Erklärung — Absorption, Wärme und Emission
Was bei Fluoreszenz geschieht
Fluoreszenz läuft immer in derselben Reihenfolge ab — drei Schritte, von denen nur der erste und der letzte Licht betreffen:
- 1. Absorption:Ein energiereiches Photon (meist UV) wird geschluckt. Das Elektron springt auf ein hoch liegendes Niveau.
- 2. Strahlungsloser Übergang:Durch Stöße mit Nachbarteilchen rutscht es auf das tiefste angeregte Niveau \(S_1\). Diese Energie wird als Wärme abgegeben, nicht als Licht.
- 3. Emission:Von \(S_1\) aus fällt es in den Grundzustand \(S_0\) zurück und sendet dabei ein Photon aus — mit weniger Energie als das aufgenommene.
Die Stokes-Verschiebung
Weil Schritt 2 Energie kostet, ist das ausgesandte Licht stets langwelliger als das aufgenommene:
- Energiebilanz:\(E_\text{ab}=E_\text{auf}-E_\text{Wärme}\), also \(E_\text{ab}\lt E_\text{auf}\).
- Folge für die Farbe:Wegen \(\lambda=\tfrac{hc}{E}\) gilt \(\lambda_\text{em}\gt\lambda_\text{abs}\). Der Abstand beider Maxima heißt Stokes-Verschiebung.
- Feste Leuchtfarbe:Die Emission startet immer von \(S_1\). Deshalb bleibt die Leuchtfarbe gleich, egal mit welcher UV-Wellenlänge man anregt.
Fluoreszenz und Phosphoreszenz
Beide Erscheinungen sehen ähnlich aus, unterscheiden sich aber im Weg zurück zum Grundzustand:
- Fluoreszenz:Der Rücksprung erfolgt sofort — typisch nach \(10^{-9}\,\text{s}\) bis \(10^{-8}\,\text{s}\). Schaltet man das UV aus, ist das Leuchten sofort weg.
- Phosphoreszenz:Das Molekül gerät in einen Zwischenzustand, den es nur schwer verlassen kann. Der Rücksprung dauert Sekunden bis Stunden — das ist das Nachleuchten von Leuchtsternen.
- Gemeinsam:In beiden Fällen gilt die Stokes-Verschiebung: Das ausgesandte Licht ist langwelliger als das aufgenommene.
Beachte: Die Emission startet immer vom selben Niveau — deshalb ändert sich die Leuchtfarbe nicht, egal wie kurzwellig du anregst.
Das Molekül sitzt im Grundzustand S₀. Ohne Licht von außen passiert nichts.
| Aufgenommene Energie | – |
| Abgegebene Energie | – |
| Verlust als Wärme | – |
| Emittierte Wellenlänge | 440 nm |
| Stokes-Verschiebung | – |
Energiebilanz der Fluoreszenz:
\(E_\text{abs}=\dfrac{hc}{\lambda_\text{abs}}\qquad E_\text{em}=\dfrac{hc}{\lambda_\text{em}}\qquad \Delta E_\text{Verlust}=E_\text{abs}-E_\text{em}\qquad \lambda_\text{em}\gt\lambda_\text{abs}\)
Ablauf: Fluoreszenz hat drei Schritte: Ein energiereiches Photon wird absorbiert, das Elektron gibt strahlungslos Energie als Wärme ab, dann wird ein Photon mit weniger Energie ausgesandt.
Stokes-Verschiebung: Das ausgesandte Licht ist langwelliger als das aufgenommene (\(\lambda_\text{em}>\lambda_\text{abs}\)); der Abstand beider Maxima heißt Stokes-Verschiebung.
Leuchtfarbe: Die Emission startet immer vom Niveau \(S_1\), deshalb bleibt die Farbe bei jeder UV-Anregung gleich.
Phosphoreszenz: Der Rücksprung dauert Sekunden bis Stunden, bei Fluoreszenz endet das Leuchten sofort mit dem UV.
Allgemeine Hinweise
Nie kurzwelliger als die Anregung
Das ausgesandte Photon kann nicht mehr Energie haben als das aufgenommene. Eine Fluoreszenz „von rot nach blau“ gibt es nicht.
Strahlungslos heißt: kein Licht
Beim Übergang von oben nach \(S_1\) wird kein Photon frei. Wer diesen Schritt als zweite Spektrallinie deutet, findet sie im Experiment nicht.
Fluoreszenz ist kein Reflektieren
Ein weißes Blatt wirft Licht unverändert zurück. Ein Textmarker erzeugt neues Licht anderer Farbe — deshalb leuchtet er auch dort, wo gar kein sichtbares Licht ankommt.
Vertiefung
Mit den folgenden Angeboten kannst du Absorptions- und Emissionsspektren nebeneinanderlegen und die Stokes-Verschiebung an echten Farbstoffen ablesen.
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