Fluoreszenz-Energieniveau

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.

AbsorptionstrahlungslosEmission

Wellenlänge des einfallenden Lichts

366 nm

Status

Schritt 0

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

\(E_\text{abs}=\dfrac{hc}{\lambda_\text{abs}}\qquad E_\text{em}=\dfrac{hc}{\lambda_\text{em}}\qquad \Delta E_\text{Verlust}=E_\text{abs}-E_\text{em}\qquad \lambda_\text{em}\gt\lambda_\text{abs}\)

\(E_\text{abs}\) ist die Energie des aufgenommenen, \(E_\text{em}\) die des ausgesandten Photons. \(\Delta E_\text{Verlust}\) wird beim strahlungslosen Übergang als Wärme an die Umgebung abgegeben. Die Differenz \(\lambda_\text{em}-\lambda_\text{abs}\) heißt Stokes-Verschiebung.

So rechnest du eine Fluoreszenz durch

Ein Farbstoff wird mit \(\lambda_\text{abs}=366\,\text{nm}\) angeregt und leuchtet bei \(\lambda_\text{em}=440\,\text{nm}\). Wie viel Energie geht dabei verloren?

Schritt 1 — komplett vorgemachtBeide Energien bestimmen: \(E_\text{abs}=\tfrac{1240}{366}\approx3{,}39\,\text{eV}\), \(E_\text{em}=\tfrac{1240}{440}\approx2{,}82\,\text{eV}\).

Schritt 2 — nur noch die IdeeBilde die Differenz und überlege, wohin diese Energie geht.

Schritt 3 — jetzt du\(\Delta E=3{,}39-2{,}82=0{,}57\,\text{eV}\) — rund \(17\,\%\) der aufgenommenen Energie erwärmen die Umgebung. Die Stokes-Verschiebung beträgt \(74\,\text{nm}\).

So erkennst du eine unmögliche Angabe

Ein Werbetext verspricht einen Stoff, der blaues Licht (\(450\,\text{nm}\)) schluckt und violett (\(400\,\text{nm}\)) leuchtet. Kann das stimmen?

Schritt 1 — komplett vorgemachtEnergien vergleichen: \(E_\text{abs}=\tfrac{1240}{450}\approx2{,}76\,\text{eV}\), \(E_\text{em}=\tfrac{1240}{400}\approx3{,}10\,\text{eV}\).

Schritt 2 — nur noch die IdeePrüfe die Energiebilanz: Woher käme die zusätzliche Energie?

Schritt 3 — jetzt duDas ausgesandte Photon wäre energiereicher als das aufgenommene — das widerspricht der Energieerhaltung. Fluoreszenz verschiebt immer zu größeren Wellenlängen.

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.