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Lexikon der Chemie: Phosphoreszenz

Phosphoreszenz, eine Form der Photolumineszenz (Lumineszenz) mit im Vergleich zur Fluoreszenz langer Zeitspanne zwischen Anregung und Reemission der absorbierten Strahlung (> 10-4 s). Es tritt nach Beendigung der Anregung ein Nachleuchten auf, das in Extremfällen bis zu einigen Stunden oder sogar Tagen dauern kann. Phosphoreszierende Körper kann man deshalb als Lichtakkumulatoren betrachten, die Lichtenergie speichern und erst allmählich wieder abgeben.

P. tritt vor allem bei festen anorganischen Verbindungen (Leuchtstoffe, Phosphore), aber auch bei organischen Verbindungen in fester Lösung, selten in flüssigen Medien oder im Gaszustand auf. Nach einer elektronischen Anregung durch Absorption von Photonen geht die Substanz zunächst (Abb.) strahlungslos in einen metastabilen angeregten Zustand unterhalb des Anregungsniveaus über. Der nachfolgende Übergang in den Grundzustand führt zur Emission der Phosphoreszenzstrahlung, die eine niedrigere Frequenz als die Erregerstrahlung aufweist. Wenn der metastabile Zustand eine lange Lebensdauer aufweist – wie das bei einigen Festkörpern der Fall ist –, so kann die Emission eine beträchtliche Zeit nach Abschalten der Erregerstrahlung fortdauern.



Phosphoreszenz. Abb.: Energieschema zur Erläuterung der Phosphoreszenz.

Man unterscheidet zwei Arten der P.: 1) Zahlreiche anorganische Substanzen phosphoreszieren im festen Zustand. Starke P. ist dabei an die Gegenwart bestimmter Fremdatome im Kristallgitter, die Aktivatoren, gebunden. Beispiele dafür sind die Erdalkalisulfide, Zinksulfid oder Cadmiumsulfid, die durch Schwermetalle, wie Bismut, Kupfer, Silber, Blei, Eisen, Nickel, aktiviert werden. Die P. ist eine Funktion der Energiezustände des Kristalls als Ganzes. Die Aktivatoren erzeugen Haftstellen im Kristallgitter, deren Energie in der verbotenen Zone zwischen Valenz- und Leitungsband liegt und an denen Elektronen eingefangen und festgehalten werden können. Durch Zufuhr von Energie (z. B. Wärme) können die Elektronen in das Leitungsband überführt werden, aus dem sie unter Lichtemission zurückkehren können. Je größer der energetische Abstand zwischen Haftstellen und Leitungsband ist, desto länger leuchtet der Stoff nach.

2) P. organischer Verbindungen ist eine Moleküleigenschaft, deren Wellenlänge weitgehend von der Umgebung unabhängig ist. Nach Lichtabsorption werden Elektronen vom Grundzustand in den ersten angeregten Singulettzustand gehoben. Von dort aus kann ein Übergang in einen metastabilen Triplettzustand mit zwei ungepaarten Elektronen stattfinden (ISC, photophysikalische Prozesse). Beim anschließenden Übergang vom metastabilen Zustand in den Grundzustand, der erneut mit einer Spinumkehr verbunden ist, wird Phosphoreszenzstrahlung emittiert. Triplett-Singulett-Übergänge und umgekehrt sind im Prinzip verboten, laufen aber infolge Spin-Bahn-Kopplung mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit ab. Der metastabile Zustand hat deshalb eine lange Lebensdauer, und die relativ große Abklingzeit der P. wird verständlich.

Die spektrale Zusammensetzung der P. wird mittels der Phosphoreszenzspektroskopie untersucht. Sie dient zur Erforschung des Atom- und Molekülbaus besonders im angeregten Zustand (Photochemie) sowie der Struktur von Festkörpern. Technisch wird die P. in den Leuchtstoffen angewendet.

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