Der Unterschied zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz

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Fluoreszenz und Phosphoreszenz sind zwei atomare Prozesse, durch die ein Material Licht emittiert; Fluoreszenz und Phosphoreszenz werden jedoch durch unterschiedliche Prozesse erzeugt. Sowohl bei Fluoreszenz- als auch bei Phosphoreszenzphänomenen absorbieren die Moleküle des Materials Licht und emittieren Photonen mit niedrigerer Energie (oder längerer Wellenlänge), aber bei Fluoreszenz ist der Prozess viel schneller als bei Phosphoreszenz; außerdem ändert sich die Drehrichtung der Elektronen nicht.

Was ist Photolumineszenz?

Lumineszenz ist die Eigenschaft bestimmter Materialien, Lichtstrahlung (Photonen mit Energie im sichtbaren Bereich) auszusenden, nachdem sie einem bestimmten äußeren Reiz ausgesetzt wurden. Photolumineszierende Substanzen sind insbesondere solche, die sichtbares Licht emittieren, wenn sie einer Quelle elektromagnetischer Strahlung wie ultravioletter (UV) Strahlung ausgesetzt werden, als Folge der Anregung ihrer Atome oder Moleküle, die durch die empfangene Strahlung verursacht wird.

Eine der Möglichkeiten, wie ein Material einen energetischen Stimulus absorbieren kann, besteht darin, die Elektronen seiner Atome auf einem höheren Energieniveau anzuregen als vor dem Empfang des Stimulus; In diesem Fall sprechen wir von einer Anregung der Moleküle oder Atome oder einer Erhöhung ihrer Schwingung, wodurch das Material erwärmt wird . Moleküle oder Atome können angeregt werden, indem sie verschiedene Arten von Energie absorbieren: elektromagnetische Strahlung (Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen und daher mit unterschiedlicher Energie), chemische Energie als Ergebnis einer exergischen chemischen Reaktion oder mechanische Energie, beispielsweise Reibung oder Druck Änderungen. 

Die Absorption von elektromagnetischer Energie (Licht) oder Photonen durch ein Material kann die beiden erwähnten Effekte hervorrufen: dass sich die Moleküle oder Atome des Materials erwärmen oder dass sie angeregt werden. Wenn sie angeregt werden, gehen die Elektronen auf ein höheres Energieniveau über als vor dem Empfangen des Energiereizes; Wenn sie auf ihr ursprüngliches Energieniveau oder einen stabileren Grundzustand zurückkehren, emittieren sie Photonen mit einer Energie, die der Energiedifferenz zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand entspricht. Diese Energiedifferenz ist eine Eigenschaft des Materials, unabhängig von der Energie, die es aufnimmt. Dies sind die photolumineszierenden Substanzen oder Materialien, und die emittierten Photonen werden als Photolumineszenz wahrgenommen. 

Fluoreszenz und Phosphoreszenz sind zwei Formen der Photolumineszenz eines Materials. Andere Lumineszenzmechanismen, die mit einer anderen Art von energetischem Stimulus oder Anregungsquelle verbunden sind, sind Tribolumineszenz (in Verbindung mit Reibung), Biolumineszenz (in Verbindung mit biologischen Prozessen, wie dem von Glühwürmchen) und Chemilumineszenz (in Verbindung mit chemischen Reaktionen).

Fluoreszenz

Fluoreszenz ist ein Mechanismus, bei dem hochenergetisches Licht (kurze Wellenlänge oder Hochfrequenz) absorbiert wird, wodurch die Anregung der Elektronen im Material erzeugt wird. Normalerweise liegt das absorbierte Licht im ultravioletten Bereich, und der Absorptionsprozess erfolgt schnell, ohne die Rotationsrichtung des Elektrons zu ändern. Wie bereits erwähnt, ist Fluoreszenz ein schneller Prozess, so dass das Material sofort aufhört zu leuchten, wenn die Anregungsquelle aufhört.

Die Farbe (Wellenlänge) des von einem fluoreszierenden Material emittierten Lichts ist unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und kann dem sichtbaren oder infraroten Spektrum (niedrigere Frequenz oder längere Wellenlänge als sichtbares Licht) entsprechen. Die Abregung in den Grundzustand der Elektronen emittiert sichtbares oder infrarotes Licht. Der Wellenlängenunterschied zwischen dem Absorptions- und dem Emissionsspektrum eines fluoreszierenden Materials wird als Stokes-Verschiebung bezeichnet.

Die grundlegenden Parameter von Fluoreszenzmechanismen sind:

  • Durchschnittliche Lebensdauer (τ): Durchschnittliche Zeit, die das Molekül im angeregten Zustand verbringt, bevor es in den Grundzustand zurückkehrt (~10 ns).
  • Quantenausbeute (φF): Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten und der absorbierten Photonen. Es ist immer kleiner als 1.

Beispiele für Fluoreszenz

Einige Beispiele für Fluoreszenz sind fluoreszierendes Licht und Neonschilder, Materialien, die unter Schwarzlicht (ultraviolettes Licht) leuchten, aber aufhören zu leuchten, sobald das anregende Licht ausgeschaltet wird, und Markierungsstifte. Ein sehr eigenartiges Beispiel sind Skorpione, die fluoreszieren, wenn sie durch ultraviolettes Licht angeregt werden. Das Exoskelett des Tieres schützt es nicht vor ultravioletter Strahlung, daher sollte es nicht für längere Zeit ausgesetzt werden. 

Phosphoreszenz

Wie bei der Fluoreszenz absorbiert ein phosphoreszierendes Material hochenergetisches Licht (normalerweise ultraviolettes Licht), wodurch die Elektronen im Material auf einem höheren Energieniveau als vor der Anregung angeregt werden. Im Gegensatz zur Phosphoreszenz erfolgt der Übergang in den Grundenergiezustand jedoch in viel längeren Zeiten, und die Rotationsrichtung des Elektrons kann im Prozess der An- und Abregung geändert werden.

Phosphoreszierende Materialien können mehrere Sekunden oder bis zu ein paar Tage nach dem Ende der Erregung leuchten. Dies liegt daran, dass der Energiesprung der angeregten Elektronen größer ist als bei Fluoreszenzphänomenen; das heißt, der Energieverlust der Elektronen bei der Rückkehr in den Grundzustand ist größer und die Abregung kann erzeugt werden, indem Energiezwischenzustände zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand durchlaufen werden.

Ein Elektron ändert niemals seine Rotationsrichtung oder seinen Spin bei Fluoreszenzereignissen, aber es kann dies bei Phosphoreszenzereignissen tun, sodass diese Änderung während der Energieabsorption oder während des Abregungsprozesses auftreten kann. Durch Lichtanregung verursachte Spinänderungen beinhalten längere Abregungszeiten, da das Elektron nicht in seinen niedrigsten Energiezustand zurückkehrt, bis es zu seinem ursprünglichen Spin zurückkehrt, und daher leuchten phosphoreszierende Materialien im Dunkeln, selbst nachdem sie die Anregungsquelle passiert haben aufgehört hat.

Beispiele für Phosphoreszenz

Phosphoreszierende Materialien werden in Zielfernrohren, in verschiedenen Farben und in Uhrzeigern verwendet, um nachts die Uhrzeit anzuzeigen.

Brunnen

Thermofisher Scientific. Fluoreszenzgrundlagen Fluoreszenzgrundlagen | Thermo Fisher Scientific – GB 2021

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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