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Phosphoreszenz

Zunächst etwas Theorie:Wird einem Molekül Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung zugeführt, so wird diese Energie im Molekül transformiert, das heisst in andere Energieformen umgewandelt. Je nach Energiegehalt der elektromagnetischen Strahlung erfolgt dies auf unterschiedliche Weise. Strahlung niedriger Energie, wie z. B. Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung wird in mechanische Energie, in Rotationsbewegungen und Schwingungen des Moleküls umgewandelt. Wir nutzen dies im Infrarotgrill und in der Haushaltsmikrowelle denn intensivere Schwingung und Rotation bedeutet auch eine höhere Temperatur. Ist der Energiegehalt der Strahlung größer (sichtbares Licht, Ultraviolettes Licht) so werden Elektronen aus ihren Orbitalen herausgelöst und in leere, unbesetzte Orbitale mit höheren Energiegehalt gehoben. Dieser Angeregte Zustand ist energetisch ungünstig und nicht stabil. Bereits nach 0,00000008 s fällt das Elektron wieder in sein ursprüngliches Orbital zurück wobei die Energie meist wieder als Schwingungsenergie frei wird. Wir können diesen Prozess täglich beobachten. Fällt Licht auf einen Gegenstand so werden je nach Molekülstruktur bestimmte Wellenlängen absorbiert und in Wärme umgewandelt. Was wir sehen ist die reflektierte Reststrahlung deren Farbe nun der Komplimentärfarbe des absorbierten Lichtes entspricht. Das alte Sprichwort " Nachts sind alle Katzen grau " findet hier seine tiefere Bedeutung, denn ohne Licht keine Farbe ! Einige Moleküle haben auf Grund ihrer Struktur nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten Anregungsenergie in Schwingungsenergie umzuwandeln. In diesen Molekülen fallen die Elektronen aus dem Orbital mit höherem Energiegehalt direkt in ihr ursprüngliches Orbital zurück. Die Energie wird als elektromagnetische Strahlung frei. Diese freiwerdende elektromagnetische Strahlung liegt meist im sichtbaren Bereich des Spektrums und wird als Fluoreszenzlicht bezeichnet, die Erscheinung als Fluoreszenz. Bei Absorption und Fluoreszenz ändert sich die Spinquantenzahl (bzw. der Spin) des betroffenen Elektrons nicht. Die Moleküle bleiben im Singulett Zustand (S0, S1, S2 u.s.w.). Es gibt allerdings prinzipiell auch die Möglichkeit der Spinumkehr d. H. das angeregte Elektron wechselt seine Spinquantenzahl. Dieser Prozess ist Symmetrieverboten, das heist er läuft nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit ab, wobei das Molekül vom Singulett Zustand (S) in den Triplett Zustand (T) übergeht. Dieser Prozess wird neudeutsch als intersystem crossing bezeichnet. Der Wechsel des Spins lässt sich vor Allem Beobachten wenn sich ein geeignetes Energieniveau T1 unterhalb des S1 Niveaus befindet, denn dann kann ein Elektron unter Energieabgabe und Spinumkehr in dieses Niveau wechseln. Im T1 Niveau hängt das Elektron erst einmal fest, denn der Übergang in den Grundzustand (S0) ist zwangsläufig wieder mit einer Spinumkehr verbunden und damit ebenfalls verboten. Die Lebensdauer des T1 Zustandes ist deshalb auch deutlich höher als die des S1 Zustandes und reicht von Millisekunden bis zu mehreren Stunden und sie kann in einigen Fällen auch Jahrtausende betragen. Letztlich erfolgt aber auch hier eine Desaktivierung zum Grundzustand, entweder thermisch oder durch Emission eines Photons, d. H, durch Abgabe von Licht. Das bei der Desaktivierung des Triplett Zustandes abgestrahlte Licht wird als Phosphoreszenzlicht bezeichnet die Erscheinung als Phosphoreszenz. Eine Übersicht über diese Prozesse und Zusammenhänge gibt das Jablonski Diagramm:



Die Phosphoreszenz von organischen Molekülen lässt sich meist nicht so ohne weiteres beobachten, die thermische Desaktivierung erfolgt relativ schnell. Man hilft sich, indem die zu beobachtende Substanz auf möglichst tiefe Temperaturen abgekühlt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Substanz in ein Medium möglichst hoher Viskosität einzuschließen (z. B. durch Einbetten in eine Kunststoffschicht).

Die Phosphoreszenz von anorganischen Stoffen ist schon seit Jahrhunderten bekannt.Es gibt zahlreiche, natürlich vokommende Mineralien die phosphoreszieren. Das erste synthetische, phosphoreszierende Material war der Lapis Solaris /1/ oder auch Bologneser Leuchtstein genannte Stoff den der Schuster und Alchemist Vicento Cascariolo 1604 in Bologna hergestellt hat. Mit der Entwicklung von Leuchtstoffröhren, Monitoren und Fernsehbildröhren hat die Entwicklung von phosphoreszierendem Material einen gigantischen Aufschwung genommen und es wurden zahllose Materialien entwickelt. Auch die Laser Technik beruht letztlich auf der Phosphoreszenz weil auch hier Triplett-Zustände erzeugt und auf dem T1 Niveau gefangen und angereichert werden. Das technologische Prinzip der Phosphoreszenzfarbstoffe ist immer das Gleiche; in eine kristalline oder glasartige Matrix werden Fremdionen eingebettet (Dotierung) die für die Emission verantwortlich sind. Cascariolo stellte durch Reduktion von Bariumsulfat zu Bariumsulfid eine geeignete Matrix her. Die eigentliche Emission erfolgte durch Kupferionen die, in genau der richtigen Konzentration, aus dem Reduktionsmittel (Holzkohle gemischt mit Roggenmehl) stammen. Die Sufide zweiwertiger Metallionen (Ca2+, Sr2+, Ba2+, Zn2+) stellen auch heute noch wichtige Matrices für phosphoreszierende Materialien dar, die sich relativ leicht herstellen lassen.Das Bild zeigt ein CaS/SrS Mischsulfid welches mit Bismut Dotiert wurde. Die Phosphoreszenz ist ausserordentlich hell und langandauernd.



Komplizierter und technisch aufwendiger herzustellen aber mit noch höheren Lichtintensitäten und Leuchtdauern sind die Leuchtphosphore auf der Basis von Aluminaten, insbesondere die von Strontiumaluminat. Die Dotierung erfolgt hier mit Seltenerdmetallen wie z. B. Europium mit einer schönen roten Phosphoreszenz. Solche Leuchtphosphore können relativ kostengünstig bei verschiedenen Internetanbietern erworben werden.


Literatur: H. Brandl, D. Weiß, E. Täuscher; Praxis der Naturwissenschaften-Chemie; 3/53(2004)2-4