Regt man Atome bzw. die Elektronen in der Atomhülle durch elektrische Energie oder elektromagnetische Strahlung an, so überführt man die Elektronen in einen sogenannten angeregten Zustand. Von diesem angeregten Zustand “fallen” die Elektronen wieder in den Grundzustand zurück, dabei kann unter anderem die aufgenommene Energie in Form von Licht (=Photonen) wieder abgegeben werden. Dieses Phänomen wird allgemein als Lumineszenz bezeichnet. Je nachdem, wie der Prozess des “Zurückfallens” des Elektrons in den Grundzustand verläuft, unterscheidet man Phosphoreszenz und Fluoreszenz.
Die Lumineszenz beruht auf der Anregung von Atomen und der anschließenden Abstrahlung von Photonen (also der aufgenommenen Energie). Die Aussendung von Photonen (Licht) des angeregten Atoms in Form der Lumineszenz muss von der sogenannten Temperaturstrahlung unterschieden werden. Resultiert die Emission von Photonen aus der thermischen Anregung von Atomen liegt die sogenannte Temperaturstrahlung vor. Um zu beurteilen, ob Lumineszenz oder Temperaturstrahlung vorliegt, betrachtet man die sogenannte Lichtintensität. Ist die ausgesandte Lichtintensität bei einer bestimmten Wellenlänge größer als die Lichtintensität eines schwarzen Strahlers, so liegt Lumineszenz vor (der Stoff muss jeweils die gleiche Temperatur haben).
Grundsätzlich gibt es mehrere Möglichkeiten, ein Atom (bzw. die Elektronen in der Atomhülle) anzuregen. So gibt es unter anderem eine Anregung durch Photonen (=Photolumineszenz), Anregung durch Elektronen (Kathodolumineszenz) und Anregung durch eine chemische Reaktion bzw. dessen freigesetzte Energie (=Chemolumineszenz).
In den meisten Fällen wird die aufgenommene Energie des angeregten Atoms durch die Abstrahlung von Photonen wieder abgegeben. Diese Emission lässt sich messen bzw. beobachten. Dabei unterscheidet man zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz.
Zuerst noch ein Hinweis: Oft wird (im Alltag) Fluoreszenz und Phosphoreszenz anhand der Nachleuchtdauer unterschieden. Dabei “glaubt” man, dass bei sofortigem Abklingen der Lumineszenz die Fluoreszenz vorliegt. Bei “längerer” Nachleuchtdauer sollte diePhosphoreszenz vorliegen. Diese Unterscheidung entspricht aber nicht den naturwissenschaftlichen bzw. physikalischen Gesetzen.
Die Unterscheidung zwischen Fluoreszenz und Lumineszenz beurteilt man anhand des Überganges der Elektronen (aus dem angeregten Zustand) von einem höheren Energieniveau zu einem niedrigeren Niveau. Bei der Phosphoreszenz gehen die Elektronen von dem angeregten Zustand in ein metastabiles Niveau (und nicht vom angeregten in den Grundzustand wie bei der Fluoreszenz)
Fluoreszenz:
Bei der Fluoreszenz wird ein Elektron aus dem Grundniveau 1 in den angeregten Zustand 2 überführt. Dies kann beispielsweise durch Anregung (Bestrahlung mit UV-Licht) mit Lichtquantenerfolgen (= Methode der Photolumineszenz). Anschließend erfolgt die Emission von Photonen, so dass der Grundzustand wieder erreicht wird. Hierbei gibt es mehrere Möglichkeiten.
Zuerst wird das Atom durch Bestrahlung mit Photonen in den angeregten Zustand überführt (Prozess A).
Diese Möglichkeiten der Photolumineszenz bzw. Fluoreszenz beweisen, dass bei den drei Prozessen die sogenannte “Stokessche Regel” gilt. Diese besagt, dass die Photonen, mit dem das Atom angeregt wurde, kurzwelliger sind, als die vom Atom (beim Übergang in den Grundzustand) wieder abgestrahlten Photonen.
Phosphoreszenz:
Genauso wie die Fluoreszenz gehört die Phosphoreszenz zu dem Phänomen Lumineszenz. Lumineszenz tritt immer auf, wenn ein Elektron aus einem angeregten Zustand (eines Atoms) in einen Zustand niedrigerer Energie zurückfällt und die Energie als Photonen (=Licht) abgegeben wird. Bei Phosphoreszenz (im Unterschied zur Fluoreszenz) hingegen, gelangen die Elektronen nach dem Anregen von dem Zustand 2 in einen sogenannten metastabilen Zustand. Phosphoreszenz liegt also vor, wenn ein Elektron aus einem angeregten Zustand in einen metastabilen Zustand überführt wird (und nicht in den Grundzustand). Von diesem metastabilen Zustand können die Elektronen nicht sofort wieder in den Grundzustand zurückfallen, sondern müssen erst angeregt werden (beispielsweise durch thermische Energie). Daher kann bei der Phosphoreszenz der Übergang des Elektrons vom angeregten Zustand in den Grundzustand auch bis zu ein paar Stunden dauern kann.
Hinweise:
Phosphoreszenz ist kein Phänomen, dass mit dem Leuchten des Phosphors erklärbar ist. Es handelt es sich im Falle des Phosphors um eine sog. Chemolumineszenz und keine Phosphoreszenz. Das Schema, das die Prozesse der Fluoreszenz erklären, sind auf dem Niveau der Sekundarstufe 2, im Rahmen eines Chemiestudiums werden die Prozesse der Fluoreszenz anhand des Jablonski-Diagramms erklärt.
Lumineszenz ist die Emission von Licht durch ein Material, das nicht durch Hitze erhitzt wurde. Sie entsteht, wenn ein Stoff durch Absorption von Strahlung angeregt wird und dann durch Emission von Licht wieder in den Grundzustand zurückkehrt.
Der Hauptunterschied zwischen der Lumineszenz und der Inkandescenz besteht darin, dass die Lumineszenz im Gegensatz zur Inkandescenz, die bei hohen Temperaturen auftritt, bei niedrigen Temperaturen stattfindet.
Fluoreszenz ist eine Form der Lumineszenz, bei der ein angeregtes Atom oder Molekül Licht schnell wieder abgibt, nachdem es durch das Absorbieren von hochenergetischem Licht oder anderen elektromagnetischen Strahlen angeregt wurde.
Die Hauptcharakteristik der Fluoreszenz ist, dass die Lichtemission fast unmittelbar nach der Anregung aufhört, normalerweise innerhalb von Nanosekunden bis Mikrosekunden.
Phosphoreszenz ist eine spezielle Art der Lumineszenz, bei der angeregte Atome oder Moleküle in einem metastabilen Zustand verbleiben und die Energie über einen längeren Zeitraum abgeben, was zur anhaltenden Emission von Licht führt, nachdem die anregende Strahlung entfernt wurde.
Der Hauptunterschied zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz ist die Zeitspanne, in der das Licht abgestrahlt wird, und die Wellenlänge des emittierten Lichts. Im Allgemeinen ist das emittierte Licht bei Phosphoreszenz von längerer Dauer und längerer Wellenlänge.
Ein praktisches Beispiel für Fluoreszenz im Alltag sind Leuchtstofflampen, die auf dem Prinzip der Fluoreszenz basieren. Ein anderer gängiges Beispiel ist der „Schwarzlicht“-Effekt mit fluoreszierenden Plakaten und Kleidung.
Ein bekanntes Beispiel für Phosphoreszenz sind im Dunkeln leuchtende Sterne und Ziffern auf Uhren und Weckern. Diese Materialien absorbieren Licht, wenn sie dem Licht ausgesetzt sind, und geben es langsam im Dunkeln ab, wodurch sie „glühen“.
Die Biolumineszenz ist eine Art von Lumineszenz, die von lebenden Organismen, wir etwa Feuerfliegen und einigen Tiefseefischen, erzeugt wird. Es handelt sich um einen biochemischen Prozess, bei dem chemische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird.
Die Lumineszenz ist in der Wissenschaft wichtig, weil sie in vielen Bereichen, wie der Materialwissenschaft, Biologie und Chemie, angewendet wird. mittels Lumineszenz können Forscher chemische und biologische Prozesse visualisieren und quantifizieren, neue Materialien mit speziellen optischen Eigenschaften entwickeln und bestimmte Krankheiten diagnostizieren und behandeln.