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Phosphoreszenz

Phosphoreszenz ist eine mit Fluoreszenz verwandte physikalische Erscheinung. Das Hauptkriterium zur Unterscheidung der zwei Phänomene ist die Zeitdauer zwischen der Anregung und der anschliessenden Lichtaustrahlung. Während es bei der Fluoreszenz nach der Anregung unmittelbar (<=10-8 s) zur Lichtemission kommt, gehen die angeregten Moleküle bei Phosphoreszenz in einen energetisch tieferen, metastabilen Zustand, wo sie eine längere Zeit verbleiben können (Sekunden bis mehrere Stunden). Ein strahlender Übergang vom metastabilen Zustand in den Grundzustand setzt die Restenergie in Form von Lichtstrahlung frei. Der Vergleich der Fluoreszenz und Phosphoreszenz lässt sich mit einem Ballstoss vom Tal auf einen Hügel verdeutlichen.

Schematischer Vergleich der Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Im Falle einer Fluoreszenz befindet sich der Ball in einer instabilen Lage (angeregter Zustand), aus der er gleich ins Tal zurückfällt (Grundzustand). Bei einer Phosphoreszenz rollt der Ball in das niedergelegene Plateau, wo er eine Weile verbleiben kann und nachher weiter ins Tal fällt (Grundzustand).

Für eine detaillierte Diskussion der Natur der metastabilen Zustände (die sog. Triplettzustände) verweisen wir die Leser auf die entsprechende Fachliteratur.

Phosphoreszenzstoffe sind fast immer fest; das rigide Kristallgitter ermöglicht die einfachere Konservierung der Anregungsenergie in den metastabilen energetischen Zuständen. Im Allgemeinen gilt es, dass viele phosphoreszente Stoffe normalerweise kristallin sind und oft schwere Metallkationten (Barium, Strontium) mit Zusatz von Übergansmetallen oder Seltenerdenmetallen (Kupfer, Mangan, Europium, Dysprosium, usw) enthalten.

Die ersten Beobachtungen der Phosphoreszenz kommen vom italienischen Alchemisten und Schuster Vincenzo Cascariolo, der 1603 entdeckt hat, dass das schwere Mineral vom nahegelegenen Berg Monte Paderno nach dem starken Erhitzen mit Kohle die Fähigkeit gewinnt, Sonnenlicht zu speichern und die ganze Nacht intensiv zu leuchten. Der Stein gewann den Namen Lapis solaris oder Bologneser Leuchtstein und diese Entdeckung wurde bald zu einer lebhaft diskutierten Sensation in den europäischen gelehrten Kreisen. Später wurde die Natur des Bolognesen Leuchtsteins entdeckt – der schwere Stein war ein mit Kupferionen verunreinigtes Bariumsulfat (Baryt), der durch die reduktive Einwirkung von erhitzer Kohle zum phosphoreszenten Bariumsulfid reduziert wurde.

Die grösste Anwendung finden Phosphoreszenzstoffe in Pigmenten, die den Signalisationsstrichfarben beigemischt werden. Das wohlbekannteste Beispiel sind mit einer Phosphoreszenzfarbe bestrichene leuchtende Uhrzeiger.

Ganze Untergrundkorridore können mit Phosphoreszenzfarben bestrichen werden und im Falle eines Stromausfalls kann das Phosphoreszenzpigment die Aufgabe der Notfallbeleuchtung für eine kurze Zeit übernehmen.

Dieser auf den ersten Blick gewöhnliche Fakt kann zu einer temporären Touristensensation werden, wenn die Leute vergessen, dass der Korridor einst mit einer Phosphoreszenzfarbe gestrichen wurde. Eine uninformierte Person, die in einem solchen komplett dunklen Korridor eine Taschenlampe benutzt, bemerkt, dass die vorher beleuchteten Stellen an der Wand schwach leuchten.

Dies war der Fall eines alten Untergrundkorridors in der tschechischen Stadt Jihlava (Iglau) in den frühen Neunzigern. Die Besucher des Korridors wussten nicht, dass er mit einer Nachleuchtfarbe gestrichen wurde und haben die seltsamen leuchtenden Wandmuster paranormalen Erscheinungen zugeschrieben, während es in der Tat nur ein Phosphoreszenzpigment war. Eine spätere chemische Analyse des Wandputzes hat ergeben, dass es sich um eine Bariumsulfat/Zinksulfid basierte Nachleuchtfarbe handelte.

Thermolumineszenz ist ein interessantes Spezialbeispiel einer stimulierten Phosphoreszenz. Es gibt Materialien, die die Anregungsenergie dank der Anwesendheit von Defekten im Kristallgitter für Jahrhunderte speichern können. Solche Beispiele umfassen gewisse Mineralien (verschiedene Typen von Flussspat) oder gebrannte Keramik. Um die gespeicherte Energie wieder ins Licht umzuwandeln, muss das Kristallgitter oberhalb von einer gewissen Temperatur erhitzt werden.

Die Menge des vom keramischen Teil emittierten Lichts ist direkt proportional der Menge der absorbierten Anregungsstrahlung (kosmische Strahlung oder natürliche Radioaktivität von der Umgebung). Die Messung der Menge des ausgestrahlten Lichts sagt uns wie hoch die Dosis der absorbierten Strahlung war (dies wird in den sog. Thermolumineszenzdosimetern verwendet). Wenn wir die Intensität der Anregungsstrahlung der Umgebung (die wird vor allem durch den natürlichen radioaktiven Zerfall von 40K gebildet) kennen, können wir die Zeitdauer berechnen, die seit dem Brennprozess der Keramik (die sog. Sinterung) abgelaufen ist. Dieses Verfahren wird heutzutage von Archäologen benutzt, um das Alter von keramischen Fundstücken zu bestimmen.