ફૉસ્ફૉરેસન્સ (સ્ફુરદીપ્તિ) અને ફ્લૉરેસન્સ (પ્રસ્ફુરણ અથવા પ્રતિદીપ્તિ)

ફૉસ્ફૉરેસન્સ (સ્ફુરદીપ્તિ) અને ફ્લૉરેસન્સ (પ્રસ્ફુરણ અથવા પ્રતિદીપ્તિ) : પદાર્થ ઉપર વિકિરણના રૂપમાં ઊર્જા આપાત થતાં પદાર્થનું દીપ્તિમાન થવું અને વિકિરણનો સ્રોત ખસેડી લેવાતાં સંદીપ્તિનું લુપ્ત થવું (પ્રસ્ફુરણ, પ્રતિદીપ્તિ) અથવા ચાલુ રહેવું (સ્ફુરદીપ્તિ). બંને પદાવલિ દીપ્ત ર્દશ્યમાન વિકિરણનું ઉત્સર્જન વર્ણવવા વપરાય છે. પ્રકાશરૂપે ઊર્જા બહાર ફેંકવાની બધી વિધિઓને સામાન્ય રીતે પ્રકાશસંદીપ્તિ (photoluminescence) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. પ્રકાશસંદીપ્તિ માટે પ્રાથમિક ઉત્તેજના વિકિરણ, યાંત્રિક તણાવ, રાસાયણિક પ્રક્રિયા, ઉષ્મા, વિદ્યુતઊર્જા, નાભિકીય વિકિરણ જેવા અનેક સ્રોતો દ્વારા પ્રાપ્ત થઈ શકે છે. આ સંદીપ્તિ માત્ર વાયુઓમાં જ નહિ પણ ઘન અને પ્રવાહી, કાર્બનિક કે અકાર્બનિક પદાર્થોમાં પણ જોવા મળે છે. ફૉસ્ફૉરેસન્સ શબ્દ ફૉસ્ફરસ (ગ્રીક phos = પ્રકાશ, phoros = લાવનાર) ઉપરથી ઉદભવ્યો છે. કારણ કે સફેદ ફૉસ્ફરસ અંધારામાં પણ સાધારણ ચમકે છે, જે તેની ઑક્સિજન સાથેની પ્રક્રિયાને કારણે હોય છે. આ ઉદાહરણ રાસાયણિક સંદીપ્તિ(chemiluminescence)નું ગણાવી શકાય. કેટલાક દરિયાઈ જીવો તથા સડી રહેલા લાકડામાંની કેટલીક ફૂગ પણ આ પ્રકારની કાષ્ઠદીપ્તિ(foxfire)ની ઘટના દર્શાવે છે. આગિયાનો પ્રકાશ સ્ફુરદીપ્તિનું જાણીતું ઉદાહરણ છે, તેમાંનો લ્યુસિફરીન નામનો કાર્બનિક પદાર્થ આ ઘટના માટે જવાબદાર છે. તેને જૈવસંદીપ્તિ (bioluminescence) કહે છે.

ફૉસ્ફૉરેસન્સ એ સંદીપ્તિનો એવો પ્રકાર છે જેમાં પદાર્થ ટૂંકી તરંગલંબાઈવાળા ઇલેક્ટ્રૉચુંબકીય વિકિરણો શોષીને એક ચોક્કસ તરંગલંબાઈવાળા પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે. ફ્લૉરેસન્સ એ સંદીપ્તિનો એવો પ્રકાર છે, જેમાં અમુક પદાર્થો (દા.ત., ક્વિનાઇન સલ્ફેટનું દ્રાવણ, પૅરાફિન તેલ, ફ્લૉરેસીન દ્રાવણો) ચોક્કસ તરંગલંબાઈવાળા પ્રકાશનું અવશોષણ કરીને તેને બદલે અન્ય તરંગલંબાઈવાળા પ્રકાશનું ઉત્સર્જન કરે છે.

કોઈ પણ અણુને પ્રકાશ–રાસાયણિક પ્રભાવ દ્વારા ઉત્તેજિત કરવામાં આવે ત્યારે તેમાંનો ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્તેજિત થઈ ઉપર આવેલી પ્રાપ્ય ખાલી કક્ષકમાં જાય છે. ઉત્તેજિત ઇલેક્ટ્રૉન ચાર પ્રકારનાં સંક્રમણો (transitions) અનુભવી શકે.

(ક) σ → σ* સંક્રમણ, જેનાં અનાબંધી (nonbonding) n કે π (પાઈ) ઇલેક્ટ્રૉન હોતાં નથી; ઉ.ત., આલ્કેન સંયોજનો.

(ખ) n → σ* સંક્રમણ; ઉ.ત., આલ્કોહૉલ, ઇથર.

(ગ) π → π* સંક્રમણ; ઉ.ત., આલ્કોન, આલ્ડિહાઇડ વગેરે

(ઘ) n → π* સંક્રમણ; ઉ.ત., આલ્ડિહાઇડ, કોટૉન, એસ્ટર વગેરે.

આ ચારેય પ્રકારનાં સંક્રમણ નીચેની આકૃતિમાં દર્શાવ્યા છે;

અણુ ઉત્તેજિત અવસ્થામાં લાંબો સમય રહી શકતો ન હોવાથી તે વિભિન્ન અવસ્થાઓમાં પરિવર્તિત થાય છે. એકક (singlet) ભૂતલ અવસ્થાને S₀ તરીકે અને એકક ઉત્તેજિત અવસ્થાને S₁, S₂ S₃ વડે દર્શાવવામાં આવે તો પ્રકાશ-રાસાયણિક પ્રભાવ હેઠળ તેમાં થતા ફેરફારો (સંક્રમણો) જેબ્લોન્સ્કી આકૃતિ તરીકે ઓળખાતી નીચેની આકૃતિ વડે દર્શાવી શકાય :

સૌથી ઊંચી ઉત્તેજિત એકક અવસ્થા (S₂) (singlet)નો જીવનકાળ સામાન્ય રીતે 10^–11 સેકન્ડથી ઓછો હોય છે અને તેમાં રહેલો ઇલેક્ટ્રૉન સૌથી નીચેની કક્ષક S₁માં આંતરિક પરિવર્તન (internal conversion, IC) દ્વારા ઊર્જા-ક્ષય પામે છે. S₁માંથી S₀માં પણ ઊર્જા-ક્ષય થઈ શકે છે; પરંતુ તે S₂ માંથી S₁માં થતા સંક્રમણ કરતાં પણ ખૂબ ધીમી પ્રક્રિયા છે. આ કારણથી S₁ અવસ્થાનો જીવનકાળ બધી ઉત્તેજિત સ્થિતિને મુકાબલે સૌથી લાંબો (~ 10^–8 સેકન્ડ) હોય છે. આ સ્થિતિ પ્રકાશરસાયણમાં ખૂબ જ અગત્યની છે. S₁ અવસ્થા આ ચાર ઊર્જા અવક્રમણ પ્રવિધિ દ્વારા ઊર્જા ગુમાવી શકે છે : (i) કંપનીય સોપાની વિધિ (vibrational cascade) દ્વારા, (ii) આંતરિક પરિવર્તન (internal conversion) દ્વારા, (iii) આંતર-પ્રણાલિ સંકરણ (inter system crossing) દ્વારા, (iv) પ્રસ્ફુરણ પ્રતિદીપ્તિ (fluorescence) તથા સ્ફુરદીપ્તિ (phosphorescence) દ્વારા.

S₁ સ્થિતિમાંનો ઇલેક્ટ્રૉન : નીચેની પૈકી કોઈ એક પ્રવિધિ દ્વારા ઊર્જા-ક્ષય પામી શકે : (ક) ફોટૉન સ્વરૂપે ઊર્જા ઉત્સર્જન કરીને S₀ સ્થિતિમાં આવી જાય. આ પ્રવિધિને પ્રતિદીપ્તિ કહે છે અને તે સામાન્યત: 10^–9થી 10^–6 સેક્ધડના સમયગાળામાં થાય છે.

(ખ) અવિકિરણી (nonradiative) પ્રવિધિ દ્વારા S₀ સ્થિતિમાં પહોંચે; અહીં ઉત્તેજિત અવસ્થાની વધારાની ઊર્જા કંપનોની જુદી જુદી અવસ્થાની ફેરબદલી કહે છે.

(ગ) S₁ રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ કરી શકે છે.

(ઘ) ઉપરની કોઈ પણ પ્રવિધિ નીપજે તે અગાઉ તે ઊર્જા-ક્ષય પામીને ત્રિક (triplet) અવસ્થામાં (T₁) પરિવર્તિત થાય.

S₁ સ્થિતિનું T₁ સ્થિતિમાં પરિવર્તન ઊર્જાની ર્દષ્ટિએ અનુકૂળ છે. આ પરિવર્તન ધીમું હોય છે. જો એકક સ્થિતિ પૂરતા લાંબા જીવનકાળવાળી હોય (ઍરોમેટિક તથા કાર્બોનિલ સંયોજનોમાં) તો આ પરિવર્તન, S₁ → T₁ જેને આંતર પ્રણાલિ સંકરણ (ISC) કહેવાય છે તે ખૂબ સારી રીતે થઈ શકે છે. પ્રકાશ–રસાયણમાં ISC ખૂબ અગત્યની પરિઘટના ગણાય છે. કારણ કે એકક સ્થિતિને મુકાબલે T₁ ત્રિક સ્થિતિનો જીવનકાળ ઘણો લાંબો હોય છે. (10^–3 થી 2 સેકન્ડ). આ કારણને લીધે T₁ અવસ્થામાંના ઇલેક્ટ્રૉન પ્રકાશ-રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ કરવા વધુ અનુકૂળતા દર્શાવે છે.

T₁ અવસ્થા S₁ને મુકાબલે નીચલા સ્તરે હોવાથી T₁ માંથી S₁ અવસ્થામાં પાછા જઈ શકાશે નહિ; પરંતુ રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા અથવા ફોટૉનના ઉત્સર્જન દ્વારા તે ભૂતલ અવસ્થા S₀માં જઈ શકશે. ફોટૉનના ઉત્સર્જન દ્વારા ભૂતલ અવસ્થામાં જવાની આ ઘટનાને સ્ફુરદીપ્તિ કહે છે. સ્ફુરદીપ્તિનો જીવનકાળ સામાન્યત: 10^–3 થી 10 સેકન્ડ વચ્ચેનો અથવા કેટલીક વાર તેથી વધુ હોય છે. T₁ માંથી S₀– માં જવાની એક ત્રીજી શક્યતા અ-વિકિરણી પ્રવિધિ દ્વારા પણ છે. પ્રકાશના અવશોષણ દ્વારા નીપજતી બધી જ શક્યતાઓ જેબ્લોન્સ્કી આકૃતિ 2માં દર્શાવવામાં આવી છે.

સ્ફુરદીપ્તિનો એક વિશેષગુણ એ છે કે પ્રકાશ ઉત્સર્જનનો સમય તાપમાન ઉપર આધારિત હોય છે. જો સ્ફુરદીપ્તિ પદાર્થ ચોપડેલી એક પટ્ટી લઈ તેના ઉપર પારજાંબલી કિરણો આપાત કરવામાં આવે તથા ત્યારબાદ કિરણોનો સ્રોત ખસેડી લેવામાં આવે તો તે ફરી સ્ફુરદીપ્તિ ઉત્પન્ન કરે છે. આ પટ્ટીને ગરમ પાણીમાં ડુબાડવામાં આવે તો પ્રકાશની તીવ્રતા એકદમ વધી જાય છે અને તે તરત જ ક્ષીણ થઈને સમાપ્ત થઈ જાય  છે. આ પટ્ટીને ખૂબ નીચા તાપમાને ઠંડી કરીને તેને પારજાંબલી કિરણોના સ્રોત સામે મૂકવામાં આવે તો સ્રોત ખસેડી લીધા બાદ સ્ફુરદીપ્તિ ઉત્પન્ન થતી નથી; પરંતુ જો આ પટ્ટીને નીચા તાપમાનેથી ઓરડાના તાપમાને લાવવામાં આવે તો તેમાંથી ધીમે ધીમે પ્રકાશ નીકળતો જણાય છે.

પ્રતિદીપ્તિનો ગુણધર્મ આનાથી તદ્દન અલગ હોય છે. નીચા તાપમાને પણ તે ચાલુ રહે છે. તાપમાન વધવાની સાથે પ્રતિદીપ્તિ ઘટતી જાય છે. જો કે કેટલાક પ્રસ્ફુરક પદાર્થો 400° સે. તાપમાને પણ પ્રસ્ફુરણ દર્શાવે છે.

ઝિંક સલ્ફાઇડ અથવા કેડમિયમ સલ્ફાઇડ પ્રતિદીપ્ત સ્ફટિકો લૅમ્પ-ટ્યૂબમાં, ટેલિવિઝન, પ્રસ્ફુરણ ગણકો (scintillation counters) વગેરેમાં વપરાય છે. પ્રસ્ફુરક રંગકો જૈવ રાસાયણિક સંશોધનમાં અણુઓને લેબલ કરવા વપરાય છે.

જ. પો. ત્રિવેદી