Lumineszenz

Lumineszenz bedeutet die Umwandlung verschiedener Energieformen in sichtbares Licht (Leuchten), ohne dass der Stoff erhitzt wird. Die Emission von sichtbarem Licht wird durch den Elektronensprung von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau in Halbleitern oder Isolatoren bewirkt. Dabei werden die Elektronen über Energie kürzerer Wellenlänge angeregt und in ein höheres Energieniveau gehoben. Beim anschließenden Übergang in den Grundzustand (energetisch günstigster Zustand) wird Licht abgestrahlt. Es werden zwei Methoden unterschieden:

Konfigurationsmodell
Band-Band Rekombinationsmodell

Konfigurationsmodell

Das Konfigurationsmodell geht aus der Molekülphysik hervor. Das Lumineszenzzentrum wird als ein System von verschiedenen elektronischen und vibronischen Zuständen betrachtet.

Im Grundzustand befindet sich das Elektron auf dem Vibrationsniveau n=0.
Anregung in ein höheres Niveau
Die Energie wird absorbiert, wenn das System unter Emission von Photonen relaxiert. Dabei fällt das Elektron in das niedrigste Schwingungsniveau m=0. Durch das Erreichen des Grundzustands wird Emissionsenergie frei.

Bändermodell

Das Bändermodell wird vorwiegend in der Festkörperphysik verwendet. Es basiert auf der Annahme, dass Elektronenenergie in verschiedene Teilbereiche untergliedert wird. Durch Bandlücken werden die einzelnen energetischen Zustände voneinander getrennt. Dadurch können elektronische und optische Übergänge beschrieben werden. Durch die Störung der Kristallstruktur bilden sich neue Energieniveaus, die sich in der Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband befinden. Lumineszenzzentren beschreiben in Festkörpern reine Gitterdefekte, extrinsische Defekte durch Spurenelemente, Dislokationen, Cluster…

Arten der Lumineszenz

Je nach Anregung können verschiedene Mechanismen unterschieden werden. Die gängigsten Mechanismen in der Geologie sind:

Kathodolumineszenz: Anregung mit einem Elektronenstrahl
Biolumineszenz: chemische Reaktion in lebenden Organismen
Photolumineszenz: Anregung durch Photonen
Thermolumineszenz: Anregung durch Erhitzen v.a. bei Quarz und Feldspat zur Datierung (Thermolumineszenzdatierung)

Als sogenanntes "Kaltes Leuchten" werden folgende Formen der Lumineszenz bezeichnet:

Fluoreszenz: spontane Emission von Licht nach Anregung
Phosphoreszenz: "Nachleuchten" nach Anregung

Referenzen

Jüstel, T. & Schwung, S. (2019): Leuchtstoffe, Lichtquellen, Laser, Lumineszenz. - Berlin (Springer).
Steffen, G. (2000): Farbe und Lumineszenz von Mineralen.- Stuttgart (Georg-Thieme-Verlag).

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Theresa Mond

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