La fosforescencia es un tipo específico de fotoluminiscencia, fenómeno que consiste en la emisión de luz por una sustancia tras absorber energía de una radiación electromagnética (luz, UV, etc). En el campo de la química se suelen distinguir dos grandes tipos de fotoluminiscencia, la fluorescencia y la fosforescencia.
Ambos tipos se deben a un mecanismo similar. Ocurren cuándo los electrones de una sustancia absorben la energía de los fotones y pasan de un estado basal a un estado excitado de mayor energía. La diferencia de energía entre ambos estados determina la longitud de onda que la sustancia es capaz de absorber.
Cuándo los electrones vuelven al estado basal, la energía que había sido absorbida es de nuevo emitida de distintas formas. La forma de emisión más común es el calor pero algunas sustancias también la emiten en forma de radiación electromagnética. Cuándo la longitud de onda emitida está en el rango visible aparecen los fenómenos de fotoluminiscencia.
La energía de la radiación electromagnética emitida en la fotoluminiscencia suele ser menor a la energía de la radiación absorbida, ya que siempre hay parte de la energía absorbida que es disipada en forma de calor (energía vibracional):
En la fluorescencia la energía absorbida es rápidamente liberada, los electrones en estado excitado vuelven al estado basal casi al instante, en un período del orden de 10 nanosegundos. Esta rapidez ocurre cuándo la energía de los fotones involucrados coincide con la diferencia de energía entre los estados permitidos para los electrones excitados.
Sin embargo, en la fosforescencia la energía es liberada lentamente, lo que permite que las sustancias fosforescentes sigan emitiendo luz incluso horas después de que absorbieran la radiación excitadora. Esto se debe a que los electrones excitados pasan a través de lo que se denomina cruce intersistema, pasa por estados excitados intermedios que ralentizan la relajación hacia el estado basal y con ello la liberación de la energía absorbida.
Cuándo una sustancia pasa a estado excitado, puede pasar al estado singlete, estado excitado en el que todos sus electrones están apareados y el spin total es cero, o al estado triplete, un estado excitado con una multiplicidad de spin distinta a cero.
El paso de un sistema con una determinada multiplicidad de spin a otro sistema con multiplicidad de spin diferente, como ocurre en el paso de singlete excitado a triplete excitado, es lo que se denominada cruce intersistema. El cruce intersistema ocurre más fácilmente en sustancias con alto grado de acomplamiento y provoca que quede energía retenida en estados con transiciones «prohibidas» cuánticamente debido al spin.
El resultado es un proceso lento de transición radiativa que puede durar desde minutos hasta horas:
Las sustancias fosforescentes son muy utilizadas en materiales que se iluminan en la oscuridad sin necesidad de aplicar energía de forma continua. Por ejemplo, en las manecillas de relojes o en pinturas para señalizaciones de seguridad.
El sulfuro de cinc (ZnS) ha sido una de las sustancias fosforescentes más utilizadas, aunque en la actualidad se utilizan mucho más los aluminatos de estroncio que emiten durante mucho más tiempo y su emisión es más brillante. Existen diferentes tipo de aluminatos de estroncio que emiten en diferentes longitudes de onda, por ejemplo el SrAl2O4 emite picos en longitudes de onda de 520 nm (verde) y el SrAl4O7 en 480 nm (azul).