Fluorescenza e fosforescenza: differenze e applicazioni

Fluorescenza e fosforescenza sono i due modi in cui una molecola eccitata dalla luce restituisce energia emettendo luce. Sembrano simili, ma differiscono in modo profondo: la fluorescenza è rapidissima e cessa appena si spegne la sorgente, la fosforescenza è lenta e può continuare per secondi o minuti dopo il buio, come negli oggetti «che brillano al buio». La differenza nasce dallo spin degli elettroni.

Vediamo da quali stati provengono le due emissioni, perché hanno durate così diverse, che cos’è lo spostamento di Stokes e quali sono le numerose applicazioni pratiche.

Due emissioni, due origini

La fluorescenza è l’emissione di luce da uno stato eccitato di singoletto, in cui gli spin restano appaiati: la transizione verso lo stato fondamentale è «permessa» e quindi avviene molto in fretta. La fosforescenza proviene invece da uno stato di tripletto, in cui uno spin è invertito: per tornare allo stato fondamentale serve invertirlo di nuovo, una transizione «proibita» e perciò molto più lenta. È questa la radice di tutte le loro differenze.

Perché durate così diverse

La conseguenza più vistosa riguarda i tempi. La fluorescenza dura tipicamente miliardesimi di secondo: si spegne praticamente nell’istante in cui si toglie la luce. La fosforescenza, dovendo passare per una transizione proibita, può durare da millisecondi fino a secondi o addirittura minuti. È il motivo per cui i materiali fosforescenti continuano a emettere luce a lungo dopo essere stati illuminati, mentre quelli fluorescenti si spengono subito.

fluorescenza: durata ≈ 10⁻⁹–10⁻⁷ s (da singoletto)  |  fosforescenza: da 10⁻³ s fino a secondi/minuti (da tripletto)

Lo spostamento di Stokes

Un’altra caratteristica importante è che la luce emessa ha quasi sempre una lunghezza d’onda maggiore (energia minore) di quella assorbita: è lo spostamento di Stokes. La ragione è che, prima di emettere, la molecola perde una parte dell’energia assorbita attraverso processi non radiativi come il rilassamento vibrazionale. Lo spostamento di Stokes è prezioso in pratica, perché permette di separare la luce di emissione da quella di eccitazione e di osservare il debole segnale emesso.

Le applicazioni della fluorescenza

La fluorescenza è ovunque. In biologia e in medicina si usano marcatori fluorescenti per illuminare cellule, proteine e acidi nucleici, e la microscopia a fluorescenza permette di vedere strutture altrimenti invisibili. Le lampade fluorescenti, gli inchiostri di sicurezza su banconote e documenti, i traccianti per rivelare perdite o flussi sfruttano tutti l’emissione rapida e intensa di luce. La grande sensibilità del metodo consente di rivelare quantità minime di sostanza.

Le applicazioni della fosforescenza

La fosforescenza trova impiego dove serve un’emissione prolungata: segnaletica di emergenza e di sicurezza che resta visibile al buio, indicazioni delle vie di fuga, quadranti e interruttori luminescenti, materiali decorativi «che brillano al buio». In questi casi il fatto che lo stato di tripletto sopravviva a lungo, lentamente emettendo, è esattamente la proprietà desiderata: la luce continua quando l’illuminazione viene a mancare.

Quadro d’insieme

Fluorescenza e fosforescenza emettono luce rispettivamente da stati di singoletto e di tripletto: la prima è rapida e cessa subito, la seconda è lenta e persiste. Lo spostamento di Stokes sposta l’emissione verso lunghezze d’onda maggiori. Le applicazioni vanno dai marcatori e dall’analisi (fluorescenza) alla segnaletica al buio (fosforescenza).

Domande frequenti

Qual è la differenza tra fluorescenza e fosforescenza?

Entrambe sono emissioni di luce da una molecola eccitata, ma provengono da stati diversi: la fluorescenza da uno stato di singoletto, con una transizione permessa e quindi rapidissima, la fosforescenza da uno stato di tripletto, con una transizione proibita e perciò lenta. La conseguenza pratica è netta: la fluorescenza cessa appena si spegne la luce, la fosforescenza continua per secondi o minuti, dando l’effetto «brilla al buio».

Perché la fosforescenza dura così a lungo?

Perché ha origine da uno stato di tripletto, e per tornare allo stato fondamentale richiede di invertire di nuovo lo spin di un elettrone: è una transizione proibita dalle regole di spin e quindi molto lenta. La molecola resta intrappolata nello stato di tripletto a lungo prima di riuscire a emettere, ed è proprio questa lentezza a produrre l’emissione prolungata che osserviamo nei materiali fosforescenti dopo l’illuminazione.

Che cos’è lo spostamento di Stokes?

È il fatto che la luce emessa per fluorescenza o fosforescenza ha quasi sempre una lunghezza d’onda maggiore, e quindi un’energia minore, di quella assorbita. Ciò accade perché, prima di emettere, la molecola perde parte dell’energia assorbita attraverso processi non radiativi come il rilassamento vibrazionale. Lo spostamento è utile in pratica, perché consente di distinguere e separare la luce emessa da quella usata per eccitare il campione.

A che cosa serve la fluorescenza nella pratica?

A moltissime cose. In biologia e medicina si usano marcatori fluorescenti per evidenziare cellule, proteine e acidi nucleici, e la microscopia a fluorescenza rende visibili strutture altrimenti nascoste. Inoltre la fluorescenza è impiegata nelle lampade, negli inchiostri di sicurezza, nei traccianti per individuare perdite. La sua grande sensibilità permette di rivelare quantità piccolissime di sostanza dal segnale luminoso che emette.

Dove si usa la fosforescenza?

Soprattutto dove serve un’emissione che continui nel tempo: la segnaletica di emergenza e di sicurezza che resta visibile al buio, le indicazioni delle vie di fuga, i quadranti e gli interruttori luminescenti, i materiali decorativi che brillano al buio. In questi impieghi la lunga durata dell’emissione, dovuta alla sopravvivenza dello stato di tripletto, è proprio la caratteristica desiderata, perché la luce permane quando manca l’illuminazione.