Wie nauwkeurig een TL-lamp bekijkt, ziet dat het licht niet uit het binnenste van de lamp komt, zoals bij een gloeilamp, maar uit het glas zelf. Zo lijkt het althans.
De oorsprong van het TL-licht bevindt zich weliswaar binnenin de lamp, waar kwikdamp UV-licht uitzendt volgens een proces dat we elektroluminescentie noemen.
Maar wat we zien is licht dat via fluorescentie afkomstig is uit een dun laagje aan de binnenkant van de glasbuis. Daar zit een speciale stof die gevoelig is voor ultraviolet licht.
De kleur van chemie
Dit artikel is afkomstig uit het hoofdstuk ‘Licht op chemie’ uit de VU-uitgave ‘De kleur van chemie’, een bundeling van informatieve brochures voor scholieren.
Slimme samenstelling
De elektronen in de fluorescerende stof nemen de energie van het UV-licht op en gaan ermee ‘op stap’. Als ze na een tijdje weer op hun normale plaats terugkomen, dan leveren ze de extra energie weer in. Als er verder niets zou gebeuren, was dat precies de energie die ze ook opgenomen hadden. Ze zouden dan precies hetzelfde ultraviolette licht uitstralen dat ze hadden opgenomen.
In de stof aan de binnenkant van de TL-buizen gebeurt iets bijzonders. De elektronen van deze stof zijn, voordat ze hun extra energie weer inleveren bij terugkeer naar hun juiste plaats, een beetje van hun energie kwijtgeraakt. Daardoor is het licht dat ze uitstralen bij terugkomst minder energierijk dan ultraviolet: het is veranderd in zichtbaar licht.
Door een slimme samenstelling van de fluorescerende stoffen op de wand van TL-buizen, kan de lampenfabrikant het ultraviolette kwiklicht omzetten in elke gewenste kleur. Van warm-geel tot helder daglicht.
Er komt heel wat scheikunde aan te pas om stoffen te vinden die daarvoor precies de juiste eigenschappen hebben. Het zout Ca10(PO4)6FCl werd veel gebruikt. Deze stof gaat zichtbaar licht uitzenden als een paar calciumionen vervangen zijn door mangaan- en antimoonionen.
Inmiddels worden in TL-buizen zouten gebruikt die metaal-ionen bevatten uit onbekende uithoeken van het periodiek systeem. In elk scheikunde-lokaal hangt zo’n periodiek systeem, met onderaan twee rijen elementen die in het scheikundeboek niet of nauwelijks besproken worden. In de bovenste van die twee onderste rij staan de zogenoemde zeldzame-aard-metalen met schilderachtige namen als gadolinium (Gd), europium (Eu), cerium (Ce), terbium (Tb) en samarium (Sm). Onbekende elementen, die rustig hun lichtend werk doen in vrijwel alle TL-buizen.
Kleurverschuivers in wasmiddelen
Het is een fascinerend gezicht, het oplichten van (witte) kleren onder de ‘black lights’ van een disco. Kleding bevat vaak lichtgevende stoffen met dezelfde werking als die in TL-buizen. Het gaat om optische witmakers, aan wasmiddelen toegevoegd om gewassen kleding witter te laten lijken.
Oplichtende kleding onder de blacklight van de Spaanse discotheek Pacha in Sitges.
Optische witmakers zijn – net als de stoffen in een TL-buis – kleurverschuivers. De witmakers absorberen niet-zichtbaar ultraviolet licht en zetten dat om in zichtbare kleuren (vooral blauw). Samen met de ‘gewone’ witte kleur van het textiel geeft dat in zonlicht de indruk van schitterend helder wit. “Goed gewassen” denk je, en die gedachte was nu net de bedoeling van de wasmiddelenfabrikant.
Onder het ultraviolette licht van de ‘black light’ lampen in een discotheek zie je vooral het heldere blauwe licht van de optische witmakers. Vrijwel alle wasmiddelen kleuren het wasgoed bij met deze witmakers. Ze hechten behoorlijk goed aan het textiel. Vóór je het er echt uit hebt, moet je het textiel vaak gewassen hebben in een wasmiddel zonder witmaker.
Valsemunters met zonnebrand
Winkeliers controleren bankbiljetten vaak op echtheid onder een UV-lamp. Gewoon papier licht dan direct helder wit op, ‘echt’ bankbiljettenpapier niet. In bijna alle gewone papiersoorten zijn namelijk optische witmiddelen verwerkt, vergelijkbaar met de witmakers in waspoeder. Gewoon papier is van nature een beetje geel, en met optische witmakers is dat mooi wit te krijgen. In bankbiljettenpapier wordt géén witmaker gebruikt. Als een bankbiljet dus volledig oplicht onder UV-licht is er een oplichter aan het werk.
Wie de ontdekking van valse bankbiljetten dacht te frustreren door ze in te smeren met zonnebrandmiddel, krijgt te maken met een andere ‘truc’. Bankbiljettenpapier bevat namelijk een beperkte hoeveelheid vezels die wél met ‘kleurverschuivers’ zijn behandeld. Die fijne vezeltjes moeten bij controle aan de kassa dus wél helder oplichten. Als dat niet het geval is, heb je heel wat uit te leggen.
Merkstiften
Het zal nu niet meer verbazen dat een merkstift met z’n heldere kleuren op hetzelfde fluorescentie-principe berust. Net als bij witmakers in kleding, of de poeders in een TL-buis, verschuift een stof in de inkt van merkstiften het licht naar een andere kleur, zoals geel of groen.
Een gewone gele viltstift absorbeert blauw uit het daglicht, en kaatst de overblijvende kleuren terug. Samen lijken die dan geel. De gele kleur kan dus nooit helderder zijn dan het witte licht dat er op valt. Dat een goede merkstift méér geel licht kan uitstralen dan op de inkt valt, komt doordat ultraviolet en blauw licht omgezet wordt in extra geel licht.
Dat zo’n merkstift schijnt op te lichten is dus geen gezichtsbedrog. Ze zijn geler dan geel. En omdat het oog het meest gevoelig is voor geel, valt zo’n kleur extra op. Er zijn ook nep-merkstiften te koop die alleen een licht-gekleurde inkt bevatten, zonder echte ‘kleurverschuivers’. Voor wie het zeker wil weten, een black light of een UV lamp geeft op een overtuigende manier het antwoord: een ‘echte’ merkstift licht dan fel op, de kleur van een ‘nep’ merkstift verdwijnt helemaal.
Verwarring: fluorescerende fosforen?
Het begrip fluorescentie is afgeleid van het materiaal fluoriet. Kristallen van dit materiaal (calciumfluoride (CaF2) lichten heldergeel op als ze met blauw of UV-licht bestraald worden. Fluoriet is al eeuwenlang bekend als vloeimiddel in gesmolten glas, om het smeltpunt bij het glasblazen omlaag te brengen (het heet daarom ook wel vloeispaat). Toen het lukte het element naast calcium te isoleren, werd dit logischerwijs fluor genoemd. Dit heeft alles te maken met het gebruik als vloeimiddel (fluere = vloeien) maar niets met de fluorescentie. Fluorescerende stoffen bevatten dus geen fluor.
Vrije Universiteit
En het wordt nog ingewikkelder. Sinds de middeleeuwen worden oplichtende stoffen ook wel fosforen genoemd; fosfor betekent namelijk licht-drager. Veel van die lichtgevende stoffen bleken wél een karakteristiek element te bevatten. Toen dat in 1669 werd ontdekt, kreeg het logischerwijs de naam fosfor. Fosforescentie is het verschijnsel dat je wel kent van die lichtgroene lichtknopjes, plaatjes en stickers: ze geven licht in het donker, lang nadat het licht uitgedaan is. Lang wil in dit verband zeggen een paar tellen tot soms wel een kwartier.
Op zich is het onderscheid dus duidelijk: fluorescentie betreft kleurverschuiving tijdens belichten en fosforescentie gaat om oplichten na belichting.
Dat er nu toch verwarring is komt omdat onderzoekers het middeleeuwse woord fosforen gingen gebruiken voor de fluorescerende stoffen die ze maakten voor TL-buizen. Het was natuurlijk veel logischer geweest om die stoffen ‘fluoroforen’ te noemen. Maar dat is nooit gebeurd, zodat we nu met het rare begrip ‘fluorescerende fosforen’ zitten. Als er ooit TL-buizen komen die gewoon licht blijven geven nadat je ze hebt uitgedaan, dán heten de stoffen die daarvoor zorgen pas terecht fosforen.
(Overigens: stoffen die de hele nacht blijven gloeien vertonen geen fosforescentie maar een ander ‘lichtend’ verschijnsel waarbij een chemische reactie of een radioactieve stof voor de licht-energie zorgt.)
Vrije Universiteit Amsterdam
Het boek ‘De kleur van chemie’ werd in 2007 uitgegeven door de Faculteit der Exacte Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam (Afdeling Scheikunde en Farmaceutische Wetenschappen). Het is een geactualiseerde bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren. Ze belichten de rol van de scheikunde op tal van gebieden.