探寻自然中的磷光：哪些生物或物质会发磷光，其发光机制是什么？

自然界中存在着多种发光现象，其中磷光是一种特殊且迷人的类型。它与我们更常听说的荧光有所不同。让我们一起来探寻自然中的磷光：

• 荧光： 物质吸收光（或其他能量）后，几乎立即（通常在纳秒到皮秒级别）重新发射出不同波长的光。一旦停止激发光源，发光现象立即停止。
• 磷光： 物质吸收光（或其他能量）后，需要一段时间（从毫秒到数小时不等）才能将能量以光的形式释放出来。这意味着即使移除了激发光源，物质仍然会持续发光一段时间。这就是我们常说的“夜光”效果。

自然界中纯粹的、显著的磷光现象在生物体中相对少见，远不如生物荧光和生物发光（如萤火虫、某些深海鱼）普遍。磷光现象更多地存在于矿物质和一些人工合成材料中。

矿物质（无机物）:

• 磷灰石： 这是磷光现象得名的矿物。某些含特定杂质的磷灰石在受到紫外线照射后，能发出绿色或蓝绿色的磷光。
• 方解石： 某些方解石在紫外线照射后能发出红色、橙色或粉色的磷光。
• 白钨矿： 常发出蓝色磷光。
• 硅锌矿： 常发出绿色磷光。
• 一些铀矿物： 如某些铀矿在紫外线下会发出绿色磷光（但通常伴随着更强的荧光）。
• 夜明珠： 历史上所谓的“夜明珠”，很多被认为可能是含有磷光矿物的特殊石头（如萤石、方解石等变种），但真正的、天然的、持久明亮的“夜明珠”非常罕见，且其发光机制也常包含荧光成分。

生物体（有机物 - 相对少见且微弱）:

• 某些真菌： 有报道称一些蘑菇在黑暗环境中能发出微弱的、持续性的光，这可能包含磷光成分，但研究相对较少且发光通常较弱。
• 某些海洋生物： 例如一些多毛类蠕虫（如 Chaetopterus）的分泌物或卵囊被报道具有长时间的磷光。某些水母或珊瑚的蛋白质也可能表现出非常微弱的磷光特性。
• 叶绿素： 植物中的叶绿素在光照停止后，会发出极其微弱且短暂的（毫秒级）红色磷光，这是其光合作用过程中能量传递研究的一个特征。
• 骨骼和牙齿： 由于含有磷灰石成分，在强紫外灯照射下移开光源后，有时能观察到极其微弱的、短暂的磷光。

人工合成材料：

• 夜光涂料/材料： 这是最常见的磷光应用。传统材料如硫化锌掺铜（发绿光），现代材料如铝酸锶掺铕（发蓝绿光）或掺镝（发黄绿光）。这些材料吸收光能（日光或灯光）后，能在黑暗中持续发光数小时。
• 某些塑料和染料： 一些特殊合成的有机化合物也具有磷光性质。

磷光和荧光都源于物质吸收能量后，其电子从基态跃迁到激发态。当电子从激发态回到基态时，会以光子的形式释放能量（发光）。它们的区别在于激发态的类型和返回基态的路径。

激发： 物质吸收光能（通常是紫外光或蓝光），电子从基态（通常是单线态 S₀）跃迁到激发态（单线态 S₁ 或 S₂）。高能级的激发态（如 S₂）会快速通过非辐射跃迁（如振动弛豫）降到最低激发单线态 S₁。

荧光： 电子直接从单线态激发态 S₁ 跃迁回到基态 S₀，同时发射光子。这个过程是自旋允许的，因此非常快（约 10⁻⁹ 秒）。

磷光：

• 系间窜越： 处于单线态激发态 S₁ 的电子，其自旋可能发生翻转，通过一个称为“系间窜越”的过程，跃迁到一个能量较低但自旋不同的激发态——三线态 T₁。这个过程是自旋禁阻的，发生的概率相对较低，需要一定时间。
• 三线态滞留： 三线态 T₁ 是亚稳态。电子从三线态 T₁ 直接跃迁回单线态基态 S₀ 也是自旋禁阻的，因此这个过程非常缓慢（从毫秒到小时级）。
• 磷光发射： 最终，电子从三线态 T₁ 跃迁回单线态基态 S₀，释放出的能量就是磷光。由于三线态能量通常低于单线态（T₁ < S₁），磷光的波长通常比荧光长（即颜色偏红）。

• 吸收光能 -> 电子跃迁至单线激发态（S₁）。
• 系间窜越 -> 电子从单线态 S₁ 转入三线态 T₁（自旋翻转，较慢过程）。
• 滞留于三线态 T₁ -> 电子在亚稳态 T₁ 停留较长时间。
• 磷光发射 -> 电子缓慢地从三线态 T₁ 跃迁回基态 S₀，释放光子（波长通常较长）。

自然界中，显著的磷光现象主要存在于特定的矿物质（如磷灰石、方解石、白钨矿）中，这些矿物在吸收紫外线等光源后能持续发光一段时间。生物体中纯粹的、明显的磷光相对罕见且微弱。磷光的本质是电子在经历系间窜越进入亚稳态的三线态后，缓慢地返回基态时释放的光。这种机制导致了其标志性的“余晖”现象，与荧光的“即停即灭”形成鲜明对比。人工合成的磷光材料则广泛用于夜光制品。