscenci. Fosforescenci využívají rovněž běžně prodávané předměty „svítící ve tmě“.

 

Chemiluminiscence: svítící tyčinky

Mnoho chemických reakcí produkuje energii. Ta se většinou uvolňuje jako teplo. Existují ovšem i reakce uvolňující energii ve formě, kterou dokáže vhodný luminofor jednoduše převést na světlo. Nejběžnějším příkladem z praxe jsou svítící tyčinky. Tyčinka se skládá ze dvou nádobek. Vnitřní je skleněná; obsahuje luminofor a jednu výchozí látku pro chemickou reakci (jde o složitou organickou sloučeninu nazývanou TCPO). Vnější nádobka obaluje tu vnitřní, je plastová a obsahuje peroxid vodíku. Vtip spočívá v tom, že tyčinka se rozsvítí až v okamžiku, kdy luminofor dostane přísun energie – k čemuž dojde po ohnutí tyčinky. Ohnutím totiž rozlomíme sklo vnitřní nádobky. Dosud oddělené látky se smíchají, nastane chemická reakce TCPO s peroxidem vodíku, uvolní se energie a luminofor ji převede na viditelné světlo:

výchozí látky → produkty + energie

luminofor + energie → luminofor + viditelné světlo

Barva světla už pak závisí na konkrétním luminoforu, který je v tyčince obsažen. Luminiscence trvá tak dlouho, dokud vzniká energie, jinými slovy dokud probíhá chemická reakce. Svítící tyčinky slouží jako efektní osvětlení především v prostorách, kde nelze použít otevřený oheň.

Jiná chemiluminiscenční reakce pomáhá kriminalistům. Pokud vyšetřovatel zjišťuje, zda jsou na místě činu stopy krve, použije obvykle roztok luminolu. K luminiscenci dochází při jednoduché oxidaci luminolu – ta ovšem probíhá, jen pokud je přítomen katalyzátor. Katalyzátorem jsou například ionty železa obsažené v červeném krevním barvivu hemoglobinu. Kontakt luminolu s krví proto vede k intenzivní modré luminiscenci. Pro detektivy ale představuje nepříjemnou komplikaci skutečnost, že oxidaci mohou katalyzovat i ionty jiných kovů (třeba mědi), nebo dokonce běžné úklidové prostředky.

 

Bioluminiscence: světlušky a medúzy

Látky potřebné pro chemiluminiscenční reakce nemusejí pocházet jen z vědeckých laboratoří. Také některé živé organismy se naučily vyrábět sloučeniny, jež při svém rozkladu produkují světlo. Nacházíme je mimo jiné u medúz, hlubokomořských ryb, světlušek, a dokonce i plísní nebo dřevokazných hub. Princip této takzvané bioluminiscence je úplně stejný jako v případě chemiluminiscence, jen látky vstupující do reakcí jsou odlišné. Například u světlušek jde o molekulu pojmenovanou luciferin, která reaguje s kyslíkem za přítomnosti enzymu luciferázy. Na rozdíl od svítících tyčinek však dokážou světlušky kontrolovat, kdy budou svítit a kdy ne.

 

Méně známé typy luminiscence: obálky a minerály

Pozoruhodným způsobem vzniká světlo při mechanoluminiscenci. Když na nějakou látku (většinou na krystal) působíme tlakem či tahem, narušíme její vnitřní strukturu. Chemické vazby mezi atomy praskají a uvolňuje se energie. To není nic zvláštního – energie se uvolňuje při zániku všech vazeb. Úžasné ovšem je, že existují látky, které ji vydávají ve formě světla! Můžete se o tom snadno přesvědčit. Některé dopisní obálky totiž při rozlepování modře světélkují. Musíte ovšem použít správné „samolepící“ obálky a musíte je otevírat potmě.

Poměrně kuriózním typem luminiscence je termoluminiscence neboli uvolňování světla při zahřívání. Typickým příkladem je minerál fluorit (chemicky fluorid vápenatý), který po zahřátí krásně fialově luminiskuje. Vysvětlení je stejné jako v případě mechanoluminiscence. Zvýšení teploty poruší krystalovou mřížku nerostu a uvolněná energie se projeví jako viditelné světlo.

 

 

 

Publikováno s laskavým svolením www.prirodovedci.cz

Všechna práva vyhrazena © 2015 FAWOO TECH CZ s.r.o.