LUMINESCENCE

Fluorescence et phosphorescence

C’est l’absorption d’un photon qui provoque la luminescence. Le terme photoluminescence regroupe les phénomènes de fluorescence et de phosphorescence. Historiquement, les deux phénomènes étaient distingués par leurs échelles de temps apparentes : la fluorescence semblait cesser « instantanément » à la coupure de la lumière d’excitation alors que la phosphorescence perdurait. Le premier matériau phosphorescent, décrit en 1603, est le « phosphore de Bologne », obtenu par un cordonnier, Vincenzo Cascariolo, en calcinant des pierres de la région du Monte Paterno avec du charbon. Après chauffage, les pierres continuaient à briller dans l’obscurité. Le mot « phosphorescent » est emprunté au grec et signifie littéralement « porteur de lumière ». Les pierres du cordonnier, une fois calcinées, contenaient du sulfure de baryum, composé phosphorescent.

Le mot « fluorescence », lui, a été inventé en 1852 par le physicien anglais George Gabriel Stokes qui avait remarqué que les cristaux de fluorite (fluorure de calcium) émettent une lumière bleue quand on les éclaire avec de la lumière ultraviolette. Le terme « fluor » a donc inspiré « fluorescence », bien que l’émission de ces cristaux soit en réalité liée à des impuretés dans le cristal qui n’ont rien à voir avec le fluor.

Les phénomènes de fluorescence ou de phosphorescence apparaissent donc lorsqu’un corps absorbe la lumière visible et bien souvent ultraviolette, puis la réémet à une longueur d’onde plus grande (décalée vers la partie rouge du spectre). Dès qu’on s’éloigne de l’atome isolé pour aller vers le cristal ou des molécules complexes en solution, on n’a plus des longueurs d’onde précises d’absorption et des longueurs d’onde précises d’émission, mais des bandes d’absorption (ensemble de longueurs d’onde que le matériau peut absorber) et des bandes d’émission (ensemble de longueurs d’onde que le matériau peut émettre).

Même si, bien souvent, on peut distinguer fluorescence et phosphorescence par leur durée, les interprétations anciennes ne sont pas correctes. D’abord, la fluorescence n’est pas si « instantanée » qu’il y paraît ; ensuite, ce n’est pas la durée d’émission de la lumière qui distingue les deux phénomènes, mais l’état électronique de la molécule à partir duquel la lumière est émise. Dans le cas de la phosphorescence, la molécule reste « piégée » dans un état électronique « métastable » (appelé « état triplet ») duquel la probabilité d’émettre la lumière est faible, donc le phénomène dure plus longtemps.

La fluorescence est de loin le phénomène de luminescence le plus étudié et celui qui donne lieu au plus d’applications. Cependant, la phosphorescence en a quelques-unes, notamment le fléchage des accès de bâtiments en cas de coupure d’électricité.

La fluorescence d’un matériau est caractérisée par plusieurs paramètres :

– le spectre de fluorescence, variation de l’intensité de la lumière émise en fonction de la longueur d’onde (pour une longueur d’onde d’excitation donnée) ;

- le rendement de fluorescence qui varie de 1 (tous les photons absorbés sont réémis) à 0 (le composé n’est pas luminescent) ;

- la durée de vie de fluorescence, temps caractéristique de l’émission de fluorescence. L’émission de la fluorescence n’est pas instantanée, mais elle suit une loi exponentielle de probabilité en exp (— t/τ), où τ est la durée de vie (un peu comme la désintégration d’une substance radioactive). L’ordre de grandeur de la durée de vie de nombreuses substances fluorescentes est la nanoseconde (milliardième de seconde).

Les nombreuses applications de la fluorescence viennent du fait que ces paramètres sont très sensibles à l’environnement du composé fluorescent : par conséquent, étudier la[...]