Fluoreszenz

Polarlichter faszinierten die Menschen schon seit Jahrtausenden. Die bunten Farbspiele am Himmel wurden oft als Zeichen der Götter- und Geisterwelt gesehen. Die Wikinger glaubten zum Beispiel, dass sich das Licht des Mondes in den Rüstungen der Walküren spiegelte, die gefallene Helden an Odins Tafel bringen.

Tatsächlich handelt es sich bei Polarlichtern allerdings nicht um Reflexion, sondern um Fluoreszenz. Doch was genau ist Fluoreszenz eigentlich und wie erzeugt es die farbenreichen Lichter an den Polen?

Fluoreszenz Definition

Fluoreszenz findest Du nicht nur bei den Polarlichtern, das Phänomen begegnet Dir überall. Vielleicht warst Du schon mal auf einer Party, wo besonders weiße Kleidungsstücke unter Schwarzlicht leuchten?

Einige LEDs arbeiten mit Fluoreszenz und manche Mineralien fluoreszieren in bunten Farben. Inzwischen wird es sogar in der Medizin und Forensik eingesetzt, zum Beispiel bei der Sequenzierung von DNA und der Identifizierung von Fingerabdrücken.

Abbildung 1: Polarlichter(Quelle: pixabay.com)

Gemeinsam haben all diese Phänomene, dass Du eine bestimmte Form von buntem Leuchten erkennst. Was genau ist also Fluoreszenz?

Jedoch kannst Du nicht jedes Leuchten auf Fluoreszenz zurückführen. Glühwürmchen leuchten zum Beispiel ebenfalls, allerdings nicht aufgrund von Fluoreszenz. Damit grenzt sich Fluoreszenz von anderen Arten der Lumineszenz ab.

Lumineszenz

Lumineszenz beschreibt allgemein das Leuchten von Lebewesen oder Objekten nach einer vorherigen Anregung durch Energie. Fluoreszenz ist ein Begriff für eine bestimmte Art der Lumineszenz, bei der das Leuchten sofort nach der Anregung eintritt und nur sehr kurze Zeit lang anhält.

Hält der Leuchtvorgang dagegen länger an oder tritt eine Verzögerung zwischen Anregung und Lichtemission an, sprichst Du von Phosphoreszenz. Beide Arten gehören zur Photolumineszenz, also der Anregung durch Photonen (Licht).

Neben Photolumineszenz gibt es zum Beispiel noch die Chemilumineszenz. Statt durch Photonen wird die Energie zur Anregung durch eine chemische Reaktion bereitgestellt. Tritt diese Form der Lumineszenz in Lebewesen, etwa Glühwürmchen, auf, sprichst Du von Biolumineszenz.

Gemeinsam ist allen Formen der Lumineszenz, dass Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung (Licht) nach einer Anregung durch Energie emittiert wird. Sie unterscheiden sich vorwiegend durch die Art der Anregung. Den Prozess kannst Du auch mithilfe von physikalischen Modellen auf atomarer Ebene beschreiben.

Fluoreszenz Physik

Bei der Lumineszenz wird Energie von den Elektronen im Atom absorbiert, wodurch diese angeregt werden. Bei der Fluoreszenz geschieht diese Anregung durch Photonen. So gelangen die Elektronen auf ein höheres Energieniveau.

Im Bohrschen Atommodell entsprechen diese Energieniveaus den Orbitalen der Elektronen. Je näher dabei ein Elektron dem Atomkern ist, desto niedriger ist sein Energieniveau.

Das niedrigste Energieniveau bezeichnest Du mit $n=1$.

Zwar können Elektronen sich nicht zwischen den Energieniveaus befinden, dafür können sie zwischen zwei Energieniveaus wechseln. Genau dieses Prinzip liegt der Fluoreszenz zugrunde.

Um auf ein höheres Energieniveau zu gelangen, muss dem Elektron also eine bestimmte Energiemenge von außen zugeführt werden. Bei der Fluoreszenz stammt diese Energie aus Licht.

Abb. 2: Absorption und Emission im Bohrschen Atommodell

Allerdings ist dieser höhere Energiezustand instabil (Du sprichst von einem angeregten Zustand) und das Elektron kehrt innerhalb weniger Millisekunden auf sein vorheriges Energieniveau, seinen Grundzustand, zurück. Dabei emittiert es die vorher aufgenommene Energie in Form von Licht.

Fluoreszenz Licht

Licht kommt in kleinen Paketen elektromagnetischer Strahlung, die Du als Photonen bezeichnest. Diese Photonen besitzen je nach Wellenlänge und Frequenz eine gewisse Energie.

Dabei sind die Wellenlänge $\lambda$ und Frequenz f eines Photons über die Lichtgeschwindigkeit $c=299792458\frac{m}{s}$ verbunden:

$\lambda =\hspace{0.17em}\frac{c}{f}$

Je größer also die Frequenz und/oder je kleiner die Wellenlänge eines Photons, desto größer ist seine Energie.

Trifft nun ein Photon auf ein Elektron, wird es vollständig absorbiert. Durch die Energie des Photons wechselt das Elektron auf ein höheres Energieniveau. Dies geschieht allerdings nur dann, wenn die Energie des Photons genau der Energiedifferenz zwischen zwei Energieniveaus im Atom entspricht.

Spontane Emission

Auf diesem höheren Energieniveau kann das Elektron nur sehr kurze Zeit bleiben. Anschließend kehrt es zu seinem Grundzustand zurück und emittiert dabei selbst ein Photon. Dieses hat meist eine kleinere Wellenlänge als das vorher aufgenommene Photon. Dabei unterscheidest Du zwischen spontaner und stimulierter Emission.

Bei Photolumineszenz handelt es sich also um stimulierte Emission. Das kannst Du auch in einem sogenannten Energieniveauschema veranschaulichen.

Fluoreszenz Schema

Ein Energieniveauschema ist eine Möglichkeit in der Physik, um Vorgänge des atomaren Energieaustausches darzustellen, so auch die Fluoreszenz.

Dabei zeichnest Du ein Diagramm mit einer vertikalen Achse, auf der die Energie E angegeben ist. Bei den Energiewerten, die einem Energieniveau im Atom entsprechen, zeichnest Du eine horizontale Linie und nummerierst diese mit den Hauptquantenzahlen n. Ein solches Schema siehst Du auf der folgenden Abbildung:

Abb. 4: Energieniveauschema

Trifft nun ein Photon auf ein Elektron auf einer dieser Linien, so wechselt dieses auf ein höheres Energieniveau. Anschließend fällt es durch Emission eines weiteren Photons auf sein Grundniveau zurück. Die Wechsel veranschaulichst Du durch die jeweiligen Pfeile.

Dabei erkennst Du, dass ein Elektron auch "etappenweise" auf sein Grundniveau wechseln kann.

Atome unterschiedlicher Elemente haben unterschiedliche Energieniveaus, mehr zu den Energieniveaus des Wasserstoffatoms findest Du in der Vertiefung.

Abhängig von der Energiedifferenz beim Wechsel auf ein niedrigeres Energieniveau unterscheidet sich die Farbe des Lichts.

Fluoreszenz Farbe

Wenn wir von Licht sprechen, meinen wir meistens den Teil des elektromagnetischen Spektrums, der für unsere Augen sichtbar ist. Die Wellenlänge des sichtbaren Teils des Lichts liegt etwa zwischen 400 und 750nm (Nanometern) und macht damit nur einen kleinen Teil des Gesamtspektrums aus:

Abb. 6: Elektromagnetisches Spektrum

Damit Du Fluoreszenz sehen kannst, muss die Wellenlänge also innerhalb des sichtbaren Bereichs liegen. Je nach der genauen Wellenlänge fluoreszieren die Stoffe dann in verschiedenen Farben wie rot, grün oder blau.

Unterschiedliche Stoffe haben Energieniveaus mit verschiedenen Energiewerten. Dadurch ist auch die Energiedifferenz zwischen zwei Niveaus in unterschiedlichen Stoffen nicht gleich groß. Da die Energiedifferenz die Energie und damit die Wellenlänge des emittierten Photons bestimmt, leuchten unterschiedliche Stoffe in charakteristischen Farben.

Interessant dabei ist, dass einige Stoffe von selbst zu fluoreszieren scheinen. Sie absorbieren keine sichtbare Strahlung, emittieren aber grünlich-blaues Licht. Was steckt hinter diesem geisterhaften Leuchten?

Stokes Verschiebung

Fluoreszenz tritt nur auf, wenn vorher eine Anregung durch Licht stattgefunden hat. Nicht immer muss dieses Licht jedoch im sichtbaren Bereich liegen. Tatsächlich fluoreszieren die meisten Stoffe nach Anregung durch UV-Strahlung.

Durch die sogenannte Stokes-Verschiebung kannst Du anschließend ein Leuchten erkennen.

Die Energie des emittierten Photons ist dabei immer etwas kleiner als die Energie des zuvor absorbierten Photons. Entsprechend ist die Frequenz kleiner und die Wellenlänge größer als die des absorbierten Photons.

Abb. 7: Stokes-Verschiebung

Aufgrund der Stokes-Verschiebung leuchten etwa helle Klamotten unter Schwarzlichtlampen, die UV-Strahlung emittieren.

Die Frequenz des absorbierten Lichts wird bei Emission in den Bereich des sichtbaren Lichts verschoben und die Fluoreszenz wird sichtbar. Deshalb dachten die Menschen früher, dass fluoreszierende Stoffe auf magische Weise von allein leuchten oder wie Polarlichter von den Göttern gesandt wurden.

Fluoreszenz in der Natur

Polarlichter entstehen, wenn Sonnenwinde am Erdmagnetfeld zu den Polen hin abgelenkt werden. Treffen Sonnenwinde dort auf die Moleküle in der Atmosphäre, regen sie diese auf ein höheres Energieniveau an. Bei der Rückkehr in den Grundzustand senden die Moleküle Photonen bestimmter Wellenlänge und Farbe aus.

Rote Polarlichter entstehen bei der Anregung von Sauerstoffmolekülen in höheren Atmosphärenschichten. Diese emittieren nach der Stokes-Verschiebung Licht mit einer Wellenlänge von etwa 630nm. Grünes Licht im Bereich von 557 nm entsteht durch die Anregung von Sauerstoffmolekülen in tieferen Atmosphärenschichten.

Stickstoff leuchtet dagegen violett oder blau. Allerdings braucht es sehr hochenergetische Photonen zur Anregung von Stickstoff, weshalb diese seltener auftreten.

Durch Fluoreszenz entstehen also die wunderschönen Lichter am Nachthimmel. Doch Sauerstoff und Stickstoff sind nicht die einzigen fluoreszierenden Stoffe in der Natur.

Fluoreszierende Stoffe

Das Phänomen der Fluoreszenz tritt zum Beispiel in der Mineralogie auf, der Kunde von Gesteinen und Mineralien. Zum Beispiel fluoreszieren Calcit-haltige Gesteine. Bernstein und einige Diamanten leuchten unter Bestrahlung mit UV-Licht.

Abbildung 8: Fluoreszierende Diamanten unter UV-Licht(Quelle: flickr.com)

Aber auch einige Organismen fluoreszieren, dies bezeichnest Du als Biofluoreszenz. Das Phänomen ist bislang wenig erforscht und darf nicht mit Biolumineszenz verwechselt werden.

Die meisten fluoreszenten Tiere leben im Wasser. Dabei handelt es sich häufig um Quallen und Korallen, aber auch kleinen Fischen und Krebstieren. In der Qualle Aequorea vietoria sorgt dafür etwa das Protein GFP (grün fluoreszierendes Protein).

Abbildung 9: grün fluoreszierende Qualle(Quelle: Pixabay.com)

Auch in Pflanzen kommt dieses Phänomen vor. So kann Chlorophyll, das Molekül, welches bei Pflanzen für die Photosynthese sorgt, unter Bestrahlung mit bestimmter Wellenlänge rot fluoreszieren. Aber auch andere pflanzliche Stoffe können fluoreszieren, mehr dazu erfährst Du in der Vertiefung.

Aber nicht nur die Natur nutzt die Fluoreszenz, inzwischen nutzen Wissenschaftler*innen auch im Labor das Phänomen der Fluoreszenz.

Fluoreszenz Anwendungsbereich

Fluoreszenz ist inzwischen ein wichtiges Forschungsmittel in der Biophysik und Medizin. Mit ihr kann DNA sequenziert werden und etwa Zellbestandteile untersucht werden. Dabei werden sogenannte Fluoreszenzmarker in die Zellen geschleust, die sich an den verschiedenen Strukturen in der Zelle anlagern.

Abbildung 11: Fluoreszenzmarkierte Zelle(Quelle: wikipedia.org)

Dadurch leuchten diese bei Bestrahlung mit Licht. Forscher*innen verwenden Marker, die in unterschiedlichen Farben fluoreszieren. So können anschließend unter dem Mikroskop bestimmte Zellbereiche identifiziert und voneinander abgegrenzt werden.

Fluoreszenz wird allerdings auch in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt, zum Beispiel um die Qualität von pasteurisierter Milch zu bestimmen.

Dabei wird vor dem Verfahren ein Fluoreszenzmittel zu einer Probe der Milch dazugegeben. Wenn die Pasteurisierung erfolgreich war, so fluoresziert die Milch anschließend unter Bestrahlung von Licht nicht.

Im Alltag begegnet Dir Fluoreszenz nicht nur bei Schwarzlicht auf einer Party, auch viele Highlighter besitzen fluoreszierende Tinte. Einige Leuchtstofflampen, die zum Beispiel für Werbeanzeigen verwendet werden, bedienen sich ebenfalls dem Prinzip der Fluoreszenz.

Auch in der Ozeanografie wird mithilfe von Fluoreszenz unter anderem der Chlorophyllgehalt in planktonreichem Wasser ermittelt und damit die Gesundheit der Meere untersucht. Doch wie kann Fluoreszenz gemessen werden?

Fluoreszenzmessung

Um die Menge eines Stoffes in einem Material durch Fluoreszenz zu ermitteln, kannst Du etwa ein Fluorometer (auch Fluorimeter) verwenden, dessen Aufbau Du auf der folgenden Abbildung vereinfacht sehen kannst.

Abb. 12: Aufbau eines Fluorometers

Eine Lichtquelle sendet Photonen auf eine Probe des Materials, das untersucht werden soll. Das Material ist mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert. Das Licht passiert zuvor einen (monochromatischen) Filter, der nur Licht bestimmter Wellenlänge durchlässt. Trifft das Licht auf das Material, beginnt dieses zu fluoreszieren.

Die dabei emittierten Photonen werden durch einen Emissionsmonochromator gefiltert und anschließend von einem Detektor registriert und ausgewertet. Der Emissionsmonochromator lässt nur Licht der Wellenlänge durch, welches charakteristisch für die gesuchte Substanz ist. Je intensiver die Strahlung, die am Detektor ankommt, desto mehr dieser Substanz ist im Material enthalten.

Fluoreszenz ist also ein Phänomen, das Dir überall begegnet: im Alltag, in der Natur und in der Wissenschaft. Dabei ist es nicht nur wunderschön anzusehen, sondern auch ein wichtiges Forschungsinstrument.

Das Wichtigste zur Fluoreszenz findest Du hier noch einmal zusammengefasst.