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). 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 anderenhochenergetischen Partikeln
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. 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.

Thermoluminesz-Messungen können auch in der Photosyntheseforschung wichtige Informationen liefern. Auch hier entstehen, nach Anregung mit Licht, metatstabile 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

Weblinks

• Lumineszenzarten (Universität Jena)
• Lumineszenzfarbstoffe, Fluorophores.org-Datenbank für Lumineszenzfarbstoffe, TU Graz
• Wenn Mineralien selber leuchten - Phosphoreszenz, Fluoreszenz und Lumineszenz Erklärt auf Schülerniveau (auf Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie)