1. LUMINESZENZ
Das Wort leuchtend bedeutet im Grunde genommen, dass Licht ausgestrahlt wird. Die meisten Objekte in unserer Welt geben Licht ab, weil sie im Besitz von Energie sind, die von der Sonne stammt, dem leuchtendsten Objekt, das wir kennen und das wir sehen können. Im Gegensatz zum Mond, der scheinbar Licht ausstrahlt, dieses aber nur von der Sonne reflektiert, wie ein riesiger Spiegel aus Stein.
Im Grunde gibt es drei Hauptformen der Lumineszenz: Fluoreszenz, Phosphoreszenz und Chemilumineszenz. Zwei davon, nämlich Fluoreszenz und Phosphoreszenz, sind Formen der Photolumineszenz. Der Unterschied zwischen Photolumineszenz und Chemilumineszenz besteht darin, dass bei der Photolumineszenz die Lumineszenzreaktion durch Licht ausgelöst wird, während bei der Chemilumineszenz die Lichtemission durch eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Die Grundlage von Fluoreszenz und Phosphoreszenz, ist die Fähigkeit einer Substanz, Licht zu absorbieren. Dieses Licht wird dann mit einer längeren Wellenlänge, d. h. mit geringerer Energie, emittiert, nur der Zeitrahmen, in dem dies geschieht, ist unterschiedlich. Während bei fluoreszierenden Reaktionen die Emission sofort erfolgt und nur sichtbar ist, solange die Lichtquelle eingeschaltet ist (z. B. UV-Lampen), kann das Material bei phosphoreszierenden Reaktionen die absorbierte Energie speichern und später wieder abgeben. Dies führt zu einem Nachleuchten, das auch nach dem Ausschalten des Lichts noch anhält. Wenn es also sofort verschwindet, handelt es sich um Fluoreszenz. Bleibt es bestehen, handelt es sich um Phosphoreszenz. Und wenn sie chemisch aktiviert werden muss, handelt es sich um Chemilumineszenz.
Als Beispiel könnte man sich einen Nachtclub vorstellen, in dem die Textilien und Zähne im Schwarzlicht leuchten (Fluoreszenz), das Notausgangsschild leuchtet (Phosphoreszenz) und auch die Leuchtstäbe leuchten (Chemilumineszenz).
Doch wie genau funktioniert das im Detail? Erfahren Sie mehr in unserem Hauptartikel über Lumineszenz.
2. FLUORESZENZ
Materialien, die sofort Licht erzeugen, nennt man fluoreszierend. Die Atome in ihnen absorbieren Energie und werden "angeregt". Während sie in etwa einer hunderttausendstel Sekunde (10-9 bis 10-6 Sekunden) in den Normalzustand zurückkehren, geben sie die Energie in Form winziger Lichtteilchen, den Photonen, ab.
Technisch gesehen handelt es sich bei der Fluoreszenz um einen Strahlungsmechanismus, bei dem angeregte Elektronen vom niedrigsten angeregten Zustand (S1) in den Grundzustand (S0) übergehen. Während dieses Prozesses verliert das Elektron einen Teil seiner Energie durch Schwingungsrelaxation, was dazu führt, dass das emittierte Photon eine geringere Energie und damit eine größere Wellenlänge hat.
3. PHOSPHORESZENZ
Bei der Betrachtung der Phosphoreszenz müssen wir einen kurzen Abstecher zum Elektronenspin machen, um die Unterschiede zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz zu verstehen. Der Spin ist eine grundlegende Eigenschaft eines Elektrons und eine Form des Drehimpulses, der das Verhalten in einem elektromagnetischen Feld bestimmt. Der Spin kann nur einen Wert von ½ und eine Ausrichtung von entweder oben oder unten haben. Der Spin eines Elektrons wird daher als +½ oder -½ bezeichnet, oder alternativ als ↑ oder↓. Befinden sich Elektronen auf demselben Orbital eines Atoms, haben sie im einfachen Grundzustand (S0) immer einen antiparallelen Spin. Beim Übergang in einen angeregten Zustand behält das Elektron seine Spinausrichtung bei. Es bildet sich ein angeregter Singulett-Zustand (S1), in dem die beiden Spinausrichtungen als antiparallel gepaart bleiben. Alle Relaxationsereignisse in der Fluoreszenz sind spinneutral, und die Spinausrichtung des Elektrons bleibt zu jeder Zeit erhalten.
Bei der Phosphoreszenz ist dies anders. Hier gibt es schnelle (10-11 bis 10-6 Sekunden) Intersystemübergänge vom Singulett-Anregungszustand (S1) zu einem energetisch günstigen Triplett-Anregungszustand (T1). Dies führt zu einer Umkehrung des Elektronenspins. Diese Zustände zeichnen sich durch parallele Spins beider Elektronen aus und sind metastabil. Hier erfolgt die Relaxation durch Phosphoreszenz, was zu einer weiteren Umkehrung des Elektronenspins und der Emission eines Photons führt. Die Rückkehr zum entspannten Singulett-Grundzustand (S0) kann nach einer längeren Verzögerung (10-3 bis >100 Sekunden) erfolgen. Bei diesem Prozess wird bei der Phosphoreszenz-Relaxation mehr Energie durch nicht-strahlende Prozesse verbraucht als bei der Fluoreszenz, was zu einer höheren Energiedifferenz zwischen dem absorbierten und dem emittierten Photon und damit zu einer größeren Wellenlängenverschiebung führt.