Phosphorescence et fluorescence : comment ça fonctionne?

Phosphorescence et fluorescence ou encore luminescence…tout cela te semble bien sombre (sans jeu de mots bien sûr) ? Alors ne t’inquiète pas, je vais t’aider à faire la lumière sur tout ça (oh là là ! Faut que j’arrête avec les jeux de mots pourris !) A la fin de cet article, tout cela sera limpide comme de l’eau de roche pour toi !

Qu’est-ce que la luminescence ?

Tu l’as sans doute deviné, tout cela est lié à la lumière. Alors commençons par le début et partons explorer la lumière !

La lumière au centre de ce phénomène

La lumière…kezako ? D’où vient-elle ? Pourquoi le soleil nous éclaire-t-il ?

Il va nous falloir faire un petit tour au cœur de la matière (tu peux aussi lire cet article sur l’électricité pour te plonger dans l’infiniment petit). Tout ce qui nous entoure est formé d’atomes : la table sur laquelle j’écris, l’air qui m’entoure, le lit dans lequel je vais aller me coucher ou encore la soupe que je bois…tout est atome !

Chacun de ces atomes est formé d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Ces derniers suivent une route bien précise autour du noyau. Mais si tu leur apportes un peu d’énergie, ils vont changer de route. Au bout d’un moment, ils vont se rendre compte qu’ils ne sont plus sur la bonne route, ils vont alors rendre (en partie seulement) l’énergie reçue ce qui va leur permettre de retrouver leur trajectoire initiale.

Et bien figure-toi que, lorsque les électrons rendent l’énergie reçue, ils émettent de la lumière.

La lumière n’est rien d’autre que de l’énergie envoyée par les atomes lorsqu’ils retrouvent leur état stable.

Ok, garde bien ça en tête.

Luminescence, terme très générique

Maintenant, revenons à nos moutons et intéressons-nous à la luminescence.

C’est quoi ce truc ? Archi-simple ! C’est la capacité de quelque chose à émettre de la lumière que l’on qualifie de « froide ». Hein ? Quoi ? C’est-à-dire ?

Souviens-toi, il faut un apport d’énergie pour que les électrons changent de route et puissent ensuite émettre un rayonnement (autrement dit de la lumière). Cette énergie peut être de la chaleur : on parle alors d’incandescence. Ou autre chose : on parle alors de luminescence !

Le soleil, les lampes à incandescence, la lave d’un volcan, du fer chauffé à blanc…tout cela émet de la lumière parce que la matière qui les compose est très très chaude.

Ne mets pas ta main sur une lampe à incandescence lorsqu’elle fonctionne : tu te brulerais. Mais tu peux toucher une LED en fonctionnement : elle ne chauffe pas ! C’est de la luminescence.

Ok, c’est bien beau, nous n’avons pas besoin de chaleur pour faire de la luminescence, mais alors, d’où vient l’énergie nécessaire à la production de lumière ?

Et bien, il y a plusieurs sources d’énergie qui peuvent être utilisées pour titiller les atomes :

• un champ électrique (on parle alors d’électroluminescence, c’est ce qui passe avec les LED),
• des ultrasons (on parle alors de sonoluminescence),
• des réactions enzymatiques (il s’agit de la bioluminescence),
• des radiations (c’est la radioluminescence),
• des réactions chimiques (c’est la chimiluminescence. Tu as peut-être entendu parler du luminol, substance utilisée par la police scientifique pour détecter des traces de sang)
• ou encore des photons (donc de la lumière) dans le cas de la photoluminescence.

Tu connais peut-être la bioluminescence. Cette production de lumière serait présente chez 75% des animaux marins. Plus rare en dehors de l’eau, elle est quand même présente dans certains organismes terrestres comme des champignons ou les lucioles. Il paraitrait même que nous, êtres humains, produisons de la lumière. Mais celle-ci est trop faible pour qu’elle soit visible.

La luminescence est donc un terme général qui regroupe différents phénomènes. Et celui qui va nous intéresser aujourd’hui est la photoluminescence.

Phosphorescence et fluorescence, quelle différence ?

On confond souvent la phosphorescence et la fluorescence. Ces deux phénomènes sont pourtant différents ! Malgré tout, ils ont la même base et sont, tous les deux, de la photoluminescence !

C’est dans les années 1920-1930 que les scientifiques ont commencé à différencier la phosphorescence de la fluorescence. Les travaux de physiciens tel que Jean et Francis Perrin ont été essentiels pour comprendre ces phénomènes.

Phosphorescence et fluorescence : le point commun

Les molécules phosphorescentes, tout comme les molécules fluorescentes sont capables d’émettre de la lumière après avoir reçu de l’énergie sous forme de lumière.

La lumière reçue peut être de la lumière visible, mais aussi de la lumière invisible, comme les rayons ultraviolets (UV) qui entrent en jeu dans beaucoup de cas.

Un exemple concret ? Demande à tes parents s’ils ont déjà participé à une soirée fluo. Ou peut-être toi-même as-tu participé à ce genre d’évènement ? Tu es dans un endroit relativement sombre et pourtant tous les vêtements fluo et blanc ressortent et éclairent ! Ambiance magique assurée ! D’où cela vient ? De la lumière que l’on appelle lumière noire ! Bizarre comme nom ! La lumière noire est en fait une lampe qui va envoyer des rayons UV, invisibles à l’œil nu, au lieu d’envoyer de la lumière visible. Ces rayons UV vont aller titiller les atomes qui composent les vêtements fluo. Et c’est cette excitation des atomes qui va être à l’origine de la lumière émise par les vêtements fluo.

Mais l’énergie peut aussi être apportée par de la lumière visible. Si on pense aux étoiles que l’on peut accrocher au plafond d’une chambre d’enfant (ou d’adulte !), alors c’est la lumière du soleil, lumière visible, qui va apporter de l’énergie pour que les étoiles brillent dans la nuit.

Phosphorescence et fluorescence : la différence

Bon, si les molécules phosphorescentes et fluorescentes sont excitées de la même manière, en quoi sont-elles différentes ? Et bien tout simplement sur la façon dont les électrons retrouvent la bonne route !

Soit ils la retrouvent immédiatement (tout du moins de notre point de vue, il s’agit en fait d’un décalage qui se mesure en microseconde). Dans ce cas, on est face à de la fluorescence.

Soit ils sont un peu plus longs (plusieurs minutes voire heures) et alors on est face à de la phosphorescence.

Autrement dit, si la lumière émise par les atomes s’arrête dès qu’on ne les excite plus, c’est de la fluorescence. Si la lumière continue à être émise par les atomes même lorsque l’excitation est arrêtée, alors on est face à de la phosphorescence.

Les étoiles accrochées au plafond d’une chambre continuent à briller la nuit, en l’absence du soleil qui leur fournissait l’énergie nécessaire à l’excitation : les étoiles sont phosphorescentes.

La soirée fluo tombe à l’eau si on éteint la lumière noire : on utilise un phénomène de fluorescence.

Le terme exact pour parler de ce temps que dure l’émission de lumière après la fin de l’excitation s’appelle la rémanence.

La fluorescence a une rémanence très courte tandis que la phosphorescence a une rémanence qui est plus longue.

Phosphorescence et fluorescence : ça sert à quoi ?

Avant de servir à quelque chose, ces phénomènes ont questionné parce qu’ils se trouvent, de manière naturelle, autour de nous !

On connait principalement la bioluminescence dans la nature. En effet, les poissons lanternes, certains champignons ou méduses étaient connus dès la Rome Antique. Les lucioles, quant à elles, ont été découvertes, elles aussi, il y a très longtemps, dans la Chine Antique.

Mais, tout comme la bioluminescence, la phosphorescence et la fluorescence sont également présentes dans la nature.

D’ailleurs, la phosphorescence s’appelle ainsi à cause du phosphore blanc qui a, naturellement, la capacité d’émettre de la lumière.

Mythe ou réalité, la première utilisation de phosphorescence par l’humain daterait du X^ème siècle. En effet, selon un moine appelé Sung Tsan-Ning, l’Empereur de Chine de l’époque, Zhao Kuangyi possédait une peinture représentant un buffle dans un pré le jour, et un buffle dans son étable le soir…tout cela grâce à de la phosphorescence.

Dans tous les cas, c’est un alchimiste italien qui a redécouvert cette phosphorescence au début du XVII^ème siècle.

A la fin du XX^ème siècle, peu de matériaux permettent une phosphorescence qui dure plus de quelques minutes. Les scientifiques n’hésitent alors pas à ajouter quelques éléments radioactifs dans leur mélange pour favoriser la phosphorescence. Bien évidemment, cette pratique est aujourd’hui proscrite.

C’est en 1995 que le premier élément qui émet une phosphorescence longue (plusieurs heures) est découvert par une équipe de scientifiques japonais.

La phosphorescence connait aujourd’hui un beau succès. En effet, elle permet de fournir une lumière douce, un peu magique et tout cela sans pile ou batterie.

Ces phénomènes de photoluminescence offre également la possibilité de faire varier la lumière émise. Ainsi, l’intensité de la lumière émise dépend de plusieurs critères. En effet, la longueur d’onde des photons reçus, la quantité de photons (donc l’intensité de la lumière reçue) ou encore la température peuvent influencer la lumière qui est émise.

C’est pour cette raison que la phosphorescence et la fluorescence sont énormément utilisées de nos jours.

Tout un tas d’utilisations plus ou moins utiles sont possibles. Bien sûr, les éléments de sécurité sont en première position dans les utilisations utiles : signaux d’urgence, sortie de secours, vêtements de sécurité…La fluorescence est également largement utilisée en cas de recherche de fuite d’eau : de l’eau vert fluo, ça se voit tout de suite plus facilement que de l’eau transparente!

La phosphorescence, la fluorescence ainsi que la bioluminescence sont aussi beaucoup utilisées dans le domaine de la recherche scientifique pour détecter des cellules ou des structures à l’intérieur d’une celluleC'est la brique de base pour tout être vivant. More.

Et il y a les utilisations pour s’amuser : tous les gadgets possibles et imaginables ! Vêtements, bijoux, décorations, coussins, maquillage…

Alors dis-moi, as-tu des jouets qui utilisent la phosphorescence et la fluorescence?