Phosphoreszenz quantenphysikalisch
Atomphysik
Basiswissen
Phosphoreszenz nennt man das auch längere Nachleuchten eines Stoffes im Dunkeln. Der Effekt kommt dadurch zustande, dass Atome durch vorherige Lichteinstrahlung angeregt wurden und diese Anregung dann nach und nach über zum Teil lange Zeiträume wieder verlieren. Das ist hier physikalisch erklärt.
Anregung
Wird ein phosphoreszierender Stoff mit Licht (Photonen) der passenden Wellenlänge bestrahlt, so führt die Absorption der Photonen dazu, dass Elektronen des Stoffes in ein höheres Energieniveau wechseln (Quantensprung). Diese Anregung vom Grundzustand in einen angeregten Zustand erfolgt nach den Regeln der Quantenmechanik unter Beibehalt der Multiplizität. Übergänge, bei denen die Multiplizität erhalten bleibt, werden „erlaubte“ Übergänge genannt. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine hohe Wahrscheinlichkeit haben und somit schnell erfolgen.
Rückfall in den Grundzustand
Der angeregte Zustand hat nun mehrere Möglichkeiten, seine Anregungsenergie wieder abzugeben. Erfolgt die Abgabe durch Aussendung eines Lichtquants (wiederum unter Erhalt der Multiplizität), so spricht man von Fluoreszenz. Dieser Vorgang ist quantenmechanisch erlaubt, d. h. schnell und nicht mit dem für die Phosphoreszenz charakteristischen Nachleuchten verbunden. Daneben kann es auch zur Abgabe von Energie in Form von Schwingungsenergie (Wärme) an die Umgebung kommen, wobei keine Lichtemission auftritt (internal conversion mit anschließender Schwingungsrelaxation, vgl. photophysikalische Prozesse). Als dritte Möglichkeit kann der quantenmechanisch "verbotene" Wechsel in einen angeregten Zustand mit anderer Multiplizität erfolgen, der als intersystem crossing bezeichnet wird. Da nun der angeregte Zustand eine andere Multiplizität besitzt als der Grundzustand, ist die Rückkehr in den Grundzustand nach den Auswahlregeln "verboten" und findet daher langsam statt. Erfolgt die Rückkehr unter Lichtabstrahlung, so spricht man von Phosphoreszenz. Der angeregte Zustand fungiert dabei quasi als Reservoir, das nur langsam entvölkert wird. Hieraus erklärt sich die Eigenschaft der Phosphoreszenz, gegenüber der Fluoreszenz über (sehr) lange Zeiträume (u. U. Minuten bis Stunden) beobachtbar zu sein ("Nachleuchten"). Wie bei der Fluoreszenz konkurriert die Desaktivierung durch Phosphoreszenz dabei mit einer thermischen Desaktivierung, bei der Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird (erneutes intersystem crossing in ein schwingungsangeregtes Niveau des Grundzustands gefolgt von Schwingungsrelaxation.