titelgraphik lumineszenz

Lumineszenz liegt immer dann vor, wenn ein Elektron aus einem Zustand mit höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie zurückfällt und die überschüssige Energie als Licht abgegeben wird. Wenn ich also einem Molekül von außen einen ausreichend großen Energiebetrag zuführe, so kann ein Außenelektron die Energie aufnehmen und in ein höher gelegenes Orbital wechseln, ohne dass sich der Spin des Elektrons ändert. In diesem höherenergetischen Zustand kann sich das Elektron meist nicht länger als wenige Nanosekunden halten, dann fällt es zurück in sein Ausgangsorbital. Die aufgenommene Energie wird wieder abgegeben. Meistens erfolgt dies Schrittweise, das Elektron hangelt sich über Schwingunsniveaus wieder in den Grundzustand zurück. Dies bedeutet eine Beschleunigung der Molekülbewegung und damit eine Erhöhung der Temperatur. Bei einigen, relativ wenigen Molekülen sind keine onder wenig geeignete Schwingungszustände vorhanden. Die aufgenommene Energie wird als Photon abgegeben. Die beiden Orbitale, das höchste besetzte Molekülorbital HOMO (S0) und das niedrigste unbesetzte Molekülorbital LUMO (S1)werden auch als Grenzorbitale bezeichnet. Sie spielen die entscheidende Rolle bei allen Lumineszenzprozessen aber auch bei photochemischen Reaktionen. Im Jablonski - Diagramm werden alle photophysikalischen Prozesse zusammengefasst.


Jablonski Diagramm
Dieses Diagramm wurde komplett mit LATEX erstellt und mir freundlicherweise von Dr. Dirk Ziegenbalg überlassen.

Man kann zunächst einmal erkennen dass nirgens die Namen der verschiedenen Lumineszenz Prozesse auftauchen. Das liegt daran, dass sich die verschiedenen Typen nur in der Art und Weise unterscheiden, wie letztlich die Anregungsenergie aufgebracht wird. Im Beispiel des obigen Schemas erfolgt die Anregung durch Absorption eines Photons. Die dazugehörige Emission ist die Fluoreszenz oder, wenn sich der Spin des Elektrons ändert, die Phosphoreszenz. Man kann das Elektron auch mechanisch (Tribolumineszenz), elektrisch (Elektrolumineszenz) , chemisch (Chemilumineszenz, Biolumineszenz)und sogar thermisch (Thermolumineszenz) in einen Angeregten Zustand befördern. Egal wie viel Anregungsenergie man aufbringt und in welchem Angeregten Zustand man landet, die Emission eines Photons erfolgt praktisch immer aus dem niedrigsten Angeregten Zustand (S1, T1, LUMO). Das ist die Kasha - Regel. Die emittierte Strahlung hat immer eine geringere Energie als die Energie die für die Anregung aufgebracht wurde. Im Falle der Fluoreszenz bedeutet das: Die Emission ist längerwellig als die Absorption. Die Wellenlängendifferenz zwischen dem Absorptionsmaximum und dem Emissionsmaximum ist der Stokes Shift. Wer sich damit genauer befassen will, sollte sich unbedingt noch das Frank - Condon-Prinzip und die Markus - Theorie anschauen.

Die internationalen Aktivitäten auf dem Gebiet der Lumineszenz werden von der "International society of bioluminescence and chemiluminescence" koordiniert, die auch eine alle zwei Jahre stattfindende Konferenz organisiert.

Literatur: