¿Por qué las sustancias que brillan en la oscuridad se atenúan gradualmente?

Question

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De pequeño, tenía estrellas que brillaban en la oscuridad en el techo y, después de "cargarse" al tener las luces encendidas, fosforecían durante bastante tiempo.

Sin embargo, a lo largo de la noche, una estrella se iba apagando poco a poco. Imagino que la causa de que las estrellas se oscurezcan es que algunos electrones se relajan antes que otros.

He pensado que el grosor de la estrella podría tener algo que ver, ya que las partes interiores probablemente reciban menos luz, por lo que tal vez esta parte se oscurezca por completo antes que la superficie de la estrella. Sin embargo, mi idea es que la estrella debería estar completamente "cargada" o no emitir luz en absoluto, como un interruptor.

El efecto de atenuación es gradual. ¿Por qué?

Answer 1

Aquí se plantean dos posibles cuestiones: una es por qué el oscurecimiento es un proceso lento y prolongado (incoherente, a diferencia de un "interruptor"). La segunda es por qué parece que diferentes estrellas pierden intensidad a un ritmo diferente.

El proceso de emisión de luz detrás de sus estrellas implica fosforescencia . El proceso implica la relajación de un sistema excitado electrónicamente durante el cual experimenta un triplete "prohibido". $\rightarrow$ transición singlete. Para un sistema individual, la emisión de luz está controlada por la probabilidad de la interconversión cuántico-mecánica (o equivalentemente por el tiempo de vida del estado triplete). Se trata de un acontecimiento estocástico descrito por la estadística de Poisson o el ruido de "disparo".

Sin embargo, la luminosidad de una estrella representa el comportamiento colectivo de un gran número de emisores (sistemas). Una estrella, por tanto, parece uniforme en luminosidad y su luminosidad dependiente del tiempo decae exponencialmente.

Cabría esperar una variabilidad en la luminosidad de las distintas estrellas. No es probable que se trate de estadística QM puesto que, como ya se ha señalado, se está observando un conjunto muy grande de moléculas relajantes, y se espera una constante de decaimiento bastante uniforme para todas las estrellas, suponiendo que el material fosforescente sea uniforme. Parece más probable que las diferencias de luminosidad entre las estrellas o dentro de ellas se deban a efectos de tamaño o a diferencias en la concentración de material fosforescente, o a les deux $^\daleth$ . Los adhesivos más gruesos o con mayor concentración de material fosforescente excitado, debido por ejemplo a la variabilidad del proceso de fabricación, deberían brillar durante más tiempo simplemente porque contienen más emisores. $^\dagger$ .

$\dagger$ Como se señala en los comentarios, un mayor número de emisores hace que el límite de detección se alcance más tarde.

$\daleth$ Como se subraya en otro comentario y se menciona en la OP, la concentración de emocionado material fosforescente que determina la luminosidad, y la excitación también puede depender de las dimensiones de la estrella.

Answer 2

Fuente de luz

Imagino que la causa de que las estrellas se vuelvan más tenues es que algunos electrones se relajan antes que otros.

Esta afirmación podría interpretarse de dos maneras diferentes, una incorrecta y otra correcta. Podría significar que los electrones tienen un estado "encendido" en el que emiten luz continuamente. Pero no es así. Por el contrario, emiten luz una vez al pasar del estado de excitación al de reposo. También podría significar que los distintos electrones se relajan en momentos diferentes. A medida que los electrones se relajan, el número total de electrones excitados disminuye. Como consecuencia, al cabo de un tiempo hay menos electrones excitados y, por tanto, menos electrones que puedan emitir en ese momento posterior. Ésta es la interpretación correcta.

Cinética de la descomposición

mi idea es que la estrella debe estar completamente "cargada" o no emitir ninguna luz, como un interruptor.

Este es un modelo conceptual que va en contra de las observaciones del OP, así que ya sabemos que no funciona así, pero la pregunta es por qué.

Para solucionarlo, he aquí un montaje que hace tienen las propiedades de un interruptor. Utilizaré esta configuración alternativa para comparar y contrastar. Tomemos una estrella iluminada por múltiples diodos emisores de luz (LED) alimentados por una batería. En los LED, el flujo de electrones lleva continuamente a los electrones a estados excitados, que luego se relajan a estados de masa, emitiendo luz. Como consecuencia, el LED emitirá luz hasta que la batería se descargue hasta tal punto que ya no proporcione la tensión necesaria. Como consecuencia, todos los LED se apagarán al mismo tiempo.

Ahora comparemos y contrastemos con las estrellas que brillan en la oscuridad. Contienen electrones que se excitan en la primera fase (al incidir la luz sobre ellos) y luego vuelven al estado básico. una vez en un proceso lento que dura horas. Puedes medir la luz emitida, como en este experimento:

Fuente: https://www.cei.washington.edu/education/lessons/phosphorescent-decay/

En lugar de que todos emitan al mismo tiempo (lo que daría lugar a un destello de luz) o emitan en orden cero (lo que daría lugar a una intensidad constante que se apaga bruscamente cuando todos los electrones están en estado fundamental), la intensidad disminuye gradualmente, con el mayor cambio al principio.

Esto no es lo que percibimos cuando miramos estrellas que brillan en la oscuridad en una habitación oscura (probablemente porque nuestros ojos se ajustan continuamente al no haber un fondo o referencia de brillo constante). Además, es probable que en algún momento nos quedemos dormidos.

Mecanismo a nivel atómico

El Journal of Chemical Education tiene un buen artículo al respecto (Lisensky et al 1996, DOI: 10.1021/ed073p1048). He aquí una cita del resumen que relaciona la cinética con el mecanismo:

[J Chem Ed] El decaimiento de la fosforescencia de ZnS:Cu se ajusta a una ecuación de segundo orden, consistente con la recombinación de poblaciones relativamente iguales de huecos y electrones (n ~ p).

Y como apunte, aquí hay un diagrama de Wikipedia (artículo: Light-emitting diode physics) que muestra cómo los LEDs están continuamente proporcionando electrones excitados y huecos en los que pueden caer: