Lumineszenz

Sicherlich hast auch Du diesen Spruch in Deiner Kindheit gehört oder sogar selbst gesagt. Erinnere Dich daran, wie faszinierend Glühwürmchen waren. Inzwischen sind es vielleicht nicht mehr die Glühwürmchen, die Du so spannend findest, aber es ist immer noch schön, wenn es leuchtet. Das können zum Beispiel fluoreszierende Pflanzen und Tiere sein oder Reaktionen im Chemie-Unterricht, die leuchten. Dabei haben sie alle etwas gemeinsam: das Phänomen der Lumineszenz!

Lumineszenz Definition

Ganz einfach formuliert spricht man von Lumineszenz, sobald es leuchtet. In der Wissenschaft selbst wird das etwas komplizierter formuliert.

Tatsächlich wird in einigen Fällen die ausgesendete Strahlung selbst als Lumineszenz beschrieben. Damit Du hier allerdings nicht durcheinander kommst, ist immer von dem Gesamtprozess die Rede, wenn diese in der Erklärung erwähnt wird.

Die ausgesendete Strahlung hingegen ist eine elektromagnetische Strahlung. Die Photonen dabei sind die Teilchen. Sie werden auch Lichtpakete genannt.

Lumineszenz Erklärung

Bevor Du eintauchst in die vielen verschiedenen Arten des Leuchtens, ist es noch wichtig, dass Du verstehst, wie es dazu überhaupt kommt.

Laut Definition kommt es also im ersten Schritt zu einer Anregung des Atoms oder der Atome. Das kann über verschiedene Möglichkeiten geschehen, die im nächsten Schritt allerdings noch genauer beschrieben werden. Eine solche Anregung bedeutet, dass Energie in welcher Form auch immer zugeführt wird.

Das Ganze kannst Du Dir am Beispiel eines ruhigen Sees verdeutlichen. Wenn es keine Boote darauf gibt und auch keine Enten darauf herumschwimmen, liegt dieser ganz ruhig vor Dir. Nun nimmst Du einen Stein und wirfst ihn hinein. Damit führst Du dem See Energie zu. Es wird damit ein angeregter Zustand erreicht, der jedoch instabil ist. Die Teilchen wollen in ihren Grundzustand zurückkehren. Bei der Rückkehr entstehen dabei Wellen, die sich ausbreiten. Kommt es zur Lumineszenz, sind diese Wellen die ausgesendeten Photonen.

Auch wenn das bisher noch kompliziert klingt, wirst Du spätestens im Abschnitt zur Fluoreszenz und Phosphoreszenz deutlicher sehen, wie sich eine solche Änderung im Energieniveauschema auswirkt.

Die wichtigsten Arten von Lumineszenz

Wie bereits erwähnt, wird Lumineszenz nach den Arten unterschieden, wie Energie zugeführt wird. Die folgende Tabelle gibt Dir dabei einen Überblick über die wichtigsten Arten:

Auf die einzelnen Arten wird nun noch genauer eingegangen, damit Du wie versprochen auch sehen kannst, wie sich eine solche Anregung im Energieniveauschema auswirkt. Entsprechend wird mit der charakteristischsten Art angefangen, der Photolumineszenz.

Photolumineszenz

In diesem Fall wird die Anregung durch Photonen selbst herbeigeführt. Einfach formuliert heißt das, dass die Probe mit Licht bestrahlt wird. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um UV-Licht, das Du selbst nicht siehst. Die Wellenlänge des Lichts kann aber auch im sichtbaren Bereich liegen. Ein Beispiel dafür ist Sonnenlicht.

Luminiszenz Fluoreszenz

Schau Dir zunächst die Fluoreszenz genauer an. Erinnere Dich beispielsweise an die fluoreszierenden Glühwürmchen, von denen Du am Anfang schon gelesen hast.

Du beginnst auf dem Level S₀. Als solches wird der Grundzustand beschrieben, den ein Elektron hat, mitsamt seiner typischen Energie. Wird das gesamte Atom bestrahlt, kommt es zur Absorption A. Dabei wird Energie aufgenommen und das Elektron in einen angeregten Zustand überführt. Abhängig von der Energiemenge kann das der Zustand S₁, S₂ oder S₃ sein. Eine Fluoreszenz findet jedoch nur ausgehend vom Energieniveau S₁ statt.

Für alle Elektronen, die höher liegen, kommt es somit zuerst zu einer internen Konversion (IC). Dabei wird die überschüssige Energie in Form von Wärme abgegeben. Der Übergang selbst ist strahlungslos.

Anschließend fallen alle Elektronen vom S₁-Level zurück in den Grundzustand. Die überschüssige Energie wird dabei wieder in Form eines Photons abgegeben. Es kommt zur sogenannten Fluoreszenz F. Dieser Prozess ist in weniger als einer Millionstel-Sekunde vollständig durchlaufen, da der angeregte Singulett-Zustand nicht stabil ist.

Phosphoreszenz

Dieser Prozess ist deutlich unbekannter, tritt aber nicht unbedingt seltener auf. Tatsächlich bist Du auch hier sicherlich schon einigen Beispielen in Deiner Kindheit begegnet, doch dazu gibt es später noch mehr. Erst einmal siehst Du, was es mit Phosphoreszenz auf sich hat.

Die Anregung zur Phosphoreszenz geschieht auf dem gleichen Weg wie für eine Fluoreszenz. Es kommt zur Absorption und ebenfalls zur internen Konversion zum Zustand S1. Im Fall der Fluoreszenz findet dann allerdings jedoch ein ISC, ein intersystem crossing statt. Als solche wird ein Spinwechsel bezeichnet. Die Vertiefung hat Dir vorhin erklärt, was ein Spin ist. Bei diesem Prozess ändert sich die Spinrichtung der Elektronen. Die Folge davon ist, dass sich die Spins nicht mehr ausgleichen. Es entwickelt sich der T₁-Zustand, der energieärmer ist.

Tatsächlich ist dieser T1-Zustand jedoch vergleichsweise stabil und wird auch als metastabiler Zustand bezeichnet. Aufgrund dieser Stabilität erfolgt das Zurückfallen in den Grundzustand deutlich langsamer, wodurch das typische Nachleuchten der Phosphoreszenz entsteht.

Fluoreszenz und Phosphoreszenz im Alltag

Da stellt sich an dieser Stelle natürlich die Frage, wie Du auch im Alltag diese zwei Formen unterscheiden kannst. Das wichtigste Erkennungsmerkmal ist dabei natürlich, ob der Stoff nachleuchtet oder nicht. Zudem musst Du wissen, ob überhaupt Licht für die Aktivierung notwendig ist. Ein paar der kommenden Beispiele hast Du allerdings sicherlich schon erlebt.

Aber auch das nächste Beispiel hat bestimmt ebenfalls bei Dir schon für Faszination gesorgt.

Biolumineszenz und Chemilumineszenz

Da diese beiden Formen sehr nah miteinander verwandt sind, werden sie hier gemeinsam betrachtet. Glühwürmchen sind allerdings nicht die einzigen leuchtenden Tiere. Tatsächlich gibt es vorwiegend viele marine Lebewesen, die eine Art von Lumineszenz durchführen.

Abbildung 3: Biolumineszenz von Algen

Doch genug Biologie, zurück zur Chemie: Was passiert da eigentlich?

Lumineszenz Reaktion

Das grundlegende Prinzip der Anregung und des Zurückfallens in den Grundzustand bleibt in jedem Fall gleich. Wie zuvor schon erwähnt, ändert sich jedoch die Art der Anregung. Bei einer Chemilumineszenz findet eine solche Anregung durch die Reaktion selbst statt.

Ein Beispiel soll der Nachweis von Blut sein, wie er auch heute noch in der forensischen Chemie angewendet wird. Dabei wird eine Luminollösung verwendet, die Wasserstoffperoxid enthält. Luminol wird dabei zuerst in einen angeregten Zustand oxidiert und sendet beim Zurückfallen ein Leuchten aus. Durch einen Katalysator kann diese Reaktion verstärkt werden, was mit einem stärkeren Leuchten einhergeht. Blut kann als ein solcher Katalysator wirken, da es die notwendigen Eisen-Ionen (Fe²⁺) enthält. Die Reaktionsgleichung lässt sich folgendermaßen beschreiben:

${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_7{\mathrm{N}}_3{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{Fe}}^{2+}}{\to }3-\mathrm{APA}*\to 3-\mathrm{APA}$

Luminol + Wasserstoff → 3-Aminophthalat* →3-Aminophthalat

Wichtig bei diesen Reaktionen ist, dass sie in allen Fällen exotherm ablaufen. Nur so kann die Energie freiwerden, die dann in Form von Lichtquanten ausgesendet wird.

Sonolumineszenz

Diese Form der Lumineszenz soll natürlich nicht vergessen werden. Denn keine Sorge, Du wirst definitiv nicht anfangen zu leuchten, wenn Du zu laut Musik hörst. Dennoch ist Sonolumineszenz ein spannender Bereich, da er zudem auch noch nicht vollständig verstanden ist.

Bisher hat man dieses Phänomen jedoch an Luftblasen entdeckt, die sich in Wasser befinden. Diese minimal kleinen Luftbläschen wurden mit Ultraschallwellen beschallt. Die Schallwellen sammeln sich in der Luftblase und werden dort gebündelt. Durch millionenfache gegenseitige Verstärkung wird die Energie schließlich zu groß und es werden Lichtpulse von etwa einer Billionstel-Sekunde ausgesendet.

Lumineszenz Datierung

Ganz am Anfang hast Du gelernt, dass Lumineszenz nicht mit der Strahlung verwechselt werden darf, die durch hohe Temperaturen entsteht. Tatsächlich ist es jedoch möglich, dass beide Strahlungen parallel auftreten.

Damit Thermolumineszenz vorhanden ist, muss die Probe bereits einmal Strahlung ausgesetzt gewesen sein. Besonders in Sedimenten sind dabei Strahlungsschäden entstanden, der frei gewordene Energie allerdings im Kristallgitter des Feststoffes gespeichert wurde. Diese Atome sind in einen metastabilen Zustand übergegangen.

Je länger die Energie im Stoff gespeichert wurde, desto stärker ist das Licht, das ausgesendet wird. Entsprechend ist es möglich, das Alter der Stoffe zu datieren. Das Verfahren wird besonders in der Archäologie zusammen mit der ¹⁴C-Datierungsmethode verwendet.

Der Vorteil der Thermolumineszenz liegt darin, dass sie auch auf nicht organisches Material angewendet werden kann. Allerdings ist diese Lumineszenz nur beim ersten Erhitzen zu beobachten, da die Energie dann bereits verwendet wurde. Zudem können Sedimente, die noch nie bestrahlt wurden, ebenfalls nicht untersucht werden.