Des pierres phosphorescentes.
On peut avoir tendance à confondre les termes de fluorescence et phosphorescence, pourtant ce sont deux choses différentes, à la fois au niveau fondamental et par leur manifestation durant la vie de tous les jours.
Les deux phénomènes sont liées à l’émission de lumière dite « froide ».

Commençons par définir la lumière : c’est une onde, donc une propagation d’énergie. Ensuite la matière : elle est composée d’atomes eux-mêmes fait d’un noyau et d’électrons.

Quand de la lumière ou une autre forme d’énergie arrive sur un électron de la matière, ce dernier peut capter son énergie. L’électron possède dès lors un surplus d’énergie par rapport à son niveau au repos : il est dit « excité ». L’électron se désexcite en libérant cette énergie sous une forme ou une autre : électricité, chaleur, potentiel chimique ou… de la lumière !

La fluorescence et la phosphorescence font partie des cas où l’électron se désexcite en émettant de la lumière, mais leur méthode d’action est différente selon qu’il s’agisse de l’une ou l’autre.

La fluorescence

Il s’agit de l’émission rapide de lumière après une absorption d’énergie :

Évolution des niveaux d’énergie d’un électron lors de la fluorescence.
La désexcitation lors de la fluorescence est très rapide.

Dans la phase 1, l’électron est éclairé et passe dans un état énergétique excité. Dans la phase 2, l’électron se débarrassant de son énergie sous forme de lumière.

Ce phénomène est instantané : aussitôt qu’un électron capte de l’énergie, il la ré-émet. Quand je dis « instantanée », on parle d’une durée de l’ordre de la nanoseconde.

La fluorescence est une émission lumineuse rapide suite à une absorption d’énergie par un électron.

Cette application est utilisée par exemple par dans les tubes « néon » (les anciens, colorés) et les tubes « fluorescents » (les modernes, et blancs, sans néon).
L’électricité excite le gaz dans le tube, qui va à son tour exciter les dépôts de poudres sur les parois : cette poudre va émettre de la lumière.

Vous pouvez essayer : frottez un tube fluorescent sur un pull en laine dans le noir total, et vous verrez des étincelles : le champ de l’électricité statique va exciter la poudre à l’intérieur qui va briller furtivement. C’est totalement sans danger et amusant.

C’est aussi la fluorescence qui est responsable de la brillance d’un t-shirt blanc sous la lumière noire dans les boîtes de nuit ou encore la raison pour laquelle certaines couleurs sont dites « couleurs fluo ». Dans ces cas, la lumière UV qui n’est pas visible est transformée en lumière visible par les pigments fluorescents : vu que la lumière incidente est noire et que la lumière émise est visible, c’est donc comme si les couleurs sont lumineuses.

La phosphorescence

Si la fluorescence est rapide, la phosphorescence est lente : tous les objets qui continuent de briller dans le noir après une exposition à la lumière fonctionnent par phosphorescence.

La différence se situe au niveau de la désexcitation : l’étape d’absorption d’énergie est la même, mais la restitution se fait en passant par un état intermédiaire, dit « état triplet » :

Évolution des niveaux d’énergie d’un électron lors de la phosphorescence.
La phosphorescence est un phénomène lent à cause d’un passage de l’électron par un état triplet, qui n’est pas instantané.

Avant de repasser dans son état de repos, l’électron passe par un état intermédiaire. Et c’est ce passage qui prend du temps. Une fois dans l’état intermédiaire, il peut revenir dans l’état de repos et émettre un rayonnement dit de phosphorescence.

Vu que le processus total prend du temps, parfois plusieurs heures, les objets phosphorescents peuvent briller dans le noir même après avoir éteint la lumière.

C’est le cas des aiguilles de certaines montres ou des peluches « Luminou » qui brillent dans le noir. Les cristaux dans la photo d’en-tête sont un exemple de phosphorescence aussi.

Exemples non-phosphorescents

À noter que certains vieux objets comme des vieilles montres du début du XXᵉ siècle avec les aiguilles phosphorescentes utilisaient comme source d’énergie non pas une exposition à la lumière, mais la désintégration radioactive du radium. Ces objets ne sont plus fabriqués aujourd’hui et il est recommandé de ne pas les porter sur soi : le radium étant radioactif et très dangereux.

Les petits bâtons lumineux « snap-light » qu’il faut plier en deux, briser une fiole et qui émettent une lumière chimique durant 8 heures ne sont pas phosphorescents mais fluorescent. C’est juste que c’est l’énergie d’activation qui est libérée de façon progressive : une réaction chimique lente entre plusieurs composés dont la réaction est chimioluminescence.

Dernier exemple, les petits porte clés « Glow-Ring » au tritium ne sont pas phosphorescents non plus. Comme les montres radioactives, ces tubes utilisent également un composé radioactif pour exciter un produit fluorescent. La radioactivité étant permanente, le porte clé brille continuellement durant plusieurs dizaines d’années. Ils sont en polycarbonate et moins dangereux que les montres, mais restent radioactifs et interdits.

Conclusion

Retenez donc que la différence visible se fait sur la durée : la fluorescence est courte et la phosphorescence est longue.

Tout ça à cause de comportements quantiques des électrons et la façon — lente ou rapide — dont ils se débarrassent de leur excédant d’énergie.

La plupart des éléments phosphorescents que vous pouvez éventuellement avoir chez vous comportent du sulfure de zinc, qui est responsable de la phosphorescence. Dans la photo d’en-tête de l’article, on voit des pierres à base de terres rares (lanthane, europium, dysprosium…) et est le matériau le plus phosphorescent connu à ce jour. Une fois activé avec une lumière bleue ou UV, et bien que sa luminosité baisse de façon exponentielle (donc très rapidement au début), il luit durant toute une nuit sans problème ! Son nom commercial sur le site qui le vendait était « kryptonite ».

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(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant en 2011. J’ai décidé de mettre à jour et de le déplacer ici)

Image d’en-tête : travail personnel.

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