¿Es posible que una sustancia absorba una longitud de onda más larga de una onda EM y emita una longitud de onda más corta?

Question

Sé que una lámpara fluorescente funciona emitiendo primero UV y después la sustancia específica que hay dentro absorbe UV y finalmente emite luz visible. Un objeto puede emitir infrarrojos bajo la luz solar debido al calentamiento. Pero esos ejemplos absorben una longitud de onda corta de EM y luego reemiten una más larga. ¿Existe alguna sustancia que pueda hacer lo contrario (por ejemplo: absorber luz visible y luego emitir UV)?

Answer 1

Es posible, pero poco práctico. Se puede "upconvert" ligera. Este efecto, como relata Wikipedia, se debe a la absorción secuencial de dos fotones por fotón emitido .

Esto es ciertamente posible de hacer en un escenario de luz fluorescente / fosforescente, pero los desafíos de ingeniería (o, más específicamente - el costo) involucrados en una solución de este tipo sería empinada.

Hay un modelo químico de dicho compuesto en el sitio wiki de absorción de dos fotones, pero no tengo las habilidades de nomenclatura para nombrarlo por ti. Incluso he intentado utilizar la búsqueda en línea para la estructura (y me tomó un tiempo. Odio los grupos bencénicos anidados, probablemente por eso elegí la química inorgánica).

Answer 2

Sí, es posible que las moléculas absorban un solo fotón a una longitud de onda mayor que algunas de las que emiten. Si las moléculas están aisladas térmicamente de su entorno, el resultado es que se enfrían. Sin embargo, el efecto es pequeño.

El efecto se produce cuando los espectros de fluorescencia y absorción se solapan de forma significativa. Esto puede observarse en las longitudes de onda de absorción más largas y las de fluorescencia más cortas. Esto ocurre en casi todas las moléculas, pero especialmente en aquellas cuya geometría de estado excitado es bastante similar a la del estado básico, por ejemplo, muchos tipos de moléculas colorantes, porfirinas, clorinas, etc., es decir, moléculas con grandes anillos aromáticos planares.

La primera figura ofrece dos ejemplos de solapamiento espectral, pero la clase de molécula en la que esto es más importante son las clorofilas y el solapamiento de absorción y emisión es esencial para una captación eficaz de la luz en la fotosíntesis. De hecho, sin él, la fotosíntesis sería increíblemente ineficaz.

Fig. 1. La figura muestra los espectros de absorción y fluorescencia del transestilbeno y el antraceno. Los picos en el espectro del antraceno se deben a transiciones vibracionales además de la transición electrónica que forma el estado excitado.

La segunda figura muestra, sólo de forma esquemática, la energía potencial de una molécula en su estado básico y en su primer estado excitado, así como algunos niveles de energía vibracional. Dado que las moléculas tienen niveles de energía vibracional (y rotacional) a temperatura ambiente, es posible excitar algunos niveles vibracionales únicamente por medios térmicos.

Si la excitación es a longitud de onda larga, mostrada en la figura por la flecha roja, la absorción se produce a partir del $v = 1$ estado básico en el $v = 0$ del estado excitado. La emisión posterior a un nivel inferior ( $v=0$ ) en el estado básico produce un fotón más energético que el que se produce en el proceso de absorción. (La emisión de fluorescencia también puede producirse a $v=1,2, 3$ en el estado básico determinado por los factores de Franck-Condon).

La flecha negra indica, además, que si el estado excitado tiene una vida relativamente larga, unos pocos nanosegundos, por ejemplo, en solución, es posible que la excitación térmica en el estado excitado pueble $v=1$ por lo que también producen una emisión de energía mayor que la absorción (línea verde).

Fig. 2. Esquema de los niveles de energía vibracional en el estado básico y excitado de una molécula. Sólo se ilustran las transiciones a niveles inferiores.

(Nota. Si las moléculas están en fase gaseosa, las colisiones con gases inertes pueden promover la energía a niveles vibracionales superiores en el estado excitado; este efecto se describió hace décadas en el naftaleno, por ejemplo; véase Chem. Phys. Letts v22, 235, 1973, & Proc. Roy Soc. (Lond). Ser A, v340, 519, 1974)

Answer 3

En efecto, los hay: los utilizamos en las "Tarjetas de visión láser" para poder ver el láser IR. A continuación se presenta un ejemplo de este tipo de tarjetas:

Cuando se ilumina con luz IR, emite luz visible. El principio es que las moléculas quedan atrapadas en un estado de excitación que requiere un fotón IR para desexcitarse. Estas tarjetas necesitan una carga previa, pero duran varias horas.

Answer 4

¿Y la espectroscopia Raman rotacional (pura)?

La regla de selección específica es $\Delta J = \pm 2$ . Las líneas anti-Stokes, con $\Delta J = -2$ surgen de la emisión de un fotón de longitud de onda más corta (mayor energía) que el fotón incidente.

He aquí un espectro Raman idealizado de $\ce{H2}$ para ilustrar el punto (de las notas de clase de Oxford). La escala del número de onda en la parte inferior se refiere al desplazamiento del número de onda del fotón emitido con respecto al fotón incidente. Si este número es positivo, el fotón emitido tiene un número de onda mayor, es decir, mayor energía/longitud de onda más corta.

Edita: Como porfirina ha señalado amablemente - la espectroscopia Raman es un dispersión fenómeno. Como tal, no es técnicamente una absorción + emisión; aunque supongo (espero) que está en el espíritu de la pregunta.

Answer 5

Es posible y se aplica en microscopía óptica. Este método se denomina microscopía de dos fotones. Dos fotones de longitud de onda más larga son absorbidos por una molécula de colorante que, a continuación, emite un fotón de longitud de onda más corta. Como ya se ha dicho, este proceso es muy improbable, pero esta propiedad puede utilizarse para reducir el tamaño del punto fluorescente en la mocroscopía confocal. (La microscopía confocal es una técnica en la que una muestra fluorescente se explora con un punto láser enfocado mientras se detecta la fluorescencia emitida por dicho punto. La resolución de la imagen adquirida depende del tamaño del spot). Especialmente se reduce la extensión del spot a lo largo del eje óptico del microscopio. Además, la excitación con una longitud de onda más larga es beneficiosa en muestras biológicas gruesas (tejidos) porque la luz roja se dispersa menos y es menos dañina que, por ejemplo, la luz azul.

He utilizado esta técnica con los colorantes fluorescentes Alexa Fluor 488 y Alexa Fluor 594, pero supongo que habrá muchos más. Los excitamos con luz roja lejana a 800 nm y detectamos fluorescencia en el rango verde y naranja.