Fluoreszenz im Niveauschema: Übungen – Physik Grundkurs

1Die drei Schritte zuordnenAFB I

Ordnen Sie jede Beschreibung dem passenden Schritt der Fluoreszenz zu.

Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).

11 · Absorption

22 · strahlungsloser Übergang

33 · Emission

Die mittlere Spalte ist der Schlüssel zum ganzen Kapitel: Ohne den strahlungslosen Übergang gäbe es keine Farbverschiebung — das Molekül würde einfach dieselbe Wellenlänge wieder abgeben, die es aufgenommen hat. Weil dieser Schritt kein Licht erzeugt, taucht er im Spektrum nirgends auf; man sieht nur seine Folge, nämlich dass das Emissionsmaximum bei größeren Wellenlängen liegt als das Absorptionsmaximum.

2Fluoreszenz in WortenAFB I

Vervollständigen Sie die Beschreibung.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt). Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Bei der Fluoreszenz nimmt ein Molekül ein energiereiches Photon auf. Ein Teil der Energie geht anschließend strahlungslos als verloren. Das ausgesandte Photon ist deshalb energieärmer, seine Wellenlänge also als die des aufgenommenen Lichts. Diesen Abstand der beiden Maxima nennt man -Verschiebung. Die Emission startet dabei immer vom Niveau , weshalb die Leuchtfarbe unabhängig von der Anregung ist. Schaltet man die Lampe aus, erlischt eine Fluoreszenz . Leuchtet ein Stoff dagegen minutenlang nach, spricht man von .

Zwei Aussagen tragen den Rest: „Wärme“ erklärt warum Energie fehlt, „S₁“ erklärt warum immer dieselbe Menge fehlt. Aus beidem zusammen folgt die feste Leuchtfarbe eines Textmarkers — sie ändert sich nicht, ob man ihn mit 300 nm oder mit 380 nm bestrahlt. Der Unterschied zur Phosphoreszenz liegt allein in der Zeit, nicht in der Farbe.

3Die Leuchtwellenlänge berechnenAFB II

Ein Farbstoff nimmt Licht mit \(\lambda_\text{abs}=340\,\mathrm{nm}\) auf. Beim strahlungslosen Übergang gehen \(1{,}26\,\mathrm{eV}\) als Wärme verloren. Rechnen Sie mit \(hc=1240\,\mathrm{eV\cdot nm}\).

Berechnen Sie die Wellenlänge des ausgesandten Lichts in Nanometern.

Bestimme zuerst die aufgenommene Energie, ziehe den Verlust ab und rechne zurück in Nanometer.

W_abs = 1240/340 = 3,65 eV; nach Abzug der 1,26 eV bleiben 2,39 eV, also λ_em = 1240/2,39 ≈ 520 nm — grün. Bemerkenswert ist das Verhältnis: Der Energieverlust beträgt 35 %, die Wellenlänge wächst aber um 180 nm, also mehr als die Hälfte. Das liegt am Kehrwert in λ = hc/ΔW — kleine Energieänderungen wirken sich bei kleinen Energien besonders stark auf die Wellenlänge aus.

4Im Schema orientierenAFB II

Klicken Sie im Schema das Feld an, das die jeweilige Frage beantwortet.

Lies die Frage über dem Schema und klicke das passende Feld an. Es kommen vier Fragen nacheinander.

Die vier Fragen prüfen zusammen die ganze Logik des Kapitels. Auffällig ist die dritte: Nicht das oberste Niveau ist der Ausgangspunkt der Emission, sondern S₁ — und genau deshalb hat jeder Fluoreszenzfarbstoff eine feste Leuchtfarbe. Wer hier auf „oberes Niveau“ tippt, sagt implizit voraus, dass sich die Leuchtfarbe mit der Anregungswellenlänge ändert. Genau das beobachtet man im Experiment aber nicht.

5Fehler im ProtokollAFB III

Finden Sie die falschen Zeilen in diesem Protokollauszug und klicken Sie sie an.

In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.

Die drei Fehler greifen dieselbe Idee aus drei Richtungen an: Zeile 3 erfindet Licht, wo keines entsteht; Zeile 4 macht die Leuchtfarbe von der Anregung abhängig; Zeile 6 dreht die Stokes-Verschiebung um. Gegen alle drei hilft ein einziger Satz: Was heruntergeht, ist immer weniger als das, was hochging — und es geht immer von S₁ aus. Wer diesen Satz beim Lesen eines Protokolls mitdenkt, findet solche Stellen ohne zu rechnen.

6Aussagen zur FluoreszenzAFB I

Wählen Sie alle zutreffenden Aussagen aus.

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.

Bei Fluoreszenz geht immer Energie verloren — die Farbe wird „röter“, nie „blauer“. Langes Nachleuchten ist Phosphoreszenz.

7Stimmt's? — Fluoreszenz im AlltagAFB II

Entscheiden Sie bei jeder Aussage, ob sie stimmt.

Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.

Aussage 1 von 5

Anregen kann man nur mit Licht, das mehr Energie hat als das ausgesandte.

8Energiebilanz eines LeuchtstoffsAFB II

Ein Leuchtstoff nimmt Licht mit 365 nm auf und sendet Licht mit 520 nm aus. Rechnen Sie mit hc = 1240 eV · nm.

Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Brüche wie 3/8 sind erlaubt.

aufgenommene Photonenenergie eV
abgegebene Photonenenergie eV
als Wärme abgegebene Energie eV
Stokes-Verschiebung nm

Rund 30 % der aufgenommenen Energie gehen als Wärme verloren. Deshalb wird jede Fluoreszenzlampe auch warm.

9Der AblaufAFB I

Bringen Sie die Schritte der Fluoreszenz in die richtige Reihenfolge.

Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.

1Ein UV-Photon trifft auf das Molekül.

2Absorption: Sprung von S₀ auf ein hohes Niveau.

3Strahlungsloser Übergang auf S₁, Energie geht als Wärme weg.

4Emission eines Photons beim Sprung von S₁ nach S₀.

5Das Molekül ist wieder im Grundzustand.

Der mittlere Schritt entscheidet über die Farbe: Er sorgt dafür, dass die Emission immer von S₁ startet.

10Ein Farbstoff, drei LampenAFB III

Ein Farbstoff leuchtet bei 450 nm. Er wird nacheinander mit Licht von 300 nm, 380 nm und 500 nm bestrahlt (hc = 1240 eV · nm).

Spiele den Ablauf Schritt für Schritt durch: Was passiert als Nächstes? Nur die richtige Karte bringt dich weiter.

Kurzwelliger anregen ändert nicht die Farbe, sondern nur die Wärmeverluste.

Übungen: Licht rein, andere Farbe raus

Übungsaufgaben