螢光磷光

原始設計者：彰師大

認識生活中的螢光和磷光，前者為效率高的放光，後者為效率低的放光。藉由了解螢光棒將化學能轉變成光能，讓同學了解能量的不同型式的轉換。

實驗材料：

魯米諾(luminol)
氫氧化鈉(NaOH)
漂白水
消毒用雙氧水
赤血鹽K3[Fe(CN)6]
噴霧瓶
螢光貼紙
磷光貼紙
驗鈔筆
螢光棒
通寧汽水

1.現象提示與參考：

在日常生活中我們經常看到螢光和磷光，我們可以用簡單的方法區別這兩種光，如圖所示，在黑暗的地方用紫外光(驗鈔筆即可)照射後我們會看到螢光和磷光物質都會放光，將光線移開後，螢光物質立刻停止放光，磷光物質則會持續放光。
螢光棒的放光分子，是從相同自旋多重度的激發態釋放光回到基態，和前述的螢光釋放相同。不過螢光棒的放光分子是吸收化學反應的能量至激發態，這種機制稱為「化學放光」。

圖一: 以紫外光照射螢光和磷光物質

2.初探與假說：（此為引導，學習者必須要提出合理的假說）

認識生活中的螢光和磷光，前者為效率高的放光，後者為效率低的放光。藉由了解螢光棒將化學能轉變成光能，讓同學了解能量的不同型式的轉換。

3.設計實驗與執行

3.1 觀察「磷光」與「螢光」
- 3.1.1 將通寧汽水、夜光貼紙、螢光便條貼紙、螢光棒和紙鈔放在桌上，拉上窗簾並關掉燈光觀察，注意只有夜光貼紙在黑暗中會繼續放出磷光。
- 3.1.2 用紫外光手電筒照射這些物品，將光源移開觀察之。放光的時間有沒有差別?
- 3.1.3 用紫外光照射使用過的和未使用過的螢光棒，注意二者皆放出螢光。
  - 說明: 光源移開後持續放光的是磷光，立即消失的放光是螢光。通寧汽水含有「奎寧」，奎寧會釋放螢光。使用過的螢光棒也會在紫外光照射下釋放螢光，因為螢光棒的螢光分子吸收外在化學反應的反應熱激發至激發態，再從激發態放光至基態，螢光分子沒有改變，因此在紫外光照射下也會釋放螢光。

3.2 製造「螢光」
- 3.2.1 配製溶液A：將0.1 g 的魯米諾加1 g 的氫氧化鈉溶解於200 mL的蒸餾水中。
- 3.2.2 配製溶液B：取1 mL的漂白水，溶於100 mL的蒸餾水中。
- 3.2.3 關掉燈光，取100 mL溶液A，緩緩地倒入溶液B中，觀察發光情形。
- 3.2.4 分別將未反應的溶液A和前一步驟完全反應後的混合溶液，用紫外光照射，觀察兩者是否釋放光。
  - 說明: 魯米諾分子必須先在鹼性溶液中氧化成不穩定分子的激發態，放光後的分子隨即分解故不具螢光性。
- 3.2.5 取上面100 mL的溶液A，與100 mL的消毒用雙氧水（3% H2O2）混合於噴霧瓶中。
- 3.2.6 關掉燈光，將溶液噴在赤血鹽溶液上(或將少許赤血鹽置於潮濕的衛生紙上)，觀察發光情形。
  - 說明:血液中的鐵離子會催化魯米諾放光，我們用赤血鹽(K₃[Fe(CN)₆])代替真正的血液。我們可以利用這種螢光來偵測犯罪現場的殘留血液。

4.分析與評量

4.1 在這個實驗中，你學到了甚麼? 試指出生活中二至三種螢光和磷光物質。你如何辨別它們?
4.2 驗鈔筆可以用來辨別鈔票真偽，鈔票上的螢光是單一顏色嗎? 兩張百元鈔上面的螢光圖案是相同的嗎?
4.3 查詢後在紙上繪出二至三個染料分子的結構，它們有甚麼相似處?
4.4 螢火蟲和「馬祖藍眼淚」也會放光，這些光比較像是螢光或磷光呢? 為什麼螢火蟲的光一閃一閃的呢?
4.5 為什麼螢光棒的螢光可以持續，而魯米諾的螢光卻瞬間消失呢?

5.參考文獻

6.進階知識

6.1 分子自發放光
- 當分子吸收光的能量而從分子基態(ground state)轉至激發態(excited state)時，激發態會以自發放光(spontaneous emission)的方式釋放能量，激發態和基態的自旋多重度(spin multiplicity)相同的放光稱為螢光，激發態和基態的自旋多重度不相同的放光則稱為磷光。
- 自發放光的效率，正比於「躍遷偶極矩」(transition dipole moment) 的平方及躍遷頻率的三次方:

;

為電偶極矩算符，其在各方向的分量為

q_i為分子各原子的電荷，x_i為各原子相對於分子的質量中心的x分量。自發放光的效率為零者，稱為「禁止躍遷」(forbidden transition)。自發放光的效率不為零者，則稱為「允許躍遷」(allowed transition)。螢光的放光效率通常都很高，螢光物質吸收光之後迅速放光。磷光僅能藉著「自旋-軌域偶合」(spin-orbit coupling)機制以極低的效率放光，因此磷光物質吸收光之後會放光一段頗長的時間。

6.2 魯米諾分子放光原理
- 魯米諾(luminol)在鹼性環境中氧化，釋出氮氣，轉變成過氧化物的激發態。此激發態放出螢光成為基態後分解。

6.3 螢光棒放光原理
- 螢光棒中含有草酸苯酯和染料(dye)的混合液，以及一支裝著雙氧水的玻璃管。折斷玻璃管後，雙氧水和草酸苯酯反應產生下圖中的過氧化物，這個不穩定的分子分解成兩個二氧化碳，並將多餘的能量傳給染料，染料成為激發態(dye*)並放出螢光。

兩種常見的染料分子結構如下: