Phosphoreszenz

Phosphoreszenz

Phosphoreszenz ist die Eigenschaft eines Stoffes, nach einem Beleuchten mit (sichtbarem oder UV-) Licht im Dunkeln nachzuleuchten. Ursache ist strahlende Desaktivierung. Dieses Phänomen beobachteten Alchemisten schon im 17. Jahrhundert.

Phosphoreszierender Wikipedia-Schriftzug

Phosphoreszenz / Fluoreszenz

Die Phosphoreszenz ist eine besondere Form der Lumineszenz (kaltes Leuchten). Sie unterscheidet sich vom ähnlichen Phänomen der Fluoreszenz darin, dass die Fluoreszenz nach dem Ende der Bestrahlung rasch abklingt, meist innerhalb einer millionstel Sekunde, wogegen es bei der Phosphoreszenz zu einem Nachleuchten kommt, das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann. Phosphoreszierende Stoffe werden auch als Luminophore bezeichnet, da sie das Licht scheinbar speichern.

  • Fluoreszenz: sobald das Licht aus ist, leuchtet der Stoff nicht mehr (z. B. unter Bestrahlung mit UV-Licht - Schwarzlicht in der Disko)
  • Phosphoreszenz: leuchtet im Dunkeln noch viele Stunden nach (z. B. Notausgangsschilder)

Phosphor

Eine „Phosphoreszenz“ wurde erstmals als langandauerndes Nachleuchten bei Bariumsulfid (Bologneser Leuchtstein) 1602 in Bologna durch Vincentio Casciorolo entdeckt. Später (1669) fand Hennig Brand bei dem von ihm entdeckten chemischen Element Phosphor (Lichtträger) in seiner weißen (hochreaktiven) Modifikation einen ähnlichen Effekt. Da dieses Nachleuchten auf der chemischen Reaktion von Luftsauerstoff mit Phosphor beruht, handelt es sich hier allerdings um eine Chemolumineszenz. Die eigentliche Phosphoreszenz beschreibt einen quantenphysikalischen Effekt bei der Lichtanregung.

Umgangssprachlich werden im technischen Bereich alle Materialien, die durch Strahlung zum Leuchten angeregt werden können, als „Phosphore“ bezeichnet. Genaugenommen handelt es sich also hier um „Leuchtpigmente“ (bzw. Leuchtfarbstoffe). So besteht die Innenbeschichtung einer Braunschen Röhre beispielsweise aus dotierten Zinksulfiden, die durch Elektronenstrahlung zum Leuchten angeregt werden kann. Diese Innenbeschichtung wurde bei Schwarzweiß-Fernsehgeräten „Phosphor“ genannt.

Erklärung

Links die Potenzialkurvendarstellung und rechts das entsprechende Energieschema der Phosphoreszenz. Im Grundzustand und im angeregten Singulettzustand zeigt das angeregte Elektron einen zum ebenfalls im Grundzustand befindlichen Elektron antiparallelen Spin. Das Elektron im angeregten Singulettzustand relaxiert bis in das niedrigste Schwingungsniveau des angeregten Singulettzustands, von wo aus es durch einen verbotenen Spinwechsel (intersystem crossing (ISC)) in den energetisch niedriger liegenden Triplettzustand kommt. Dort relaxiert es strahlungsfrei bis in das niedrigste Schwingungsniveau, von wo aus es nur unter einem erneuten Spinwechsel und Strahlungsabgabe zurück in den Grundzustand kommen kann.

Das Phänomen der Phosphoreszenz kann mit Hilfe der Quantenphysik beschrieben werden und gehört zur Gruppe der photophysikalischen Prozesse: Wird ein phosphoreszierender Stoff mit Licht (Photonen) der passenden Wellenlänge bestrahlt, so führt die Absorption der Photonen dazu, dass Elektronen des Phosphors in ein höheres Energieniveau wechseln (Quantensprung). Diese Anregung vom Grundzustand in einen angeregten Zustand erfolgt nach den Regeln der Quantenmechanik (Auswahlregeln), denen gemäß „erlaubte Übergänge“ eine hohe Wahrscheinlichkeit haben und somit schnell erfolgen.

Der angeregte Zustand hat nun mehrere Möglichkeiten, seine Anregungsenergie wieder abzugeben. Erfolgt die Abgabe durch Aussendung eines Lichtquants eines „erlaubten Übergangs“, so spricht man von Fluoreszenz. Dieser Vorgang ist quantenmechanisch erlaubt, d. h. schnell und nicht mit dem für die Phosphoreszenz charakteristischen Nachleuchten verbunden. Daneben kann es auch zur Abgabe von Energie in Form von Schwingungsenergie (Wärme) an die Umgebung kommen, wobei keine Lichtemission auftritt (internal conversion mit anschließender Schwingungsrelaxation, vgl. photophysikalische Prozesse). Als dritte Möglichkeit kann ein quantenmechanisch „verbotene“ Wechsel (s. Auswahlregeln) in einen angeregten Zustand erfolgen, der als intersystem crossing bezeichnet wird. Das hat zur Folge, dass auch die Rückkehr in den Grundzustand nach den Auswahlregeln „verboten“ ist und daher langsam stattfindet. Erfolgt die Rückkehr unter Lichtabstrahlung, so spricht man von Phosphoreszenz. Der angeregte Zustand fungiert dabei quasi als Reservoir, das nur langsam entvölkert wird. Hieraus erklärt sich die Eigenschaft der Phosphoreszenz, gegenüber der Fluoreszenz über (sehr) lange Zeiträume (u. U. Minuten bis Stunden) beobachtbar zu sein („Nachleuchten“). Wie bei der Fluoreszenz konkurriert die Desaktivierung durch Phosphoreszenz dabei mit einer thermischen Desaktivierung, bei der Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird (erneutes intersystem crossing in ein schwingungsangeregtes Niveau des Grundzustands gefolgt von Schwingungsrelaxation, vgl. photophysikalische Prozesse).

Bei organischen Verbindungen ist der Grundzustand in der Regel ein Singulett-Zustand (alle Elektronen gepaart). Phosphoreszenz entspricht dann dem Übergang vom angeregten Triplett-Zustand in den Singulett-Grundzustand. Da bei organischen Verbindungen in Lösung die Phosphoreszenz nur unzureichend mit der thermischen Desaktivierung konkurrieren kann, wird die Phosphoreszenz meist nur bei sehr tiefen Temperaturen und in Festkörpern (kristallisierte Verbindungen oder Einbettung in feste Matrizen) beobachtet.

Bei anorganischen Verbindungen (Übergangsmetalle, Lanthanoide, Actinoide) liegen häufig ungepaarte Elektronen vor, so dass hier die Situation bezüglich der (Spin-)Multiplizitäten vielfältiger ist, jedoch sinngemäß den gleichen Auswahlregeln folgt.

Die bei photophysikalischen Prozessen stattfindenden Übergänge und Umwandlungen lassen sich übersichtlich im Jablonski-Diagramm darstellen.

Phosphoreszierende Materialien

Phosphoreszierende Materialien sind meist Kristalle mit einer geringen Beimischung eines Fremdstoffes, der die Gitterstruktur des Kristalls stört. Meistens verwendet man Sulfide von Metallen der zweiten Gruppe sowie Zink und mischt geringe Mengen von Schwermetallsalzen bei (z. B. Zinksulfid mit Spuren von Schwermetallsalzen). In [1] findet sich ein Beispiel eines Cu-dotierten Zinksulfid-Pigmentes, die Wellenlängenbereiche der Anregung und der Abstrahlung sowie der Nachleucht-Zeitverlauf. Durch das Verschmelzen von Borsäure mit Fluorescein können mit Hilfe einer UV-Leuchtquelle die dotierten phosphoreszierenden Kristallstrukturen zum Nachleuchten gebracht werden. Eine lange Leuchtdauer erreicht Europium-dotiertes Strontiumaluminat, das 1998 entwickelt wurde und unter der Marke Luminova angeboten wird.

Anwendungen

Postwesen

Für die automatisierte Verarbeitung von Postsendungen (Sortierung, Stempel aufbringen) wurden ab der zweiten Hälfte der 1950er-Jahre unterschiedliche Ausprägungen der Lumineszenz verwendet.[2] Hierfür wurden Graphitstreifen- und Phosphorstreifenaufdrucke auf Briefmarken und Fluoreszenzstreifen neben Ganzsachen-Wertzeicheneindrucke und phosphoreszierendes sowie fluoreszierendes Papier verwendet.[2] Erste Beispiele gab es in Großbritannien ab November 1957 mit zwei Graphitstreifenaufdrucken auf Markenrückseiten.[2] In der Bundesrepublik Deutschland wurde am 1. August 1960 von Postämtern im Raum Darmstadt erste Postwertzeichen der Dauerserie Heuss I und II mit fluoreszierendem Papier verkauft.[3] Bei der Herstellung von Briefmarken werden dem Papierbrei seit einigen Jahrzehnten phosphoreszierende Stoffe beigemengt oder das Material wird nachträglich aufgeschichtet. Mit UV-Licht bestrahlte Briefmarken leuchten dann im Dunklen nach. Poststempelmaschinen können dadurch erkennen, wo die zu entwertenden Briefmarken auf dem Brief kleben und die Poststempel auf die richtige Stelle abschlagen. Mit dieser Methode können sowohl unfrankierte Briefe und Postkarten aussortiert als auch schlecht gefälschte Wertmarken identifiziert werden.

Sicherheitstechnik

Neben phosphoreszierenden Hinweisschildern werden phosphoreszierende Farben und Klebebänder zur Markierung von Fluchtwegen eingesetzt. Bei Treppen wird hier die erste und letzte Stufe über die ganze Breite markiert. Besonders in nur als Fluchtweg genutzten Tunneln und Fluren ist dies eine wirtschaftliche und deutlich ausfallsicherere Alternative zu Akku-gestützter Notbeleuchtung. Schon im Zweiten Weltkrieg waren in vielen Luftschutzbunkern die Wände mit phosphoreszierenden Farben gestrichen, um bei einem Stromausfall eine Panik in den sonst total dunklen, oft stark überbelegten Bunkerräumen zu verhindern. Typisch war im Kellergang zum Schutzraum eine 10–15 cm breite horizontale Linie in Schulterhöhe. Heute findet man solche phosphoreszierenden Markierungen häufig auch in U-Bahn-Stationen.

Signalcharakter und Nachleuchten

Phosphoreszenz lässt sich auch gut als Signalcharakter verwenden. In vielen Fällen ist es erforderlich, dass Informationen auch im Dunkeln bereitgestellt werden. So werden phosphoreszierende Materialien für Leuchtzeiger und Ziffernblätter bei Uhren und Flugzeuginstrumenten, an Lichtschaltern oder bei manchen Aufklebern (Sicherheitsschilder, Deko-Artikel (Sterne für die Kinderzimmerdecke), Autoteilen, PC, Fischereizubehör) verwendet. Bis in die 1950er-Jahre waren für Zeiger und Ziffern von Uhren und Messinstrumenten radiumhaltige Phosphoreszenzfarben üblich.

Straßenmarkierungen

In den Niederlanden wurden in einem Pilotprojekt Straßenmarkierungen mit phosphoreszierenden Farben eingesetzt. Damit sollen weniger Straßenlaternen benötigt werden, was zusätzliche Einsparungen bewirkt. Momentan gibt es einen ersten 500 Meter langen Teilabschnitt, der als Pilotprojekt in der Nähe der Stadt Oss (Provinz Nordbrabant) fertiggestellt wurde.[4][5]

Sonstige

Phosphoreszierende Farben bilden ein Stilmerkmal in der Psychedelischen Kunst.

Spezielle Radar-Bildröhren (zum Beispiel die B23G3[6]) wurden früher zur Anzeige in Radargeräten verwendet. Sie haben eine sehr hohe Nachleuchtdauer, um Ziele bis zum nächsten Umlauf der Radarantenne zu zeigen.

Das Erzeugen eines Schattenrisses der eigenen Person auf einer phosphoreszierenden Wand durch einen Elektronenblitz ist eine Attraktion in einigen Science Centern.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Honeywell: Produktinformation Lumilux Effekt Grün N-L (PDF; 52 kB), abgerufen am 6. Juni 2013.(Inzwischen nicht mehr existent)
  2. 2,0 2,1 2,2 Peter Fischer: Phosphorstreifen und ähnliche Erscheinungen. In: DBZ - Deutsche Briefmarken-Zeitung, Nr. 3/2011 vom 28. Januar 2011, Seite 28
  3. Ludwig Tröndle: Briefmarkenkunde, Orbis Verlag, ISBN 3-572-00595-7, Seite 107
  4. Leuchtende Straßenmarkierung ersetzt Laternen (heise online)
  5. Smart Highway – The intelligent and interactive roads of tomorrow
  6. radioreinhard.de: B23G3

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


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.
12.03.2021
Roboter lernen schneller mit Quantentechnologie
Künstliche Intelligenz ist Teil unseres modernen Lebens und eine entscheidende Frage für praktische Anwendungen ist, wie schnell solche intelligenten Maschinen lernen können.
11.03.2021
Mikroskopisch kleine Wurmlöcher als theoretische Möglichkeit
In vielen Science-Fiction-Filmen spielen Wurmlöcher eine wichtige Rolle – als Abkürzung zwischen zwei weit entfernten Orten des Weltalls.
09.03.2021
Das am weitesten entfernte Radio-Leuchtfeuer im frühen Universum
Quasare sind die hellen Zentren von Galaxien, die von schwarzen Löchern angetrieben werden, und aktiv Materie ansammeln.
06.03.2021
Eine nahe, glühend heiße Super-Erde
In den vergangenen zweieinhalb Jahrzehnten haben Astronomen Tausende von Exoplaneten aus Gas, Eis und Gestein aufgespürt.