Das große Leuchten: Lumineszenz

Vorlesung
Anorganische Chemie V-A
Vom Molekül zum Material
Thema heute:
Das große Leuchten: Lumineszenz
Vorlesung Vom Molekül zum Material Prof. Dr. Martin Köckerling
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Licht, Leuchten, Lumineszenz
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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.
Zusätzlich zur Lumineszenz tritt immer auch Wärmestrahlung auf, die
jeder j Körper p der Temperatur p emittiert.
Die verschiedenen Arten der Lumineszenz können auch nach der Dauer
des Leuchtens nach Ende der Erregung eingeteilt werden. Ein sehr
kkurzes NNachleuchten hl ht ( (meist i t

Physikalische Aspekte
• Licht: Elektromagnetische SStrahlung;
Photonen
charakterisiert durch die Wellenlänge λ und Frequenz ν
• Sichtbares Licht: Elektromagnetische Strahlung ca. im
Wellenlängenbereich λ = 380 – 700 nm
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Wellenlänge �, Frequenz �:
Göß Größen, Einheiten Eihit � �� � c
c = 300.000 km/s
Energie: g
E = h �
h = 6.62*10-34 Js
1J=1Ws=1Nm
1 J = 1 Ws = 1 Nm
potentielle Energie, die beim Anheben einer
Schokoladentafel (ca. ( 100 g) um 1 Meter in dieser
gespeichert wird.
3,6·106 J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1 kWh
Ab Abrechnungseinheit h i h it fü für St Strom, GGas usw. Ei Ein
Europäischer Privathaushalt benötigt pro Jahr ca. 2000–
4000 kWh an elektrischer Energie Energie.
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Göß Größen, Einheiten Eihit Strahlungsleistung (Intensität), Einheit: Watt (W)
Die von der Lichtquelle im charakteristischen Spektralbereich als
Strahlung ausgesandte Energie pro Zeiteinheit Zeiteinheit.
Lichtstrom, , Einheit : Lumen, ,( (lm) )
Von der Strahlungsleistung nach Bewertung mit der spektralen
HHellempfindlichkeit ll fi dli hk i des d menschlichen hli h Auges A abgeleitete b l i Größe G öß
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Göß Größen, Einheiten Eihit Beleuchtungsstärke E, Einheit: Lux (lx)
Die i Beleuchtungsstärke l h k bbezeichnet i h dden Lichtstrom ih pro
Flächeneinheit. Dabei gilt: 1 lm/m2 = 1 lx. Die Beleuchtungsstärke
gibt an an, wie hell ein Gegenstand beleuchtet ist ist. Ob die Lichtmenge
ausreicht, damit wir den Gegenstand gut erkennen können, hängt
allerdings g nicht von der Beleuchtungsstärke, g , sondern von der
Leuchtdichte (s.u.) ab, also von der Lichtmenge, die der Gegenstand
zu den Augen zurückwirft. Die Beleuchtungsstärke nimmt mit
ddem QQuadrat d dder EEntfernung f zur Li Lichtquelle h ll ab b (d (doppelte l
Entfernung: 4-fach geringere Beleuchtungsstärke). Die Beleuch-
tungsstärke von Tageslicht (mittags) schwankt zwischen 100 000 lx
an einem schönen Sommertag und 400 lx an einem trüben
Wintertag. g
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Farbtemperatur, Einheit: Kelvin (K)
Die Farbtemperatur charakterisiert die Lichtfarbe einer realen
Lampe im Vergleich mit der Lichtfarbe eines ideellen Schwarzen
Strahlers (Planckscher Strahler) bei entsprechender Temperatur.
Ei Ein Schwarzer S h Strahler St hl reflektiert fl kti t kein k i Licht, Li ht sondern d absorbiert b bi t im i
gesamten Wellenlängenbereich alle Strahlung vollständig. Er
erscheint daher im kalten Zustand schwarz. schwarz Ab einer Temperatur
von ca. 1726° C (etwa 2000 K) glüht ein Schwarzer Strahler
tiefrot, mit steigender Temperatur vollzieht sich ein Farbwechsel
über rötliches und neutrales Weiß bis hin zu einem bläulichen
Weiß. Wird die Farbtemperatur für eine Lichtquelle beispielsweise
mit it 5000 K als
tageslichtweiß.
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Leuchtdichte L, Einheit: cd/m 2
Für den Helligkeitseindruck maßgebliche Größe, definiert als
Lichtstärke pro Flächeneinheit (Candela/m2 ). Sie ist die Größe,
die entscheidet, ob eine Fläche uns hell oder dunkel erscheint.
Die Leuchtdichte hängt nicht allein von der Beleuchtungsstärke
und dem Einstrahlwinkel des Lichts ab sondern auch vom
Reflexionsgrad der Fläche (ob die Fläche schwarz oder weiß
ist). ) Ein dunkles Gemälde benötigt g daher stärkere Beleuchtung, g,
damit wir es gut erkennen können.
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Lichtfarbe
• SSpektrale kt l ZZusammensetzung: t TTemperaturstrahler t t hl
ät
tensitä
Int
Modell: Schwarzer Strahler
Wellenlänge [nm]
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Lichterzeugungsarten:
Li ht t
Künstliche Lichtquellen
Temperaturstrahler Lumineszenzstrahler
Halogenlampen
Glühlampen
Niederdruck
EEntladungs tl d
lampen
Hochdruck
LED
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Lumineszenz
Anregung Lumineszenz Verwendung
elektrischer Strom Elektrolumineszenz LED, Laser, EL-
FFolien li
Photonen Photolumineszenz Photolumineszenz -
Spektroskopie
chemische Reaktion Chemolumineszenz Kriminalistik,
Knicklichter
Elektronenstrahlen Kathodolumineszenz Leuchtschirme
radioaktive Strahlung Radiolumineszenz Detektion von
Radioaktivität
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te - thermische Äquilibrierung
ic - internal conversion
isc - intersystem crossing
Jablonski Termschema
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Elektrolumineszenz
- 1936 vom franz. Physiker y Georges g Destiau entdeckt
- Untersuchung der Leitfähigkeit von Metalllegierungen
- ZnS:Cu / beim Anlegen starker elektrischer Felder ��
Lichtemission
- Weiterentwicklung zur EL EL-Folie Folie �� Beleuchtung von
Cockpits oder Armaturenbrettern
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EL - Folien
- ZnS: Cu, Ga, Mn
- lichtdurchlässige Elektrode ITO (indium tin oxide)
- durch Wechselfeld werden e- in EL – Schicht
beschleunigt � Anregung durch Zusammenstöße
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‐ Anode (ITO)
‐ Kathode (Ca, Al, Ba, Ru)
OLED
‐ Farbstoff (Aluminium‐tris(8‐hydroxychinolin)
‐ Löcher und Elektronen driften aufeinander zu � Idealfall
Treffpunkt in Rekombinationsschicht
‐ Bildung von Exziton ≡ angeregter Zustand des Farbstoffmoleküls
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Chemolumineszenz
-erste t Chemolumineszenz-Reaktion Ch l i R kti -1669 1669 HHeinrich i i h HHennig i BBrand d
- Leuchten von Phosphordämpfen bei Oxidation mit Luftsauerstoff
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Luminol
- Oxidation von Luminol durch H 2
2O2 in Gegenwart von Fe2+ - Kriminalistik (Blutspuren)
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Knicklichter
- Oxalsäureester, Farbstoff und Glasröhrchen
mit H2O2 - wenn Röhrchen mit Wasserstoffperoxid p zerbrochen wird, , startet
die Chemolumineszenz
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Biolumineszenz
- spezielle Form der Chemolumineszenz
-Fähigkeit von Lebewesen, selbst Licht zu erzeugen
Funktion
- Anlocken von Beute oder Partnern
- Kommunikation
- Warn- oder Drohfunktion
- Abschreckungs- Abschreckungs oder Ablenkungsfunktion
- Tarnung durch Anpassung an Licht der Umgebung
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- Oxidation von Luciferin
Glühwürmchen
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weitere Vertreter
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