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Lumineszenz

Oh, guck mal, es leuchtet! 

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Lumineszenz

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Oh, guck mal, es leuchtet!

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.

Als Lumineszenz wird das Phänomen beschrieben, dass ein Stoff durch Energiezufuhr in einen angeregten Zustand versetzt wird und beim Zurückfallen in den Ausgangszustand Photonen aussendet. Es handelt sich hierbei nicht um Wärmestrahlung.

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.

Erinnerst Du Dich an den Welle-Teilchen-Dualismus von Licht? Die Photonen repräsentieren hierbei die Teilchen-Eigenschaft des Lichts, während die Art ihrer Ausbreitung über die Wellen-Eigenschaft beschrieben wird.

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:

Übergruppeeinzelne UnterartenAnregung des Systems
PhotolumineszenzFluoreszenzPhotonen
PhosphoreszenzPhotonen
Biolumineszenz-chemische Reaktionen in lebenden Organismen
Chemilumineszenz-chemische Reaktionen
Sonolumineszenz-Schallwellen
Thermolumineszenz-Temperaturerhöhung

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.

Die Fluoreszenz zeichnet sich dadurch aus, dass sofort eine Lumineszenz auftritt, wenn die Probe durch Licht angeregt wird. Endet die Anregung, endet auch direkt die Lumineszenz. Die Stoffe werden auch als Fluorophore bezeichnet.

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.

Natürlich hat auch das S in diesem Fall eine Bedeutung. Das S repräsentiert hier den Singulett-Zustand. Das bedeutet, dass die Spins der Elektronen einander kompensieren. Der Spin ist eine Eigenschaft von Elektronen und kommt aus dem Orbitalmodell. Bei dieser Erklärung findest Du auch weitere zahlreiche Erläuterungen zum Spin.

Für den Moment reicht es, wenn Du weißt, dass der Spin in etwa die Drehrichtung beschreibt – entweder gegen oder mit dem Uhrzeigersinn. Allerdings ist diese Eigenschaft eher theoretisch, die Elektronen müssen sich nicht permanent um sich selbst drehen. Wenn es genau gleich viele Elektronen in jede Drehrichtung gibt, spricht man dann vom Singulett-Zustand. Dies ist beispielsweise bei allen Edelgasen der Fall.

Falls Du Dich nun fragst: Fluoreszenz hat nicht zwingend etwas mit Fluor am Hut. Tatsächlich wurde dieses Phänomen jedoch erstmals am Fluorit beobachtet. Daher stammt der Name, der auch heute noch verwendet wird. Fluorit selbst ist dabei ein Kristall, der auch unter dem Namen Flussspat bekannt ist. Chemisch betrachtet handelt es sich um Calciumfluorit (CaF2).

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.

Phosphoreszenz beschreibt eine Form der Lumineszenz. Es kommt ebenfalls zur Anregung, bei der kurz darauf Photonen ausgesendet werden. Allerdings bleibt diese Form der Lumineszenz noch erhalten, wenn die Anregung selbst schon vorbei ist. Die jeweiligen Stoffe werden als Phosphore bezeichnet.

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.

T steht in diesem Fall für Triplett. Der Zustand wird erreicht, wenn es zwei nicht gepaarte Elektronen gibt, die in die gleiche Richtung drehen. Das sind etwa die Elemente der zweiten Hauptgruppe, wie Magnesium und Calcium.

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.

Auch hier stammt der Name wieder von weißem Phosphor, der an der Luft eine bläuliche Lumineszenz aufwies. Interessanterweise wissen die Chemiker*innen heute, dass es sich dabei um keine Photolumineszenz handelte, sondern um eine Chemilumineszenz.

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.

Vielleicht warst auch Du eines dieser Kinder, die einen Sternenhimmel an der Zimmerdecke hatten. Früher hat Dich das vielleicht besonders fasziniert, jetzt sind andere Dinge wichtiger. Dennoch hattest Du in diesem Fall eine Phosphoreszenz vor Dir. Über den Tag hat Licht für eine Anregung gesorgt. In der Nacht sind die Elektronen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückgefallen, was Du dann als Leuchten der Sterne wahrgenommen hast.

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

Schwarzlicht ist immer eine sehr faszinierende Sache, besonders wenn Du weiße Kleidung trägst. Und plötzlich leuchten auch Deine Zähne. Tatsächlich handelt es sich bei Schwarzlicht um UV-Strahlung. Fluoreszenz sorgt dann dafür, dass Du leuchtest.

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.

Lumineszenz Biolumineszenz Algen StudySmarterAbbildung 3: Biolumineszenz von Algen

In dieser Aufnahme sind das leuchtende Algen. Im Fall von Pyrocystis lunula entsteht eine solche Lumineszenz, wenn die Einzeller gestört oder aufgewühlt werden. Fischarten hingegen zeigen solches Leuchtverhalten auch zur Partnersuche. Die in der Einleitung erwähnten Glühwürmchen leuchten eben aus genau diesem Grund.

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:

C8H7N3O2+H2O2Fe2+3-APA*3-APA

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

Bei Glühwürmchen wird Luciferin durch das Enzym Luciferase oxidiert und dabei in die angeregte Form von Oxyluciferin umgewandelt. Das typische Leuchten entsteht, wenn eben jenes Oxyluciferin in seinen Grundzustand zurückfällt.

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.

Doch damit ist die Faszination noch nicht beendet. Die Lichtblitze, die hier entstehen, liegen hauptsächlich im UV-Bereich. Dies deutet darauf hin, dass die bei der Aussendung entstehenden Temperaturen sogar die Temperaturen der Sonne übersteigen.

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.

Der metastabile Zustand ist ein Zustand, der im ersten Moment stabil wirkt, aber sehr langsam weiter reagiert. Besonders gegenüber kleinen Änderungen ist er dennoch stabil. Du willst die genauen Hintergründe kennen? Schau Dir ganz einfach das StudySmarter Original zum Thema an!

Wird das Sediment nun erneut erhitzt, tritt im ersten Moment die nicht zu beachtende thermische Strahlung auf. Diese kann mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz vorhergesagt werden und ist daher nicht weiter relevant für Dich. Alle Strahlung, die darüber hinaus auftritt, ist auf die Thermolumineszenz zurückzuführen. Beim Erhitzen selbst lockert sich das Kristallgitter und die Elektronen verlassen ihren metastabilen Zustand. Sie fallen zurück in ihren Grundzustand. Die Energiedifferenz wird in Form von Licht ausgesendet.

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.

Lumineszenz – Das Wichtigste

  • Lumineszenz beschreibt die Aussendung von Photonen beim Zurückfallen von Elektronen in den Grundzustand.
  • Die Anregung geschieht dabei auf verschiedene Weisen:
    • Photolumineszenz
    • Bio- und Chemilumineszenz
    • Sonolumineszenz
    • Thermolumineszenz
  • Die Photolumineszenz wird unterschieden in Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Entscheidend ist dabei die Dauer des Leuchtens nach Ende der Anregung.
  • In der Bio- und Chemilumineszenz wird ein Stoff durch eine Oxidation in einen angeregten Zustand versetzt. Die notwendige Reaktion ist immer exotherm.
  • Sonolumineszenz basiert auf Schallwellen, die in Luftbläschen in Lichtblitze umgewandelt werden. Dieses Phänomen ist jedoch noch nicht ausreichend untersucht.
  • Die Thermolumineszenz kann genutzt werden, um gespeicherte Energie in Feststoffen in Form von Licht freizusetzen. Dabei ist eine Altersbestimmung möglich.

Nachweise

  1. Weber (2021). Lumineszenz bei Komplexen, In: Koordinationschemie. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg.
  2. spektrum.de (1995). Sonolumineszenz - Spektrum der Wissenschaft (02.09.2022).
  3. Friedrich et al. (2022). Datierungsmethoden, In: Geoarchäologie. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg.
  4. Abbildung 3: Biolumineszenz von Algen (https://unsplash.com/photos/nsKKH8ILrkM) von Trevor McKinnon unter der Lizenz CC0 1.0.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Lumineszenz

Lumineszenz beschreibt allgemein das Aussenden von Photonen nach vorheriger Anregung. Fluoreszenz ist eine Form der Lumineszenz. Die Lumineszenz tritt dabei sofort mit Anregung statt, endet aber direkt mit fehlender Anregung. 

Es werden unterschieden: 

  • Photolumineszenz 
  • Biolumineszenz 
  • Chemilumineszenz 
  • Sonolumineszenz
  • Thermolumineszenz

Lumineszenzstrahlung beschreibt die ausgesendete elektromagnetische Strahlung in Form von Photonen. Du nimmst diese meist als Licht wahr. 

Biolumineszenz beschreibt das Aussenden von Licht, nachdem die Stoffe durch eine chemische Reaktion angeregt wurden. Der ganze Prozess findet in einem lebenden Organismus statt. 

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