الفوسفور هو مصطلح عام لأي مادة يمكنها إصدار ضوء عند تعرضها للإشعاع أو الحقول الكهربائية. وهو مشتق من الكلمة اليونانية "phosphoros"، والتي تعني "حامل الضوء". عادة ما تكون الفسفوريات موصلات شبه الموصلات، ولديها ثلاثة مستويات طاقة: مستوى القيمة، مستوى التوصيل، ومنطقة الحظر.
مستوى القيمة هو المستوى الأدنى من الطاقة حيث يكون الإلكترونات بالعادة موجودة. مستوى التوصيل هو المستوى الأعلى من الطاقة حيث يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية. منطقة الحظر هي الفجوة بين مستوى القيمة ومستوى التوصيل، حيث لا يمكن وجود الإلكترونات.
يمكن تنشيط الفسفوريات بإضافة الشوائب أو المضافات، والتي تخلق مستويات طاقة إضافية ضمن منطقة الحظر. تعمل هذه المستويات كفخاخ للإلكترونات أو الثقوب (الشحنات الموجبة) التي يتم تحفيزها بالإشعاع أو المجالات الكهربائية. عندما تعود هذه الإلكترونات أو الثقوب إلى حالاتها الأصلية، تقوم بإطلاق الطاقة كفوتونات ضوء.
كيف يقوم طلاء الفوسفور بتحويل الإشعاع فوق البنفسجي إلى ضوء مرئي
عملية تحويل الإشعاع فوق البنفسجي إلى ضوء مرئي بواسطة طلاء الفوسفور تسمى الفلوريسنس. يحدث الفلوريسنس عندما ذرة أو جزيء يمتص فوتونًا من الإشعاع عالي الطاقة ويصدر فوتونًا من الإشعاع أقل طاقة. يتم تبدد الفرق في الطاقة بين الفوتون الممتص والفوتون المنبعث كحرارة.
يوضح الرسم التالي كيفية عمل الفلوريسنس في طلاء الفوسفور المكون من كبريتيد الزنك (ZnS) مع فضة (Ag) كمحفز.
نموذج الفسفور لكبريتيد الزنك
أ - ب :- قفزة الإلكترون
ب - هـ :- هجرة الإلكترون
هـ - د :- قفزة الإلكترون
د - ج :- قفزة الإلكترون
أ - ج :- هجرة الثقب
فوتون من الإشعاع فوق البنفسجي بموجة طول 253.7 نانومتر يصطدم بطبقة الفوسفور ويحفز إلكترونًا من ذرة الكبريت (S) إلى ذرة الزنك (Zn). هذا يخلق ثقبًا موجبًا في مستوى القيمة وإيون سالبًا (Zn^-) مع إلكترون إضافي في مستوى التوصيل.
الإلكترون الإضافي يهاجر من إيون Zn^- واحد إلى آخر عبر الشبكة البلورية في مستوى التوصيل.
في الوقت نفسه، ينتقل الثقب الموجب من ذرة S واحدة إلى أخرى في مستوى القيمة حتى يصل إلى ذرة Ag، والتي تعمل كفخ.
تعمل ذرة Ag على التقاط الإلكترون من إيون Zn^- القريب منها وتتحول إلى حالة محايدة (Ag^0). وهذا يؤدي إلى إطلاق فوتون من الضوء المرئي بموجة طول أطول من فوتون الإشعاع فوق البنفسجي.
يعود الإلكترون من ذرة Ag^0 إلى ذرة S حيث تم إنشاء الثقب، مما يكمل الدورة.
يعتمد لون الضوء المرئي على الفرق في الطاقة بين مستوى الفخ للفضة ومستوى Zn^-. يمكن للمضافات المختلفة أن تخلق مستويات فخ مختلفة وبالتالي ألوان مختلفة. على سبيل المثال، يمكن للنحاس (Cu) أن ينتج ضوءًا أخضر، ويمكن للمنغنيز (Mn) أن ينتج ضوءًا برتقاليًا، ويمكن للكادميوم (Cd) أن ينتج ضوءًا أحمر.
أنواع وتطبيقات طلاء الفوسفور
هناك العديد من أنواع طلاء الفوسفور التي يمكن استخدامها في المصابيح الفلورية، اعتمادًا على اللون والنوعية المرغوبة للضوء. بعض الأنواع الشائعة هي:
الهالوفوسفات: وهو خليط من الهالوفوسفات الكالسيوم (Ca5(PO4)3X) والتونستات المغنيسيوم (MgWO4)، حيث يمكن أن يكون X الفلور (F)، الكلور (Cl)، أو البروم (Br). ينتج الضوء الأبيض بنغمة صفراء أو زرقاء، اعتمادًا على نسبة F إلى Cl أو Br. له مؤشر إظهار الألوان منخفض، مما يعني أنه لا يمكنه إظهار الألوان بدقة. كفاءة المصباح حوالي 60 إلى 75 لومين/واط.
التريبوسفور: وهو خليط من ثلاثة فسفوريات مختلفة، كل منها تصدر لونًا أساسيًا من الأحمر والأزرق والأخضر. تنتج هذه الألوان مجتمعة الضوء الأبيض بمؤشر إظهار الألوان عالي يتراوح بين 80 إلى 90 وكفاءة مصباح حوالي 80 إلى 100 لومين/واط. تكلف المصابيح التريبوسفورية أكثر من مصابيح الهالوفوسفات، لكنها توفر جودة أفضل للألوان وكفاءة أعلى للطاقة.
الفوسفور المتعدد: وهو خليط من أربعة أو أكثر من الفسفوريات، كل منها تصدر لونًا مختلفًا من الطيف المرئي. الهدف هو خلق توزيع طيفي مستمر وسلس يحاكي ضوء النهار الطبيعي. تتميز مصابيح الفوسفور المتعدد بأعلى مؤشر إظهار ألوان يتجاوز 90 وكفاءة مصباح حوالي 90 إلى 110 لومين/واط. كما أنها الأكثر تكلفة من بين مصابيح الفلور، لكنها توفر أفضل أداء للألوان وراحة بصرية.
يمكن تطبيق طلاء الفوسفور بطرق مختلفة، مثل الرش أو الغمس أو الإيدروفوريسيس. تؤثر السمك والتساوي في الطلاء على إنتاج الضوء وجودة المصباح. يمكن أيضًا أن يتدهور طلاء الفوسفور مع مرور الوقت بسبب التعرض للحرارة والرطوبة والإشعاع فوق البنفسجي، مما يؤدي إلى انخفاض السطوع وتغير اللون.
يُستخدم طلاء الفوسفور على نطاق واسع في العديد من التطبيقات التي تتطلب إضاءة عالية الجودة وكفاءة الطاقة، مثل:
الإضاءة العامة: يمكن لطبقة الفوسفور توفير الضوء الأبيض بدرجات حرارة لونية مختلفة ومعاملات إظهار ألوان مختلفة، اعتمادًا على احتياجات وتفضيلات المستخدمين. على سبيل المثال، الضوء الأبيض الدافئ (2700 إلى 3000 كلفين) مناسب للمنازل والفنادق، بينما يفضل الضوء الأبيض البارد (4000 إلى 5000 كلفين) للمكاتب والمساحات التجارية.
إضاءة العرض: يمكن لطبقة الفوسفور تعزيز مظهر وجاذبية المنتجات واللوحات الفنية بتوفير ألوان حية ودقيقة. على سبيل المثال، يمكن استخدام مصابيح التريبوسفور أو الفوسفور المتعدد لعرض الفواكه والخضروات واللحوم والأزهار واللوحات الفنية وغيرها.
إضاءة المجال الطبي: يمكن لطبقة الفوسفور تحسين الرؤية والتشخيص للحالات الطبية بتوفير ضوء عالي الجودة ومظهر طبيعي. على سبيل المثال، يمكن استخدام مصابيح الفوسفور المتعدد للعمليات الجراحية والفحوصات الطبية والعلاجات الجلدية وغيرها.
الإضاءة الخاصة: يمكن لطبقة الفوسفور خلق آثار ووظائف مختلفة عن طريق إصدار ألوان أو أطوال موجية مختلفة من الضوء. على سبيل المثال، تستخدم مصابيح الضوء الأسود فسفوريات تصدر إشعاعًا فوق البنفسجي يمكن أن يجعل بعض المواد تتوهج في الظلام. تستخدم مصابيح التعقيم فسفوريات تصدر إشعاعًا فوق البنفسجي UV-C يمكن أن يقتل البكتيريا والفيروسات. تستخدم مصابيح النمو فسفوريات تصدر ضوءًا أحمر وأزرق يمكن أن يحفز نمو النباتات.
الخاتمة
طبقة الفوسفور هي مكون أساسي في المصابيح الفلورية يقوم بتحويل الإشعاع فوق البنفسجي إلى ضوء مرئي. يحدد اللون والنوعية للضوء الذي ينتجه المصباح. هناك أنواع مختلفة من طلاء الفوسفور يمكن استخدامها لأغراض وتطبيقات مختلفة. يمكن لطبقة الفوسفور توفير حلول إضاءة عالية الأداء وكفاءة الطاقة لاحتياجات وتفضيلات مختلفة.
بيان: احترام الأصل، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى الاتصال للحذف.
