Farbzentrum

Farbzentren bzw. F-Zentren sind Leerstellen in Ionenkristallen, an welchen Anionen fehlen. Die Ladung dieser fehlenden Anionen wird ausgeglichen, indem die Leerstelle mit einem oder mehreren Elektronen besetzt ist. Diese Elektronen können elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts absorbieren, was zu einer Verfärbung des Kristalls führt. Das Absorptionsspektrum eines solchen Kristalls besitzt eine scharfe Linie (F-Bande), wobei die Position von der Größe und Form der Anionenleerstelle abhängt, die dem Elektron zur Verfügung steht. Dabei hängt das Spektrum ausschließlich von der Struktur des Wirtsystems ab und ist unabhängig davon, woher das Elektron stammt. Am besten untersucht sind die F-Zentren in Ionenkristallen vom Natriumchlorid-Strukturtyp. Im Natriumchlorid hat die F-Bande eine Wellenlänge von 465 nm. Der Kristall hat dann eine tiefgelbe Farbe.

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Farbzentren entstehen, wenn man einen Salzkristall im Dampf des entsprechenden Metalls erhitzt, also z.B. Natriumchlorid im Metalldampf von Natrium. Dabei werden im Kristall positive Natriumionen durch neutrale Natriumatome ersetzt. Die dabei frei werdenden Elektronen besetzen dann Chlorid-Leerstellen und bilden Farbzentren. Die Chlorid-Leerstellen müssen nicht schon zu Beginn des Experiments vorhanden sein, sondern können auch erst während des Erhitzens entstehen. Die Leerstellen entstehen dann erst an der Oberfläche und diffundieren langsam ins Innere des Kristalls, was an der Verfärbung gut zu sehen ist.

Eine andere Möglichkeit, Farbzentren zu erzeugen, ist die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen. So hat Natriumchlorid nach einem längeren Experiment der Röntgenbeugung eine grün-gelbliche Farbe, wahrscheinlich durch Ionisation einiger Chloridionen.

Ein Farbzentrum ähnelt sehr stark dem Teilchen im Kasten, einem der einfachsten Modellsysteme der Quantenmechanik. Einen Beweis, dass die Elektronen wirklich in den Leerstellen eingesperrt sind und nicht mit anderen Farbzentren wechselwirken, liefert das ESR-Spektrum. Jedes ungepaarte Elektron besitzt einen ungepaarten Spin und somit ein paramagnetisches Moment.

Manchmal werden Salze, in dem ein Elektron eine Anionenposition besetzt, auch Elektrid genannt.

Siehe auch

• Gitterfehler