Phosphoreszenz

Phosphoreszenz ist die Eigenschaft eines Stoffes, nach einem Beleuchten mit (sichtbarem oder UV-) Licht im Dunkeln nachzuleuchten. Ursache ist strahlende Desaktivierung. Dieses Phänomen beobachteten Alchemisten schon im 17. Jahrhundert.

Phosphoreszierender Wikipedia-Schriftzug

Phosphoreszenz / Fluoreszenz

Die Phosphoreszenz ist eine besondere Form der Lumineszenz (kaltes Leuchten). Sie unterscheidet sich vom ähnlichen Phänomen der Fluoreszenz darin, dass die Fluoreszenz nach dem Ende der Bestrahlung rasch abklingt, meist innerhalb einer millionstel Sekunde, wogegen es bei der Phosphoreszenz zu einem Nachleuchten kommt, das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann. Phosphoreszierende Stoffe werden auch als Luminophore bezeichnet, da sie das Licht scheinbar speichern.

• Fluoreszenz: Licht aus = Leuchten aus (z. B. unter Bestrahlung mit UV-Licht - Schwarzlicht in der Disko)
• Phosphoreszenz: leuchtet im Dunkeln noch viele Stunden nach (z. B. Notausgangsschilder)

Phosphor

Eine „Phosphoreszenz“ wurde erstmals als langandauerndes Nachleuchten bei dem chemischen Element Phosphor (Lichtträger) in seiner weißen (hochreaktiven) Modifikation beobachtet. Da dieses Nachleuchten auf der chemischen Reaktion von Luftsauerstoff mit Phosphor beruht, handelt es sich hier genaugenommen um eine Chemolumineszenz. Die eigentliche Phosphoreszenz beschreibt einen quantenphysikalischen Effekt bei der Lichtanregung.

Umgangssprachlich werden im technischen Bereich alle Materialien, die durch Strahlung zum Leuchten angeregt werden können, als „Phosphore“ bezeichnet. Genaugenommen handelt es sich also hier um „Leuchtpigmente“ (bzw. Leuchtfarbstoffe). So besteht die Innenbeschichtung einer Braunschen Röhre beispielsweise aus dotierten Zinksulfiden, die durch Elektronenstrahlung zum Leuchten angeregt werden kann. Diese Innenbeschichtung wurde bei Schwarzweiß-Fernsehgeräten „Phosphor“ genannt.

Erklärung

Der Vorgang der Phosphoreszenz kann mit Hilfe der Quantenphysik beschrieben werden: Wird ein phosphoreszierender Stoff mit Lichtquanten (Photonen) beleuchtet, so geben diese Photonen ihre Energie an die Elektronen des Stoffes ab, die in ein höheres Energieniveau wechseln (Quantensprung). Die entsprechenden Moleküle gehen vom Grundzustand in einen angeregten Zustand über, jedoch nicht unter Wahrung der Spinmultiplizität (Auswahlregeln). Dies wird anschaulich, wenn man es in einem Jablonski-Diagramm darstellt. In diesem werden die einzelnen Energie- und Schwingungsniveaus dargestellt, die die Elektronen annehmen, wenn sie Energie aufnehmen bzw. abgeben.

Das Elektron kann seine hinzugewonnene Energie abgeben, wenn es in seinen unangeregten Zustand zurückkehrt; dies kann geschehen, nachdem das angeregte Molekül mit anderen Teilchen kollidiert und so Teile seiner Energie auf andere Teilchen überträgt. Auf dem Jablonski-Diagramm ist dies durch das Absinken des Elektrons in niedere Schwingungsniveaus eingezeichnet. Die Energie wird normalerweise als Wärme abgegeben, man bezeichnet diesen Vorgang als Schwingungsrelaxation.

Können die Teilchen ihre gewonnene Energie nicht vollständig an ihre Umgebung abgeben, kommt es dazu, dass die Elektronen ihre überschüssige Energie in Form eines Photons abgeben, also als Strahlung (Licht im weiteren Sinne). Bei der Phosphoreszenz endet die Lichtemission jedoch nicht wie bei der Fluoreszenz mit dem Ende der Bestrahlung - es tritt Nachleuchten bis zu vielen Stunden auf.

Es kommt nämlich nach einer üblichen Verweildauer von etwa 10⁻⁸ Sekunden zu einem weiteren Quantensprung der Elektronen in ein metastabiles Energieniveau. Es ändert sich hierbei der Spin der Elektronen, wodurch das Molekül unter Änderung der Multiplizität von einem Singulett- in einen Triplettzustand wechselt; man nennt diesen Vorgang Interkombination (englisch: intersystem crossing). Die Verweildauer in diesem Zustand ist um einiges länger; sie beträgt Millisekunden bis hin zu Stunden.

In diesem Triplettzustand kommt es ebenso zu der Schwingungsrelaxation, jedoch ist das Molekül in diesem angeregten Zustand „gefangen“, da eine Abgabe der Energie an die Umgebung nicht möglich ist. Der Triplettzustand kann im Grunde genommen nicht in einen Singulettzustand überführt werden, da eine Spinumkehr nicht möglich ist. Doch hier kommt es zu einer Ausnahme: es tritt abermals ein verbotener Interkombinations-Prozess auf - wie bereits beim Überführen des Singulett- in den Triplettzustand. Allerdings ist die Übergangswahrscheinlichkeit hierfür viel geringer, so dass die Lebensdauer des Zustands entsprechend länger ist (sofern das Molekül nicht durch strahlungslose Übergänge in den Grundzustand wechselt), was das typische (lange) Nachleuchten erklärt.

Die Dauer der Phosphoreszenz ist temperaturabhängig, je kälter desto länger. Die Intensität der Phosphoreszenz kann mit der Temperatur zu oder abnehmen, je nachdem ob das intersystem crossing oder strahlungslose Übergänge stärker zunehmen.

Phosphoreszierende Materialien

Phosphoreszierende Materialien sind meist Kristalle mit einer geringen Beimischung eines Fremdstoffes, der die Gitterstruktur des Kristalls stört. Meistens verwendet man Sulfide von Metallen der zweiten Gruppe sowie Zink und mischt geringe Mengen von Schwermetallsalzen bei (z. B. Zinksulfid mit Spuren von Schwermetallsalzen). In ^[1] findet sich ein Beispiel eines Cu-dotierten Zinksulfid-Pigmentes, die Wellenlängenbereiche der Anregung und der Abstrahlung sowie der Nachleucht-Zeitverlauf. Durch das Verschmelzen von Borsäure mit Fluorescein können mithilfe einer UV-Leuchtquelle die dotierten Phosphoreszierende Kristallstrukturen zum Nachleuchten gebracht werden.

Anwendungen

In der Philatelie

Für die automatisierte Verarbeitung von Postsendungen (Sortierung, Stempel aufbringen) wurden ab der zweiten Hälfte der 1950er-Jahre unterschiedliche Ausprägungen der Lumineszenz verwendet.^[2] Hierfür wurden Graphitstreifen- und Phosphorstreifenaufdrucke auf Briefmarken und Fluoreszenzstreifen neben Ganzsachen-Wertzeicheneindrucke und phosphoreszierendes sowie fluoreszierendes Papier verwendet.^[2] Erste Beispiele gab es in Großbritannien ab November 1957 mit zwei Graphitstreifenaufdrucken auf Markenrückseiten.^[2] In der Bundesrepublik Deutschland wurde am 1. August 1960 von Postämtern im Raum Darmstadt erste Postwertzeichen der Dauerserie Heuss I und II mit fluoreszierendem Papier verkauft.^[3] Bei der Herstellung von Briefmarken werden dem Papierbrei seit einigen Jahrzehnten phosphoreszierende Stoffe beigemengt oder das Material wird nachträglich aufgeschichtet. Mit UV-Licht bestrahlte Briefmarken leuchten dann im Dunklen nach. Poststempelmaschinen können dadurch erkennen, wo die zu entwertenden Briefmarken auf dem Brief kleben und die Poststempel auf die richtige Stelle abschlagen. Mit dieser Methode können sowohl unfrankierte Briefe und Postkarten aussortiert, als auch schlecht gefälschte Wertmarken identifiziert werden.

Sicherheitstechnik

Neben phosphoreszierenden Hinweisschildern werden phosphoreszierende Farben und Klebebänder zur Markierung von Fluchtwegen eingesetzt. Bei Treppen wird hier die erste und letzte Stufe über die ganze Breite markiert. Besonders in nur als Fluchtweg genutzten Tunneln und Fluren ist dies eine wirtschaftliche und deutlich ausfallsicherere Alternative zu Akku-gestützter Notbeleuchtung. Schon im Zweiten Weltkrieg waren in vielen Luftschutzbunkern die Wände mit phosphoreszierenden Farben gestrichen, um bei einem Stromausfall eine Panik in den sonst total dunklen, oft stark überbelegten Bunkerräumen zu verhindern. Heute findet man solche phosphoreszierenden Markierungen häufig auch in U-Bahn-Stationen.

Sonstige

Phosphoreszierende Materialien werden darüber hinaus für Leuchtzeiger bei Uhren, an Lichtschaltern oder bei manchen Aufklebern (Sicherheitsschilder, Deko-Artikel, Autoteilen, PC, Fischereizubehör) verwendet. Bis in die 1950er-Jahre waren radiumhaltige Phosphoreszenzfarben üblich für Zeiger und Ziffern von Uhren und Messinstrumenten.

Phosphoreszierende Farben bilden ein Stilmerkmal in der Psychedelischen Kunst.

Spezielle Radar-Bildröhren (zum Beispiel die B23G3^[4]) wurden früher zur Anzeige in Radargeräten verwendet. Sie haben eine sehr hohe Nachleuchtdauer, um Ziele bis zum nächsten Umlauf der Radarantenne zu zeigen.

Das Erzeugen eines Schattenrisses der eigenen Person auf einer phosphoreszierenden Wand durch einen Elektronenblitz ist eine Attraktion in einigen Science Centern.

Weblinks

• http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss/phosphoreszenz.htm
• Peter Bützer: Phosphoreszenz. (PDF)

Einzelnachweise