Karanlıkta Parlayan Maddeler Neden Parlar?

Fosforlu maddeler, gün içinde emdikleri ışığın bir kısmını depolayıp karanlıkta yavaş yavaş geri verdikleri için parlar. Işık, maddenin içindeki elektronları daha yüksek bir enerji düzeyine çıkarır. Bu elektronların bir kısmı kristal yapıdaki küçük kusurlara "takılır" ve oradan hemen dönemez. Oda sıcaklığındaki ısı onları zamanla birer birer serbest bırakır; her biri eski yerine dönerken küçük bir ışık parçacığı yayar. Gözümüzün gördüğü yumuşak ışıltı, bu yavaş boşalmanın kendisidir (Vikipedi, Phosphorescence).

Yani karanlıkta parlayan bir yıldız, saat kadranı ya da anahtarlık ışık üretmez. Ödünç aldığı ışığı geri öder.

Fosforlu maddeler neden parlar?

Bu olayın bilimsel adı fosforışıma (fosforesans). Işığı emip daha sonra yeniden yayan maddelerin genel adı ise fotolüminesanstır. Fosforesansın iki farklı mekanizması var (Vikipedi, Phosphorescence):

• Kısa süreli fosforesans: Işığı emen elektron, dönüşü kuantum kurallarına göre "yasaklı" sayılan bir duruma geçer. Yasaklı geçişler imkânsız değildir, sadece yavaştır. Bu tür ışıltı mikrosaniyelerden yaklaşık bir saniyeye kadar sürer; gözle fark etmek zordur.
• Kalıcı fosforesans: Oyuncaklarda ve anahtarlıklarda gördüğümüz budur. Elektron, kristaldeki bir kusura, örneğin eksik bir atomun bıraktığı boşluğa takılır. Isı enerjisi onu serbest bırakana kadar orada bekler. Bu ışıltı birkaç saniyeden birkaç saate kadar sürebilir.

Kaynak ilginç bir ayrıntı da veriyor: sıcaklık arttıkça takılı elektronlar daha hızlı serbest kalır. Bu yüzden sıcak bir ortamda fosforlu bir madde daha parlak ama daha kısa süre parlar; soğukta daha sönük ama daha uzun.

"Fosforlu" madde fosfor mu içerir?

Hayır. İsim karıştırıyor ama karanlıkta parlayan ürünlerdeki pigmentlerde fosfor elementi bulunmak zorunda değil. Kelime Yunanca phos (ışık) ve phoros (taşıyan) kökünden geliyor; "ışık taşıyan" anlamında. Fosfor elementi de 1677'de havayla temas edince parladığı için bu adı almış, ama onun parlaması aslında kimyasal bir tepkime (Vikipedi, Phosphorescence).

Fosforlu ile floresan arasındaki fark ne?

İkisi de ışığı emip yeniden yayar. Fark, ne kadar beklettiklerinde:

• Floresan maddeler ışığı neredeyse anında geri verir. Işık kaynağı kapandığı anda, nanosaniyeler içinde sönerler. Morötesi (siyah) ışık altında parlayan bir tişört ya da fosforlu kalem çizgisi buna örnek.
• Fosforlu maddeler ışığı bekletir. Kaynak kapandıktan sonra da saniyeler, dakikalar, hatta saatlerce parlamayı sürdürür.

Günlük dilde iki kelime sıkça karıştırılıyor; aradaki sınır bilimsel olarak da keskin değil (Vikipedi, Phosphorescence). Basit bir test: ışığı kapattığında parlama sürüyorsa fosforesans, hemen sönüyorsa floresan.

Kırılınca parlayan çubuklar da fosforlu mu?

Değil. Bükünce yanan ışık çubukları, içlerindeki iki sıvının karışmasıyla başlayan kimyasal bir tepkimeyle ışık üretir. Bunun adı kemilüminesans. Fosforesansta enerji emilen ışıktan gelir, kemilüminesansta kimyasal tepkimeden (Vikipedi, Chemiluminescence). Ateşböceklerinin ışığı da aynı ailedendir; canlılarda gerçekleştiği için biyolüminesans adını alır. Bu yüzden ışık çubuğu bir kez yanar ve biter, fosforlu bir oyuncak ise ışığa tutulduğu her seferde yeniden "dolar".

Karanlıkta parlayan maddeler neyden yapılır?

Bugün iki pigment öne çıkıyor:

• Çinko sülfür: Az miktarda bakırla katkılandırıldığında, karanlıkta parlayan ürünlerden tanıdığımız yeşilimsi ışıltıyı verir. Gümüş katkısı mavi, mangan katkısı turuncu-kırmızı bir ışık üretir (Vikipedi, Zinc sulfide).
• Stronsiyum alüminat: 1993'te geliştirilen bu malzeme, çinko sülfüre göre yaklaşık 10 kat daha parlak ve yaklaşık 10 kat daha uzun süre parlıyor. Bugün acil çıkış levhalarında, yol ve kaçış işaretlerinde kullanılıyor (Vikipedi, Phosphorescence). Ana renkleri yeşil ve açık mavi; yeşil en parlak, açık mavi en uzun süre parlayan ton (Vikipedi, Strontium aluminate).

Stronsiyum alüminatın tek başına parlaması zayıf. Uzun süreli ışıltıyı veren, kristale eklenen çok az miktardaki europyum ve disprosyum gibi nadir toprak elementleri (Vikipedi, Strontium aluminate). Yukarıda anlatılan "elektron tuzaklarını" kuran da bu katkılar.

Karanlıkta parlayan şeyler ne kadar süre parlar?

Pigmente, miktarına ve nasıl şarj edildiğine göre değişiyor. Günlük kullanımdaki ürünler çoğunlukla birkaç dakika ile birkaç saat arasında söner (Vikipedi, Phosphorescence). Işıltı her dakika aynı ölçüde azalmaz: en parlak an şarjın hemen ardından gelir, sonra giderek sönükleşen uzun bir kuyruk başlar.

Somut bir örnek: 3D yazıcı malzemesi üreten Prusa, kendi yüksek oranda stronsiyum alüminat içeren filamenti için şarjdan sonra birkaç dakika güçlü parladığını, fark edilir ışıltının büyük kısmının ilk bir buçuk saatte olduğunu ve tam karanlıkta 6–8 saat sonra hâlâ hafif bir parıltı görülebildiğini yazıyor (Prusa). Bu bir ürünün kendi ölçümü; her parlayan eşya için genelleme yapmamak gerek.

Fosforlu ürünler nasıl şarj edilir?

Sıradan bir oda ya da okuma lambası bile karanlıkta parlayan oyuncakları şarj etmeye yeter (Vikipedi, Phosphorescence). Ama her ışık aynı hızda doldurmaz. Prusa'nın aynı rehberine göre en etkili yol morötesi (UV) ışık; gün ışığı ve güçlü LED de işe yarar ama daha yavaş, sarı tonlu zayıf ampuller ise çok yavaş şarj eder (Prusa).

Pratikte yapabileceklerin:

• Parlamasını istediğin eşyayı yatmadan önce birkaç dakika güçlü bir ışığa tut. Telefonun el feneri de iş görür.
• Gündüz pencere önünde duran bir eşya, akşam karanlığında en parlak hâlinde olur.

Karanlıkta parlayan maddeler zararlı mı, radyoaktif mi?

Bugünkü fosforlu pigmentler radyoaktif değil; ışıklarını ışıktan alırlar. Stronsiyum alüminat kimyasal ve biyolojik olarak tepkimesiz, zehirsiz bir malzeme kabul ediliyor. Yalnızca toz hâlindeyken solunması ya da gözle, ağızla teması tahrişe yol açabilir (Vikipedi, Strontium aluminate). Bitmiş bir üründe pigment plastiğin ya da boyanın içine hapsolmuş durumdadır.

Radyoaktivite korkusunun tarihsel bir kökü var. 20. yüzyılın başında saat kadranları ve akrepleri, kendi kendine ışık veren radyum boyasıyla boyanıyordu. 1917'den itibaren ABD'deki fabrikalarda çalışan kadın işçilerden fırçalarının ucunu dudaklarıyla sivriltmeleri istendi; çoğu radyum yuttu ve ağır hastalıklara yakalandı (Vikipedi, Radium Girls). Radyum boyası bu yüzden çoktan terk edildi. Radyumun ışığı kaynağını ışıktan değil radyoaktif bozunmadan aldığı için şarj gerektirmiyordu; bugünkü fosforlu ürünler ise tam tersine, şarj edilmeden parlamaz.

Karanlıkta parlayan yıldız ve boya nasıl yapılır?

Tavana yapıştırılan yıldızlar ve fosforlu boyalar aynı ilkeye dayanır: fosforlu pigment, şeffafa yakın bir bağlayıcının (plastik, reçine, vernik) içine karıştırılır. Tavan yıldızlarında eskiden kullanılan bakır katkılı çinko sülfürün yerini günümüzde stronsiyum alüminat alıyor (Vikipedi, Strontium aluminate).

Evde parlayan bir şey yapmak istiyorsan en güvenli yol, hazır satılan fosforlu boyayı kullanmak. Toz pigmentle çalışacaksan tozu solumamaya ve gözüne kaçırmamaya dikkat et.

Karanlıkta parlayan filament ve PLA nasıl parlar?

3D yazıcıda kullanılan parlayan filamentler de aynı tarifle yapılır: PLA gibi bir plastiğin içine fosforlu pigment karıştırılır. Pigment taneleri sert olduğu için bu filamentler yazıcının memesini aşındırır. Prusa, en yüksek oranda stronsiyum alüminat içeren filamenti için pirinç memenin kısa sürede yıpranacağını söylüyor ve sertleştirilmiş meme kullanılmasını öneriyor (Prusa). Yani parlayan bir parçanın arkasında, yazıcı tarafında da ödenen bir bedel var.

Bizim atölyede de karanlıkta parlayan ürünler var. Karanlıkta parlayan hareketli iskelet anahtarlık, gündüz sıradan bir iskelet gibi görünüyor, gece fosforlu bir ışıltıyla parlıyor; ürün sayfasında yazdığı gibi karanlıkta anahtarlarını bulmayı da kolaylaştırıyor. Antalya'daki atölyemizde 3D yazıcıyla üretiliyor. Aynı temadaki diğer iskelet ve balkabağı modelleri anahtarlıklar kategorisinde.