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In diesem Artikel erfährst du alles rund um die Lumineszenz. Du lernst, was es mit der Lumineszenz auf sich hat, welche Arten von Lumineszenz für dich besonders wichtig sind und wo Lumineszenz im Alltag so auftritt. Oft werden organische Stoffe, die Lumineszenz, wie Fluoreszenz oder Phosphoreszenz, zeigen, für Färbungen verwendet. Daher gehört die Lumineszenz zum Thema Farbstoffe in der organischen Chemie - einem Teilgebiet der Chemie.
Stell dir vor, du wirfst einen großen klobigen Stein in einen ruhigen See - was wird passieren? Rund um die Stelle, auf die du den Stein geworfen hast, werden sich Wellen ausdehnen. Lumineszenz verläuft ziemlich ähnlich zu diesem Beispiel, nur dass es um Stoffe oder eher Moleküle geht und nicht einen ruhigen See.
Diese Stoffe sind bei normalen Bedingungen in einem elektronischen Grundzustand, so wie unser See im Beispiel ruhig war. Sie können nun in einen elektronisch angeregten Zustand überführt werden, indem dem System Energie zugefügt wird. Dies war in unserem Beispiel der Stein, der in den See geworfen wurde. Nun sind diese elektronisch angeregten Zustände instabil und die Teilchen wollen zum Grundzustand zurückkehren. Dies tun sie unter Aussendung von Licht, auch Emission von Licht genannt.
Oft wird anstelle von Licht auch von Strahlung gesprochen, um alle Bereiche der elektromagnetischen Strahlung abzudecken. In der Regel wird für die Absorption bei der Lumineszenz aber UV- und sichtbares Licht benötigt.
In unserem Beispiel handelt es sich hierbei um die Wellen, die sich um die Aufprallstelle ausdehnen. Diese Emission von Licht, nachdem ein Stoff in einen angeregten Zustand der Elektronen höherer Energie überführt wurde, wird Lumineszenz genannt.
Lumineszenz ist der Vorgang, bei dem ein zuvor angeregter Stoff durch Emission von Licht oder anderer Strahlung in den Grundzustand der Elektronen mit der niedrigsten Energie zurückkehrt.
Jetzt weißt du, worum es sich bei der Lumineszenz handelt, hiermit kannst du aber noch nicht viel anfangen. Das liegt daran, dass die wichtigste Information über die Lumineszenz fehlt: Wie werden die Elektronen vor der Lumineszenz angeregt? Und für diese Frage gibt es eine große Zahl an Antworten, die alle einen unterschiedlichen Namen tragen. Gemeinsam haben sie dennoch, dass die Namen auf Lumineszenz enden, mit Ausnahme der Fluoreszenz und der Phosphoreszenz, die Unterarten der Photolumineszenz bilden. Die Arten der Lumineszenz, die für dich als Chemieschüler*in besonders wichtig sind, findest du hier aufgelistet:
Falls es dich interessiert, findest du hier noch die restlichen bekannten Arten der Lumineszenz:
| Arten von Lumineszenz | Anregung der Elektronen durch: |
| Aquolumineszenz | Auflösen von Kristallstrukturen in Wasser |
| Biolumineszenz | Biochemische Reaktion |
| Candolumineszenz | Rekombination von Radikalen |
| Elektrolumineszenz | Elektrisches Feld |
| Fractolumineszenz | Auseinanderbrechen von Kristallstrukturen |
| Kathodolumineszenz | Beschuss mit Elektronen |
| Kristallolumineszenz | Kristallisieren von Kristallen |
| Lyolumineszenz | Lösen mancher Stoffe |
| Piezolumineszenz | Pressen von Quarzen |
| Radiolumineszenz | Bestrahlung mit hochenergetischen Partikeln |
| Sonolumineszenz | Schallwellen |
| Thermolumineszenz | Temperaturerhöhung |
| Tribolumineszenz | Reibung oder Auseinanderreißen |
Das sind jetzt einige große Wörter, aber keine Sorge, du lernst hier nach und nach, was die Fluoreszenz, Phosphoreszenz und die Chemilumineszenz ausmacht, wie du die Anregung der Elektronen in die Zustände mit höherer Energie am besten darstellen kannst und wo die einzelnen Formen der Lumineszenz im Alltag vorkommen!
Die Fluoreszenz ist eine Unterart der Photolumineszenz, die wiederum eine Art der Lumineszenz ist, und zeichnet sich dadurch aus, dass Licht sofort und praktisch ohne zeitlichen Abstand zur vorherigen Anregung durch Licht beziehungsweise Strahlung ausgesandt wird.
Stoffe die Fluoreszenz zeigen, werden Fluorophore genannt. Zur einfachen Darstellung können wir hierfür ein Energiediagramm zeichnen, dass die möglichen Übergänge der Elektronen, oder genauer der Valenzelektronen, in die angeregten Zustände der Elektronen und zurück darstellt. Somit zeigt das Diagramm die Möglichkeiten zur Anregung der Elektronen in einen Zustand höherer Energie, als auch die Lumineszenz, hier die Fluoreszenz, bei dem Übergang in den Grundzustand der Elektronen mit der niedrigsten Energie. Dieses Schema wird auch, nach dem polnischen Physiker Aleksander Jabłoński, Jabłoński-Termschema genannt.
Was siehst du hier? Erstmal erklären wir dir die Buchstaben: A steht für Absorption, F steht für Fluoreszenz und das S steht für den Singulett-Zustand, der die Spinmultiplizität der Elektronen angibt. Die kleingestellten Zahlen daneben stehen für die einzelnen elektronischen Zustände, dabei ist 0 der Grundzustand der Elektronen, 1 der erste angeregte Zustand der Elektronen, 2 der zweite angeregte Zustand der Elektronen und so weiter. IC steht für Internal Conversion, die einen strahlungslosen Prozess zur Entspannung des Systems darstellt (daher auch der wellige Pfeil). Strahlungslos bedeutet, dass das System die Energie anderweitig umwandelt, beispielsweise in Wärme anstatt in Licht oder andere Strahlung.
Falls du dich fragst, was die Spinmultiplizität ist, findest du hier eine kurze Erklärung:
Die Spinmultiplizität ergibt sich in der Quantenmechanik aus den Spins der Elektronen, sie wird berechnet über die Formel M = 2S + 1, wobei das S den Gesamtspin des Systems beschreibt. In stabilen Systemen sind die Elektronen in der Regel gepaart (Schreibweise: ↥↧, wie du vielleicht schon einmal bei dem Molekül Orbitalmodell gesehen hast), das heißt, dass eins einen Up-Spin (+1/2, ↥) und eins einen Down-Spin (-1/2, ↧) hat. Rechnet man nun den Gesamtspin, also einfach die Summe beider Spins aus, so erhält man hier S = 0, wobei sich bei dem Einsetzen hiervon in die Formel M = 1 ergibt, was den Singulett-Zustand beschreibt. Sind die Elektronen nicht gepaart und man hat zwei gleiche Spins, so erhält man für S = 1 und damit für M = 3, was den Triplett-Zustand beschreibt. Wenn dich das interessiert hat, schau dir doch auch unsere Beiträge zum Orbitalmodell, dem Pauli Prinzip und der Hundschen Regel mal an.
Jetzt weißt du was die Buchstaben bedeuten, nun noch ein wenig zum Diagramm. Von unten nach oben steigt die Energie in dem Diagramm, das heißt, wenn Elektronen von dem Grundzustand in den ersten angeregten Zustand übergehen, haben sie mehr Energie. Nun nehmen wir an, dass die Elektronen bei Raumtemperatur im Grundzustand sind, also den Zustand mit der niedrigsten Energie einnehmen, und wir strahlen Licht beziehungsweise Strahlung auf diesen Stoff ein. Hat dieses Licht nun genau die Energie, die zwischen dem Grundzustand mit der niedrigsten Energie und einem der zahlreichen angeregten Zustände liegt, so wird das Licht beziehungsweise die Strahlung absorbiert und die Elektronen gehen in den entsprechenden angeregten Zustand mit höherer Energie über.
Die Energie, die Licht oder andere Strahlung hat, kannst du übrigens mit folgender Formel berechnen:
Hier ist h das Plancksche Wirkungsquantum, eine Naturkonstante, und v (Ny) die Wellenlänge des Lichtes beziehungsweise der Strahlung.
Das heißt, dass nur bestimmte Wellenlängen der Strahlung, oft im sichtbaren oder UV-Bereich, unser System anregen können. Nach der Anregung unserer Elektronen in Zustände höherer Energie, kommt es entweder zur Internal Conversion, die auch bis zu unserem Grundzustand mit der niedrigsten Energie, aber immer nur Schritt für Schritt zwischen den einzelnen Zuständen unterschiedlicher Energie, ablaufen kann. Alternativ kommt es zur Fluoreszenz, die das System in der Regel direkt von einem angeregten Zustand in den Grundzustand mit der niedrigsten Energie befördert.
Auf dem Bild hier siehst du Fluorit, ein Mineral mit der chemischen Formel 
. Unter UV-Licht zeigt Fluorit eine blaue bis blaugrüne Fluoreszenz und wurde daher Mitte des 19. Jahrhunderts Namensgeber für den Prozess, den wir auch heute noch Fluoreszenz nennen. Es hat also nicht direkt etwas mit Fluor zu tun, so wie der Name es zunächst vermuten lässt.
In der Realität gibt es viele Nutzen für Fluoreszenz und du hast Fluoreszenz sicherlich auch schon angetroffen. Wir nennen dir mal ein paar interessante Beispiele:
Hast du vielleicht schonmal einen dieser Stifte mit Geheimtinte und UV-Lampe in einem Schreibwarenladen gesehen? Hierbei handelt es sich oft um farblose Stoffe, die unter UV-Licht Fluoreszenz zeigen.
Kennst du noch Leuchtstoffröhren? Heutzutage werden sie nicht mehr oft verbaut, da es deutlich energieeffizientere Methoden, wie LEDs, gibt, aber ihre funktionsweise ist gar nicht so unterschiedlich. Oft versteckt sich in diesen Leuchtstoffröhren Quecksilber, dass bei dem Anlegen einer hohen Spannung UV-Licht emittiert. Die Röhre ist nun mit Farbstoffen bedeckt, die insgesamt durch Fluoreszenz weißes Licht emittieren, wenn sie das UV-Licht absorbieren und so kommt auch schon das grelle weiße Leuchten der Leuchtstoffröhre zustande.
Bei dem letzten Beispiel handelt es sich um etwas, dass du definitiv schon gesehen hast: weiße Wäsche. Oft wird bei Waschmittel für weiße Wäsche mit strahlendem weiß geworben und damit liegen sie gar nicht so weit daneben, denn in dem Waschmittel verstecken sich Farbstoffe, die in UV-Licht durch Fluoreszenz tatsächlich weiß strahlen und somit die Wäsche weißer erscheinen lassen. Daher hat weiße Kleidung auch diesen besonderen leuchtenden Effekt unter Schwarzlichtlampen, die übrigens nichts anderes tun außer UV Strahlung abzugeben.
Die Phosphoreszenz ist eine Unterart der Photolumineszenz, die wiederum eine Art der Lumineszenz ist, und zeichnet sich dadurch aus, dass Licht über einen längeren Zeitraum, nach vorheriger Anregung durch Licht beziehungsweise Strahlung, ausgesandt wird.
Analog zu den Fluorophoren werden Stoffe bei denen Phosphoreszenz auftritt auch Phosphore genannt. Zur einfachen Darstellung der Phosphoreszenz kann ebenfalls ein Jabłoński-Termschema zur Darstellung der Anregung der Elektronen und der Lumineszenz, beziehungsweise hier der Fluoreszenz im Vergleich zur Phosphoreszenz, gezeichnet werden.
Jabłoński-Termschema für zwei mögliche Absorptionsvorgänge (A) und einem Vergleich zwischen Fluoreszenz (F) und Phosphoreszenz (Ph)
Die meisten Buchstaben hier kennst du schon. Es gibt nur eine neue Ebene, mit der Bezeichung T. Hierbei handelt es sich um den ersten angeregten Triplett-Zustand der Elektronen, bei dem sich die Spins des Systems geändert haben und der energetisch tiefer liegt als der erste angeregte Singulett-Zustand der Elektronen. Der Spin ist ein Begriff aus der Quantenmechanik, der den Eigendrehimpuls eines Elektrons oder anderen Teilchens bezeichnet. Nun gibt es also die Möglichkeit für das System über das ISC, das Intersystem Crossing, einen strahlungsfreien Spin-Flip eines Elektrons, also ein Umdrehen des Spins, durchzuführen. Im ersten angeregten Singulett Zustand hat man zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins (Singulett) ( ↥ , ↧ ), wird nun der Spin einer dieser Elektronen umgedreht, erhält man zwei Elektronen mit gleichgerichteten Spins (Triplett) ( ↥ , ↥ ).
Nach der Anregung der Elektronen in einen Zustand höherer Energie kann das System nun in den Singulett-Grundzustand der Elektronen zurückkehren, entweder durch weiteres Intersystem Crossing oder Phosphoreszenz, die im Diagramm mit Ph dargestellt ist. Dieser Übergang der Elektronen ist quantenmechanisch verboten und läuft daher sehr langsam ab, was der Grund dafür ist, warum die Phosphoreszenz im Gegensatz zur Fluoreszenz eine Art der Lumineszenz ist, die auch noch lange nach der Absorption Strahlung aussendet.
Weißer Phosphor zeigt an der Luft bläuliche Lumineszenz. Früher dachten die Forscher*innen, dass dies durch die Anregung der Elektronen in einen Zustand höherer Energie durch Licht geschieht, und gaben dem Phänomen analog zur Fluoreszenz den Namen Phosphoreszenz. Heutzutage weiß man stattdessen, dass dieses Verhalten von weißem Phosphor viel mehr mit der Anregung durch die chemische Reaktion zwischen dem Phosphor und dem Luftsauerstoff zusammenhängt und es sich somit nicht um Phosphoreszenz, sondern um Chemilumineszenz, handelt. Der Name ist trotzdem bis heute bestehen geblieben.
Phosphoreszierende Stoffe werden im Alltag oft verwendet und du bist sicherlich auch schon mit ihnen in Kontakt gekommen. Hier sind für dich ein paar Beispiele zusammengestellt:
Warst du schon einmal in einem Gebäude, das Licht ist ausgefallen und du hast vor dir eine grüne Spur gesehen, die dich zum Ausgang führt? Viel wahrscheinlicher noch ist, dass du dir einmal ein grünes Exit-Schild angeschaut hast und dir aufgefallen ist, dass es anfängt grün zu leuchten, wenn es dunkler wird. Oft wenn es um Sicherheit im Falle eines Stromausfalls geht, werden Stoffe, die Phosphoreszenz zeigen, verwendet.
Auch in manchen Uhren, Schlüsselanhängern oder Tachometern in Autos sind phosphoreszierende Stoffe, die dir dabei helfen auch nach Sonnenuntergang oder in einem Tunnel alles Wichtige zu finden!
Die Chemilumineszenz ist eine Art der Lumineszenz und zeichnet sich dadurch aus, dass Stoffe durch eine chemische Reaktion angeregt werden und daraufhin Licht ausgesandt wird.
Für die Chemilumineszenz lässt sich kein Jabłoński-Termschema zeichnen, da hier kein Licht beziehungsweise keine Strahlung absorbiert wird. Stattdessen stell dir die chemische Reaktion wie eine Kugel vor, die einen Berg hinunterrollt. Der Berg ist stellvertretend für die Energie, die das System besitzt. Ganz oben an der Spitze ist die Energie am höchsten und am Fuß des Berges ist die Energie am niedrigsten. Ist die eigentliche Reaktion abgeschlossen, kann es sein, dass die Kugel auf einem Plateau stehen bleibt, dass aber noch nicht am Fuße des Berges liegt. Die Kugel möchte nun den Berg weiter hinunterrollen und schafft dies im Falle der chemischen Reaktion durch die Lumineszenz, also dem Ausstrahlen von sichtbarem Licht, UV-Licht oder anderer Strahlung.
Anders gesagt hat einer der Reaktanden nach der chemischen Reaktion ein wenig Energie übrig, die er dann in Form von Licht abgibt. Dies darf nicht mit dem Glühen beim Verbrennen von Metallen verwechselt werden, da dies durch thermische Anregung der Elektronen geschieht.
Hierfür gibt es neben dem weißen Phosphor, über den wir vorhin bei der Phosphoreszenz gesprochen haben, ein sehr bekanntes Beispiel:
Auf vielen Partys kannst du sie finden: Knicklichter! Hier befinden sich zwei Flüssigkeiten in getrennten Kammern, die bei dem Knicken aufeinandertreffen, reagieren und zu den eindrucksvollen Farben führen.
Fluoreszenz ist eine Unterart der Lumineszenz. Lumineszenz generell beschreibt die Lichtemission eines Stoffes bei dem Übergang aus einem angeregten Zustand in den Grundzustand. Fluoreszenz beschreibt das Phänomen, bei dem die Anregung durch Licht stattfindet und die Lichtemission nur sehr kurz (eine millionstel Sekunde) stattfindet.
Es gibt folgende Arten von Lumineszenz, die durch ihre Anregungsarten unterschieden werden:
Die Lumineszenzstrahlung beschreibt das Licht, dass durch die Lumineszenz ausgesandt wird. Lumineszenz ist die Lichtemission eines Stoffes bei dem Übergang aus einem angeregten Zustand in den Grundzustand.
Biolumineszenz ist eine spezielle Form der Lumineszenz, bei der ein Stoff durch eine biochemische Reaktion angeregt wird und durch Lichtemission in den Grundzustand übergeht.
Frage
Wie sieht das Jabłoński-Termschema für die Fluoreszenz aus?
Antwort
Frage
Wie sieht das Jabłoński-Termschema für die Phosphoreszenz im Vergleich zur Fluoreszenz aus?
Antwort
Frage
Wie berechnet man die Energie, die eine bestimmte Wellenlänge des Lichtes hat?
Antwort
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