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La luz sin llamas: breve historia de la luminiscencia
Bruno Henríquez, 18 de noviembre de 2008

Para investigar la verdad es preciso dudar, en cuanto sea posible, de todas las cosas.

René Descartes

Entre los fenómenos luminosos han despertado interés aquellos que desprenden luz sin desprender calor, o que lo hacen sin una causa aparente y no como un incendio, una hoguera o el paso de una corriente eléctrica.

Desde tiempos inmemoriales se conocían sustancias y animales que resplandecían en las sombras, por lo que despertaban la curiosidad y las supersticiones.

Calcita: Mineral fluorescente al que se le ha hecho incidir rayos ultravioletas (UV) de onda corta.

Las primeras referencias escritas a las luciérnagas y gusanos luminiscentes aparecen en las crónicas chinas Shih Ching (Libro de las Odas) en el período de 1500 a 1000 a.C.
Aristóteles (384-322 a.C.) en Grecia, observó la luz emitida por los peces en descomposición y lo registró en De Coloribus: “…algunas cosas no arden por su naturaleza, ni tienen fuego de ningún tipo, aún así parecen producir luz”.

También el avistamiento de luminosidad en los mares tropicales dio lugar a extrañas leyendas y su reporte era tomado por falacias. Cristóbal Colón en su primer viaje reportó haber visto esas luces “... y era como una candelita de cera que se alzaba y levantaba, lo cual a pocos le parecía ser indicio de tierra, pero el Almirante tuvo por cierto estar junto a tierra...”.

En 1565, el español Nicolás Monarde escribió acerca del extraordinario color azul intenso de un extracto acuoso de la madera llamada lignum nephrilicum. Esa misma solución fue estudiada 90 años más tarde por Athanasius Kircher en Alemania, Francisco Grimaldi en Italia, Robert Boyle e Isaac Newton en Inglaterra.

Ellos reportaban que cuando la solución era iluminada con luz blanca aparecía una luz reflejada azul intensa, mientras que la luz transmitida era amarilla. Nadie identificó entonces esa luz azul intensa como emisión luminiscente hasta 1852, en que el físico inglés George Stokes usando filtros y prismas demostró que la luz incidente de una región espectral era absorbida y transformada por la solución en una luz emitida en una región espectral diferente, de mayor longitud de onda. Demostró, con ayuda de este efecto, que el cuarzo es atravesado por las radiaciones ultravioletas, mientras que el vidrio ordinario no lo es.

Esta emisión luminiscente desaparecía aparentemente de forma instantánea cuando se apagaba la luz incidente, tal como hacían los espatos minerales. Stokes acuñó el nombre de fluorescencia derivado de fluor-spar (espatos, en inglés), al igual que la palabra opalescencia se había derivado del nombre de un mineral.

La luminiscencia de los sólidos fue reportada por primera vez en 1603 por Vincenzo Cascariolo de Bolonia, quien calentó polvos de barita natural (sulfato de bario) con carbón y encontró que la mezcla resultante en forma de torta brillaba en la noche. Él observó que la piedra aparentemente se “cargaba” de luz solar por el día y brillaba durante horas en la oscuridad. Por esto le llamó lapis solaris (piedra del Sol).

La piedra fue estudiada también por los científicos italianos Galileo Galilei y Gulio Lagulla. Por su aspecto poroso también la denominaron spongia solis (esponja solar), en la suposición de que absorbiera la luz, tal como una esponja absorbe el agua.

En 1652, sin embargo, Nicolás Zucchi demostró, por medio de filtros ópticos, que el color de la luz emitida durante la noche era la misma que cuando la piedra era expuesta a luz blanca o de otros colores, como azul o verde.

En 1640, Fortuni Liceti escribió la primera monografía acerca de la piedra de Bolonia a la que los griegos llamaban litosforo o piedra de fósforo, donde fósforo significa “dador de luz”. No se debe confundir el elemento químico fósforo con las sustancias fosforescentes que no contienen el elemento químico en su composición. Ni con los fósforos o cerillas que usamos habitualmente para hacer fuego.

A partir de Cascariolo se designó como fosforescentes a las sustancias que presentaban la propiedad de brillar durante largo tiempo después de excitadas.
El término luminiscencia fue introducido en 1888 por el químico alemán Eilhard Wiedemann para abarcar los dos fenómenos, la fluorescencia y la fosforescencia. Y definió a la luminiscencia como todos los fenómenos luminosos no causados solamente por el aumento de la temperatura.

Hoy en día, la luminiscencia se entiende como el proceso por el cual un material genera radiación no térmica (depende de las características del tipo de material), no se incluye el efecto Cherenkov (radiación luminosa que aparece en las piscinas de algunos reactores nucleares). Así, la luminiscencia es la emisión de luz por medios diferentes a la combustión y por eso ocurre a temperaturas más bajas que las requeridas por la combustión. Un ejemplo de luminiscencia es la luz, o brillo, emitido por el dial de un reloj luminoso. La luminiscencia contrasta con la incandescencia, en que esta es la producción de luz por materiales calentados.

Cuando ciertos materiales absorben varios tipos de energía, una parte de la energía se emite como luz. Este proceso tiene dos pasos:

1. La energía incidente hace que los electrones de los átomos del material absorbente se exciten y salten de las órbitas internas de los átomos a las órbitas exteriores.

2. Cuando los electrones “caen” de nuevo a su estado original, emiten un fotón de luz.

El intervalo entre los dos pasos puede ser corto (menos que 0,0001 s) o largo (muchas horas). Si el intervalo es corto, el proceso se llamaba fluorescencia; si el intervalo es largo, el proceso se llamaba fosforescencia. En ambos casos, la luz producida es casi siempre de menos energía, es decir, de longitud de onda más larga, que la luz excitante.

La fluorescencia y la fosforescencia tienen muchas aplicaciones prácticas. Las pantallas de los receptores de televisión se cubren con materiales fluorescentes, conocidos como fósforos, que brillan cuando son excitados por los rayos catódicos.

El interior de las lámparas fluorescentes tiene recubrimientos similares, que absorben las invisibles, pero intensas componentes ultravioletas de la fuente de luz primaria y emite luz visible.

También se presenta un espectáculo interesante al usar sustancias fluorescentes que son sensibles al ultravioleta, que al ser iluminados con esa luz producen un suave brillo azuloso, a esto se le da el nombre de luz negra y se usa en teatros y espectáculos para lograr efectos luminosos, en la detección de minerales y en las pantallas de los equipos de rayos X.

Un tipo especial de fluorescencia llamado emisión estimulada ocurre en el funcionamiento de un láser.

En dependencia de la clase de excitación que produce la luminiscencia se le asignan diferentes nombres, que se señalan por prefijos, aunque en español se utiliza muchas veces un par de palabras como luminiscencia catódica en lugar de cátodoluminiscencia, así tenemos:

Quimioluminiscencia. Es causada por reacciones químicas, como cuando el fósforo amarillo se oxida en aire, emitiendo una luminiscencia verde. Si la reacción química ocurre en un organismo viviente, tal como la luciérnaga, el proceso se llamaba bioluminiscencia.

Bioluminiscencia. Emisión de luz por organismos vivientes, sin calor apreciable. La luz resulta de una reacción química de enzimas y ciertas otras sustancias en los organismos. Bacterias, algas, hongos y varios animales invertebrados tienen especies bioluminiscentes. Algunos peces de mares profundos están equipados con órganos que producen luminiscencia hacia la que se ve atraída la presa. La luz emitida por la luciérnaga hembra atrae al varón para el apareamiento.  

 

Bioluminiscencia. Estos animales emiten luz debido a unas placas fosforescentes que constituyen una forma peculiar de su tejido epidérmico.

Roentgenluminiscencia. Luminiscencia producida por rayos X de altas energías al bombardear ciertos materiales; un ejemplo es la incidencia de los rayos X en una pantalla fluoroscópica.

Triboluminiscencia. Luminiscencia que resulta del rompimiento, rascado o despedazamiento de ciertos materiales; la palabra viene del griego tribo que quiere decir frotar, consiste en la mayoría de los casos en descargas eléctricas que tienen lugar entre partes diferentes del sólido, cuando estas se separan por acciones mecánicas externas.

Catodoluminiscencia. Es conocida también como electroluminscencia y es debida a la excitación por electrones. Tiene lugar cuando ocurren descargas eléctricas en presencia de gases enrarecidos o con vapores de ciertas sustancias. De ahí los llamados rayos catódicos que se utilizan en las pantallas de diferentes tipos de dispositivos, como: televisores, computadoras, osciloscopios, radares, etc.

Anodoluminiscencia e ionoluminiscencia. Corresponden a la luminiscencia en ánodos debida a la acción de iones positivos sobre la sustancia. Fue descubierta por Goldstein en 1886.

Radioluminiscencia. Es la luminiscencia producida por la acción de los materiales radiactivos; se utiliza en los sistemas de centelleo para la detección y conteo de partículas. El término no es específico acerca de qué tipo de “emisión” proveniente de la radiactividad es la que la causa, es decir alfa, beta o gamma.

Fotoluminiscencia. Es la creada cuando ciertos materiales son irradiados por luz visible o luz ultravioleta; un ejemplo es la fosforescencia de pinturas.

Sonoluminiscencia. Se ha observado en algunos líquidos orgánicos, es la luminiscencia producida por ondas sonoras de ultra altas frecuencias, o ultrasonidos.

Por otra parte el término termoluminiscente es inapropiado, ya que se utilizó cuando se pensaba que ciertos materiales presentaban luminiscencia cuando se les aumentaba la temperatura, esa emisión fue observada por Robert Boyle en un diamante en 1663, en realidad lo que ocurre es que el aumento de temperatura propicia la emisión fosforescente producida por otras causas diferentes al calentamiento.