Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 12.11.10


Fluoreszenz

Vortrag von Johannes Bröckel im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", SS 2009


Gliederung:

Fluoreszenzerscheinungen begegnen uns im Alltag des häufigeren. Jeder kennt das Phänomen der leuchtenden weißen T-Shirts unter Schwarzlicht in Diskotheken, aber nur die wenigsten wissen den Grund dafür. Zu Beginn soll die Demonstration dieses Beispiels das heutige Thema anschaulich einleiten. Ziel des Vortrages ist es , die theoretischen Grundlagen der "Fluoreszenz" den Zuhörern näher zu bringen, sowie diese an einem Experiment (UV-Nachweis) zu erläutern und abschließend an Alltagserscheinungen zu demonstrieren.


1 Definition

Die Fähigkeit eines Körpers zu leuchten, wenn er von einer Lichtquelle angestrahlt wird, bezeichnet man allgemein als Photolumineszenz:

  • Fluoreszenz: Es erfolgt kein Nachleuchten bei Abschalten der Lichtquelle.

  • Phosphoreszenz: Es erfolgt ein Nachleuchten bei Abschalten der Lichtquelle.

Als Fluoreszenz wird die kurzzeitige, spontane Emission (Aussendung) von Licht bezeichnet, die beim Übergang eines elektronisch angeregten Systems zurück in einen Zustand niedriger Energie erfolgt. Vereinfacht ausgedrückt ist damit ein Vorgang gemeint, bei dem durch eingestrahltes Licht (UV- oder Röntgenstrahlung), ein Elektron auf ein angeregtes Niveau gehoben wird und praktisch unmittelbar darauf in den Grundzustand zurückkehrt und dabei ein Photon im sichtbaren Spektralbereich abgibt. Die Elektronenübergänge, die bei Absorption und Emission von Licht auftreten, werden für gewöhnlich in einem Jablonski-Diagramm (Abb. 2) dargestellt. Vereinfacht lassen sich diese auch mit einem Atomschalen-Modell wiedergeben (Abb. 1).


Abb. 1: Atomschalen-Modell


Abb. 2: Jablonski-Diagramm

Erklärung des Jablonski-Diagrammes:

  • Ein Elektron wird durch Absorption eines Anregungsphotons (hv) aus dem Grundzustand S0 in einen der angeregten Zustände S1 oder S2 gehoben.

  • Diese angeregten Zustände sind energetisch ungünstig und nicht stabil. Es erfolgt sofort ein strahlungsloser Übergang zum niedrigsten S1-Niveau wobei die Anregungsenergie als Schwingungsenergie (Wärme) frei wird. Dies bezeichnet man auch als Schwingungsrelaxation.

  • Der anschließende Übergang vom S1-Zustand in den Grundzustand S0 erfolgt in 10-8 s. Dies geschieht entweder unter Emission von Photonen (Fluoreszenzlicht: hv*) oder wieder unter Wärmeabgabe (Schwingungsrelaxation).

  • Es gilt die Stokes'sche Regel: Die Energie des emittierten Photons ist normalerweise geringer als die des absorbierten Photons. Daraus folgt, dass die Wellenlänge des Fluoreszenzlichts größer ist, als die des Anregungslichts.

  • Wichtig: Nach Abschalten des Anregungslichts erlischt die Fluoreszenzwirkung. (Bei der Phosphoreszenz kommt es dagegen zum Nachleuchten!)


2 Fluoreszenzanregung

Zur Fluoreszenzanregung sind nur Lichtquellen befähigt, die unsichtbares Licht mit hoher Energie aussenden. Darunter fallen folgende Strahlungsarten.

Strahlungsart Wellenlänge Sichtbarkeit

Röntgenstrahlen

bis 200 nm unsichtbar
kurzwellige UV (ultraviolette) Strahlung 200 - 285 nm unsichtbar

mittelwellige UV-Strahlung

285 -320 nm unsichtbar

langwellige UV-Strahlung

320 - 380 nm unsichtbar
Abb. 3: Unsichtbare Strahlungsarten

Mit folgendem Versuch kann man unsichtbare UV-Strahlung mit Hilfe der Fluoreszenz sichtbar machen. Dazu wird zuerst das Emissionsspektrum einer Quecksilberdampflampe entworfen (Abb. 4). Anschließend bringt man in den nicht sichtbaren Teil des Spektrums jenseits vom Blau ein Papierstück, wodurch zwei weitere Spektrallinien aufleuchten. Das unsichtbare kurzwellige UV-Licht wurde so in sichtbares längerwelliges Licht umgewandelt (Abb. 5).


Abb. 4: Versuchsaufbau zur Untersuchung eines Quecksilberspektrums


Abb. 5:
Nachweis von UV-Licht durch Fluoreszenz - links: ohne Papier, rechts: mit Papier

Zeitbedarf:

10 Minuten

Ziel:

Sichtbarmachen von unsichtbarer UV-Strahlung mit Hilfe der Fluoreszenz.

Material:
  • Vorschaltgerät

  • Quecksilberdampflampe

  • 2 Linsen

  • verstellbarer Spalt

  • Gitter

  • Schirm

Durchführung1: Aufbau der Apparatur zur Untersuchung eines Quecksilberspektrums (siehe Abb. 4).
Beobachtung 1: Das Linienspektrum der Quecksilberdampflampe ist auf dem Schirm zu sehen.
Durchführung2: Halte nun in den nicht sichtbaren Bereich jenseits vom Blau ein Papierstück.
Beobachtung 2: Auf dem Papierstück leuchten 2 weitere Spektrallinien auf.
Deutung: Unsichtbares UV-Licht wird mit Hilfe der optischen Aufheller (fluoreszierende Substanzen), die im Papier enthalten sind, in sichtbares längerwelliges Licht umgewandelt.

 


3 Anwendungsbereiche

Es gibt viele natürliche und synthetische Verbindungen die Fluoreszenz zeigen. Diese haben eine Reihe von Anwendungen.

  • In Leuchtstoffröhren wird UV-Licht (ultraviolettes Licht), das durch Gasentladung in der mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre erzeugt wird, in sichtbares Licht umgewandelt.

     
Abb. 6: Funktionsprinzip Leuchtstoffröhre [10]

ohne Leuchtstoff

mit Leuchtstoff



Abb. 7: Spektrum einer Leuchtstoffröhre ohne Leuchtstoff (links); mit Leuchtstoff (rechts) [5] [8]

  • Optische Aufheller: Einsatz fluoreszierender Farbstoffe (Papier- und Waschmittelherstellung), die einen höheren Weißeindruck erzielen (weißes Papier und weiße Textilien erscheinen dadurch leuchtender).

  • Tagesleuchtfarben (Textmarker): Tagesleuchtfarben (Neonfarben) wandeln durch Fluoreszenz den UV-Bereich des Tageslichts in Licht größerer Wellenlänge um.

  • Sicherheitsmerkmale auf Geldscheinen und Briefmarken: fluoreszierende Druckelemente, die nur unter bestimmten Lichtquellen (z.B. UV-Licht) sichtbar sind.

  • Chemie (fluoreszierende Farbstoffe): z.B. Fluorescein, Cumarin, Chinin.

Weitere Anwendungsgebiete lassen sich in der Mineralogie (zur Identifizierung von Mineralien), in der Biochemie (Sequenzierung der DNA), in der Medizin (z.B. Diagnostik von Stoffwechselkrankheiten), in der Biologie (Chlorophyll-Fluoreszenz zur Bestimmung der Fotosyntheseintensität) und in der Technik (Fluoreszenzspektroskopie zur Untersuchung von Atomen und Molekülen).


4 Demonstrationen

Zum Abschluss der Vortrages werden noch zwei Fluoreszenzerscheinungen aus dem Alltag vorgeführt. Dazu benötigt man eine Schwarzlichtlampe (UV-Lampe).

Beliebiger Euro-Geldschein (in diesem Fall 50 Euro-Schein):

     
Abb. 8: 50 Euro-Schein bei Tageslicht (links) und unter UV-Licht (rechts) [3] [6]

Im UV-Licht ist bei echten Banknoten folgendes zu erkennen:

  • die im Papier willkürlich verstreute Fasern leuchten in blau, rot und grün

  • die blaue Europaflagge und die Unterschrift des EZB-Präsidenten leuchten in grün

  • die bei Tageslicht gelben Sterne der Europaflagge leuchten in orange

  • die im Halbkreis angeordneten Europasterne leuchten in unterschiedlichen Farben

  • die Brückenmotive und die Europakarte (auf der Rückseite) leuchten in grün

Fluoreszierender Farbstoff (z.B. Aesculin aus einem Rosskastanienzweig):


Abb. 9: Blau "blutender" Kastanienzweig [7]

Der abgeschnittene Kastanienzweig "blutet" blau. Grund dafür, ist das im Zweig enthaltenen Aesculin (= Glucosid aus Aesculetin und Glucose). Es zählt zu den Cumarinen und fluoresziert unter UV-Licht blau.


5 Literatur

  1. Dorn-Bader, Physik in einem Band, Schroedel Schulbuchverlag GmbH, Hannover 2000.

  2. Grehn, Joachim, Metzler Physik, Schroedel Schulbuchverlag GmbH, Hannover 1998.

  3. http://blog.mineralium.com/uv-lampen-in-der-praxis/, 23.5.2009.

  4. http://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenz, 15.05.2009.

  5. http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstofflampe, 20.05.2009.

  6. http://erhard-metz.de/wp-content/uploads/50-euro.png, 23.05.2009.

  7. http://www.itp.uni-hannover.de/~zawischa/ITP/lumineszenz.html, 20.09.2009.

  8. http://www.leifiphysik.de/web_ph12/versuche/10spektrometer/leuchtstoff.htm, 23.05.2009.

  9. http://www.physikdidaktik.uni-bayreuth.de/, 17.09.2009.

  10. http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/, 15.05.2009.

  11. http://www.univie.ac.at/mikroskopie/3_fluoreszenz/definition/1_einleitung.htm, 16.09.2009.

  12. http://www.vip-bremen-nord.de/Wissen/Kompaktleuchtstofflampe.html, 20.05.2009.


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