Lumineszenz

Lumineszenz

Bei der Lumineszenz führt ein physikalisches System eine von außen zugeführte Energie ganz oder teilweise nicht seiner thermischen Energie zu, sondern wird von der absorbierten Energie in einen angeregten Zustand versetzt und emittiert Licht (inklusive Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs).[1] Die Bezeichnung Lumineszenz kann sich auf den Prozess wie auf die ausgesandte Strahlung beziehen.

Wenn zwischen der Absorption der Energie und der Emission kein Aktivierungsprozess stattfindet, dann spricht man von Fluoreszenz; wenn ein angeregter Zwischenzustand die Energie für eine gewisse Zeit „einfrieren“ kann, dann von Phosphoreszenz.

Unterscheidung nach Mechanismus der Anregung des Systems

Je nach Art der Anregung unterscheidet man verschiedene Arten der Lumineszenz:

Arten der Lumineszenz Die Anregung des Systems erfolgt durch ... Beispiele und Bemerkungen
Elektrolumineszenz ein elektrisches Feld Leuchtdioden, EL-Folien oder OLEDs.
Chemilumineszenz eine chemische Reaktion Luminol zum Nachweis von Blut.
Candolumineszenz heterogen-katalytische Rekombination von Radikalen vermutlich im Glühstrumpf. Wird in der Analytik verwendet.
Biolumineszenz eine chemische Reaktion in lebenden Organismen Oxidation von Luciferin im Leuchtkäfer, Shining wood.
Kathodolumineszenz Beschuss mit Elektronen Leuchtschicht einer Kathodenstrahlröhre, Kathodolumineszenzmikroskop
Radiolumineszenz oder Ionolumineszenz Bestrahlung mit Alpha- oder Beta-Strahlung oder anderen hochenergetischen Partikeln Nachleuchtende Markierungen auf Zeigern durch Beimischen von Radium zu phosphoreszierendem Material
Röntgenfluoreszenz Absorption von Röntgenstrahlung
Photolumineszenz Photonen Nach der Art des strahlenden Übergangs unterscheidet man Fluoreszenz (in Leuchtstoffbeschichtungen von Leuchtmitteln) und Phosphoreszenz (in nachleuchtenden Leuchtfarben). Eine wissenschaftliche Anwendung ist die Photolumineszenz-Spektroskopie.
Thermolumineszenz Freisetzung von im Material gespeicherter Energie durch Temperaturerhöhung Anwendung bei der Thermolumineszenzdatierung und Thermolumineszenzdosimetern.
Sonolumineszenz Schallwellen (in Flüssigkeiten)
Tribolumineszenz verschiedene, verursacht oder ausgelöst durch Reibung oder Auseinanderreißen Bei Zuckerkristallen oder beim Öffnen von selbstklebenden Briefumschlägen.
Fractolumineszenz Zerbrechen von Kristallstrukturen Sonderfall der Tribolumineszenz.
Lyolumineszenz Auflösen mancher Stoffe
Aquolumineszenz Auflösen von Kristallstrukturen in Wasser Sonderfall der Lyolumineszenz.
Kristallolumineszenz Auskristallisieren von Kristallen Arsentrioxid
Piezolumineszenz Pressen von Quarzen verwandt mit Piezoelektrizität

Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Die verschiedenen Arten der Lumineszenz können auch nach der Dauer des Leuchtens nach Ende der Erregung eingeteilt werden. Ein sehr kurzes Nachleuchten (meist < eine millionstel Sekunde) als unmittelbare Folge und Begleiterscheinung der Anregung bezeichnet man mit dem Begriff der Fluoreszenz, wohingegen Phosphoreszenz ein längeres Nachleuchten von mindestens 1/1000 Sekunde nach der Anregung beschreibt.

Die Erklärung für beide Vorgänge liefert das Bändermodell: Durch die Anregung des Stoffes gelangen die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband. Im Falle der Fluoreszenz rekombinieren diese Leitungselektronen unter Emission von elektromagnetischer Strahlung direkt wieder mit einer Elektronenleerstelle im Valenzband. Die Lichtintensität ist dabei direkt von der aktuellen Anregungsenergie abhängig.

Bei der Phosphoreszenz hingegen werden, durch in das Material eingebrachte Störstellen, metastabile Zwischenniveaus in der verbotenen Zone erzeugt, die so genannten Haft- bzw. Aktivatorterme. Im Grundzustand sind die Aktivatorterme mit Elektronen besetzt, die Haftstellen bleiben leer. Nachdem die Elektronen durch die Anregung vom Valenzband in das Leitungsband gehoben wurden, werden die entstandenen Defektelektronen mit Elektronen aus den Aktivatortermen aufgefüllt. Die freien Elektronen sind bestrebt, mit den Defektelektronen aus dem Aktivatorterm zu rekombinieren. Dabei werden sie von den Haftstellen eingefangen. Es ist auch möglich, dass die Elektronen vom Valenzband direkt in die Haftstelle gehoben werden (direkte Anregung). Durch erneute Energieeinwirkung können diese Elektronen wieder in das Leitungsband gehoben werden und von dort aus unter Emission von Licht der Energie $ \Delta E $ mit Defektelektronen aus dem Aktivatorterm rekombinieren.

Die Untersuchung der Lumineszenz beispielsweise bei Kristallen wird mittels des Phosphoroskops nach Becquerel durchgeführt.

Sonderfall: Erwärmung setzt anderweitig deponierte Energie frei

Die sogenannte Thermolumineszenz wurde 1663 von Robert Boyle entdeckt[2]. Er berichtete in diesem Jahr am 28. Oktober vor der Royal Society, dass er einen Diamanten im Dunkeln zu schwachem Leuchten brachte, indem er ihn im Bett an den wärmsten Teil seines nackten Körpers hielt.

In manchen Stoffen wie z. B. Quarz oder Feldspat wird Energie des Zerfalls natürlich vorkommender instabiler Nuklide sowie der kosmischen Strahlung, in Form von Strahlenschäden im Kristallgitter gespeichert. Dabei werden Elektronen in „Elektronenfallen“ zwischen Valenz- und Leitungsband festgesetzt. Beim Erhitzen auf Temperaturen um 300 °C bis 500 °C setzt thermisch stimulierte Lichtemission (Thermolumineszenz) ein: angeregte Elektronen verlassen ihren metastabilen Zustand und fallen unter Lichtemission auf niedrigere Energieniveaus zurück. Da nach relativ kurzer Zeit sämtliche angeregte Elektronen auf ein niedrigeres Energieniveau gefallen sind, tritt dieser Thermolumineszenz genannte Effekt nur beim ersten Erhitzen auf. Es kann auf die gespeicherte Energie rückgeschlossen werden. Diese hängt von der Intensität und der Zeitdauer der vorhergehenden akkumulierten Energie ab. Somit ergibt sich die Möglichkeit der Thermolumineszenzdatierung über Millionen von Jahren (Bestrahlungsalter). Weniger lange haltbar, dafür aber oft schon mit milder Temperaturerhöhung freizusetzen, ist die Energie von phosphoreszierenden Stoffen.

Der geleerte Energiespeicher kann benutzt werden, um die Energiedosis ionisierender Strahlung zu bestimmen, indem man nach der Exposition erneut erhitzt und die Lumineszenz misst. Geeignet sind Materialien mit bei Raumtemperatur stabilen Defekten, wie z. B. Lithiumfluorid, das zudem sehr strahlenempfindlich ist. Ergebnis ist ein Thermolumineszenzdosimeter. So kann auch eine Lebensmittelbestrahlung nachgewiesen werden.[3]

Thermoluminesz-Messungen können auch in der Photosyntheseforschung wichtige Informationen liefern. Auch hier entstehen, nach Anregung mit Licht, metastabile Radikalpaare, die durch Wärmezufuhr rekombinieren. Peaktemperatur und Ausmaß des emittierten Lichtes lassen Rückschlüsse auf den Zustand des Photosyntheseapparates zu.

Literatur

  • Hans Kittel: Farben-Lack und Kunststofflexikon. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart 1952

Einzelnachweise

  1. Darstellung und Charakterisierung von Cadmiumsulfid-Aluminiumoxid-Nanokompositen, Dissertation von Ingo Heim, S. 28 - nebst weiteren Belegstellen dort.
  2. Newton, H.E., 1957. A history of luminescence from the earliest times until 1900. Philadelphia, American Philosophical Society., S. 126
  3. G. Schwedt: Taschenatlas der Lebensmittelchemie. 2. vollst. überarb. u. erw. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim 2005.

Weblinks

Ähnliche Artikel wie "Lumineszenz" auf cosmos-indirekt.de

01.08.2018
Festkörperphysik
Einblick in Verlustprozesse in Perowskit-Solarzellen ermöglicht Verbesserung der Effizienz
In Perowskit-Solarzellen gehen Ladungsträger vor allem durch Rekombination an Defekten an den Grenzflächen verloren.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


11.05.2021
Teleskop zur Erforschung von Objekten höchster Dichte im Universum
Eine internationale Gruppe von Astronomen hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen.
11.05.2021
Quantencomputing einfach erklärt
„Quantencomputing kompakt“ lautet der Titel eines aktuellen Buchs, das Bettina Just veröffentlicht hat. Die Mathematikerin und Informatikerin, die an der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) lehrt und forscht, behandelt darin ein Teilgebiet der Informationstechnik mit großem Entwicklungspotenzial.
11.05.2021
Auf dem Weg zum kleinstmöglichen Laser
Bei extrem niedrigen Temperaturen verhält sich Materie oft anders als gewohnt.
07.05.2021
Die Entdeckung von acht neuen Millisekunden-Pulsaren
Eine Gruppe von Astronomen hat mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop acht Millisekunden-Pulsare entdeckt, die sich in Kugelsternhaufen mit hoher Sterndichte befinden.
04.05.2021
Handfeste Hinweise auf neue Physik
Das Fermilab (USA) hat heute erste Daten aus dem Myon g-2 Experiment veröffentlicht, welche die Messwerte des gleichnamigen, 2001 durchgeführten Experiments am Brookhaven National Laboratory bestätigen.
04.05.2021
Neuer Exoplanet um jungen sonnenähnlichen Stern entdeckt
Astronomen aus den Niederlanden, Belgien, Chile, den USA und Deutschland bilden neu entdeckten Exoplaneten „YSES 2b“ direkt neben seinem Mutterstern ab.
07.04.2021
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte. Und vielleicht sogar Hinweise auf noch unbekannte Teilchen im Universum gibt.
02.04.2021
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
02.04.2021
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.
02.04.2021
Erstmals Atominterferometer im Weltraum demonstriert
Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitationswellen aufzuspüren. Weitere Raketenmissionen sollen folgen.
02.04.2021
Sendungsverfolgung für eine Quantenpost
Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber bislang nicht besonders effizient.
25.03.2021
Astronomen bilden Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M 87 ab
Ein neuer Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung.
24.03.2021
Die frühesten Strukturen des Universums
Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren.
24.03.2021
Können Sternhaufen Teilchen höher beschleunigen als Supernovae?
Ein internationales Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, dass hochenergetische kosmische Strahlung in der Umgebung massereicher Sterne erzeugt wird. Neue Hinweise gefunden, wie kosmische Strahlung entsteht.
24.03.2021
Neue Resultate stellen physikalische Gesetze in Frage
Forschende der UZH und des CERN haben neue verblüffende Ergebnisse veröffentlicht.
21.03.2021
Elektronen eingegipst
Eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen Elektronen kann in einem extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen.
21.03.2021
Chromatischer Lichtteilcheneffekt für die Entwicklung photonischer Quantennetzwerke enthüllt
Es ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung. In einem Schlüsselexperiment ist es gelungen, die bislang definierten Grenzen für Photonenanwendungen zu überschreiten.
18.03.2021
Stratosphärische Winde auf Jupiter erstmals gemessen
Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hat ein Team von Astronomen zum ersten Mal die Winde in der mittleren Atmosphäre des Jupiters direkt gemessen.
18.03.2021
Was Gravitationswellen über Dunkle Materie verraten
Die NANOGrav-Kollaboration hat kürzlich erste Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen beobachtet.
18.03.2021
Filamente des kosmischen Netzwerks entdeckt
Einem internationalen Team von Astronominnen und Astronomen gelang zum ersten Mal die direkte Kartierung kosmischer Filamente im jungen Universum, weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Beobachtungen zeigen sehr leuchtschwache Galaxien, und geben Hinweise auf deren Vorfahren.
18.03.2021
Blaupausen für das Fusionskraftwerk
Am 21 März 1991 erzeugte die Experimentieranlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching das erste Plasma.
12.03.2021
Was die reflektierte Strahlung von Exoplaneten verraten könnte
Als 1995 der erste Planet außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde, war das eine Sensation, die später mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt wurde.
12.03.2021
Theoretische Lösung für Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit
Wenn Reisen zu fernen Sternen innerhalb der Lebenszeit eines Menschen möglich sein sollen, muss ein Antrieb gefunden werden, der schneller als Lichtgeschwindigkeit ist.
12.03.2021
Quantenkontrolle mit Fernbedienung
Quantentechnologien basieren auf der präzisen Kontrolle des Zustands und der Wechselwirkung einzelner Quantenteilchen.
12.03.2021
Wie Gesteine die Bewohnbarkeit von Exoplaneten beeinflussen
Die Verwitterung von Silikatgesteinen trägt massgeblich dazu bei, dass auf der Erde ein gemässigtes Klima herrscht.