Fluoreszenz im Niveauschema

Erklärung — Absorption, Wärme und Emission

Was bei Fluoreszenz geschieht

Fluoreszierende Stoffe leuchten, solange sie mit (meist UV-)Licht bestrahlt werden. Im Niveauschema heißen Grundzustand \(S_0\) und tiefstes angeregtes Niveau \(S_1\).

1. Absorption:ein energiereiches Photon wird geschluckt (7.2.3); das Elektron springt auf ein hohes Niveau.
2. Strahlungsloser Übergang:durch Stöße mit Nachbarteilchen rutscht es auf \(S_1\); die Energie geht als Wärme weg, nicht als Licht.
3. Emission:von \(S_1\) nach \(S_0\) — das Photon hat weniger Energie als das aufgenommene.

Die Stokes-Verschiebung

Folge für die Farbe:weniger Energie → wegen \(\lambda=\tfrac{hc}{W}\) größere Wellenlänge: \(\lambda_\text{em}\gt\lambda_\text{abs}\). Der Abstand heißt Stokes-Verschiebung.
Feste Leuchtfarbe:die Emission startet immer von \(S_1\) — gleiche Farbe, egal wie kurzwellig man anregt.

Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Fluoreszenz:Rücksprung nach \(10^{-9}\) bis \(10^{-8}\,\text{s}\); UV aus → Leuchten sofort weg.
Phosphoreszenz:ein schwer verlassbarer Zwischenzustand verzögert den Rücksprung um Sekunden bis Stunden (Nachleuchten).

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

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

\(W_\text{abs}\), \(W_\text{em}\): Energie des aufgenommenen bzw. ausgesandten Photons · \(\Delta W_\text{Verlust}\): als Wärme abgegeben.

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: \(W_\text{abs}=\tfrac{1240}{366}\approx3{,}39\,\text{eV}\), \(W_\text{em}=\tfrac{1240}{440}\approx2{,}82\,\text{eV}\).

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

Schritt 3 — jetzt du\(\Delta W=3{,}39-2{,}82=0{,}57\,\text{eV}\) — 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: \(W_\text{abs}=\tfrac{1240}{450}\approx2{,}76\,\text{eV}\), \(W_\text{em}=\tfrac{1240}{400}\approx3{,}10\,\text{eV}\).

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.