Lumineszenz

Lumineszenz ist die optische Strahlung eines physikalischen Systems, die beim Übergang von einem angeregten Zustand zum Grundzustand entsteht (strahlende Desaktivierung). Je nach Art der Anregung unterscheidet man verschiedene Arten der Lumineszenz:

• Elektrolumineszenz: Die Anregung des Systems durch elektrischen Strom (Beispiel: Leuchtdioden, EL-Folien oder OLEDs).
• Kathodolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Beschuss mit Elektronen (Beispiel: Fernsehbildschirm).
• Photolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Photonen. Dabei unterscheidet man je nach Zeitdauer zwischen Anregung und Emission des Lichtes zwischen Phosphoreszenz und Fluoreszenz.
• Chemolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch eine chemische Reaktion (Beispiel: Luminol zum Nachweis von Blut).
• Biolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch eine chemische Reaktion in lebenden Organismen (Beispiel: Oxidation von Luciferin im Leuchtkäfer).
• Tribolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Reibung oder Auseinanderreißen; z.B. bei Zuckerkristallen oder beim Öffnen von selbst klebenden Briefumschlägen.
• Thermolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Wärmezufuhr. (Beispiel: Glühlampen)
• Sonolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Schallwellen (in Flüssigkeiten).
• Crystallolumineszenz bzw. Kristallolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt beim Kristallisierungsvorgang einzelner Materialien (z.B. Arsentrioxid)
• Radiolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Bestrahlung mit Alpha- oder Beta-Strahlung bzw. durch Röntgenstrahlung (ähnlich Thermolumineszenz)
• Superlumineszenz: Die Anregung des Systems kann nur durch spontane Emission erzeugtes Licht, das durch stimulierte Emission in einem Lasermedium optisch verstärkt wird, erfolgen.
• Ionolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch hochenergetische Partikelstrahlung z.B. Alpha-Pakete (Heliumkerne)
• Piezolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Pressen von Quarzen verwandt mit Piezoelektritzität.
• Fractolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Zerbrechen diverser Kristalle.

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Zusätzlich zur Lumineszenz tritt immer auch Wärmestrahlung auf, die jeder Körper der Temperatur emittiert.

Die verschiedenen Arten der Lumineszenz können auch nach der Dauer des Leuchtens nach Ende der Erregung eingeteilt werden. Ein sehr kurzes Nachleuchten (meist < einer millionstel Sekunde) als unmittelbare Folge und Begleiterscheinung der Anregung bezeichnet man mit dem Begriff der Fluoreszenz, wohingegen Phosphoreszenz ein längeres Nachleuchten von mindestens 1/1000 Sekunde nach der Anregung beschreibt.

Die Erklärung für beide Vorgänge liefert das Bändermodell: Durch die Anregung des Stoffes gelangen die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband. Im Falle der Fluoreszenz rekombinieren diese Leitungselektronen unter Emission von elektromagnetischer Strahlung direkt wieder mit einer Elektronenleerstelle im Valenzband. Die Lichtintensität ist dabei direkt von der aktuellen Anregungsenergie abhängig.

Bei der Phosphoreszenz hingegen werden, durch in das Material eingebrachte Störstellen, metastabile Zwischenniveaus in der verbotenen Zone erzeugt, die so genannten Haft- bzw. Aktivatorterme. Im Grundzustand sind die Aktivatorterme mit Elektronen besetzt, die Haftstellen bleiben leer. Nachdem die Elektronen durch die Anregung vom Valenzband in das Leitungsband gehoben wurden, werden die entstandenen Defektelektronen mit Elektronen aus den Aktivatortermen aufgefüllt. Die freien Elektronen sind bestrebt, mit den Defektelektronen aus dem Aktivatorterm zu rekombinieren. Dabei werden sie von den Haftstellen eingefangen. Es ist auch möglich, dass die Elektronen vom Valenzband direkt in die Haftstelle gehoben werden (direkte Anregung). Durch erneute Energieeinwirkung können diese Elektronen wieder in das Leitungsband gehoben werden und von dort aus unter Emission von Licht der Energie ΔE mit Defektelektronen aus dem Aktivatorterm rekombinieren.

Die Untersuchung der Lumineszenz beispielsweise bei Kristallen wird mittels des Phosphoroskops nach Becquerel durchgeführt.