Absor­bie­rende und fluo­res­zie­rende Farbstoffe

Viele Farb­stoffe absor­bie­ren einen Teil des sicht­ba­ren Lichts und für unser Auge erschei­nen sie in der Kom­ple­men­tär­farbe der absor­bier­ten Far­ben. Andere Farb­stoffe, z.B. Fluo­res­cein (Ura­nin) oder Lumi­nol emit­tie­ren Licht in einem bestimm­ten Spek­tral­be­reich. Diese Fluo­res­zenz oder Phos­pho­res­zenz neh­men wir in der Farbe wahr, in der sie emit­tiert werden.

Die Unter­schiede der ein­zel­nen Farb­stoffe wer­den in ihren Absorp­ti­ons- und Emis­si­ons­spek­tren sicht­bar. Eine Erklä­rung lie­fert das sog. Jablon­ski-Schema.

Absorp­ti­ons- und Emis­si­ons­spek­tren von Farbstoffen

In der Schule zer­le­gen wir far­bi­ges Licht mit einem Git­ter oder einem Prisma. Damit erzie­len wir die bekann­ten kon­ti­nu­ier­li­chen oder Lini­en­spek­tren sicht­ba­rer Licht­quel­len. Um die Spek­tren genauer zu erfas­sen, ist es nötig, die Inten­si­tät der ein­zel­nen Spek­tral­far­ben zu mes­sen. Das geht z.B. mit einem Kom­pakt­spek­tro­me­ter.

Das Jablon­ski-Schema

Farb­stoff­mo­le­küle besit­zen Anre­gungs­zu­stände für die Elek­tro­nen, die sich mit den Ener­gie­ni­veaus des Bohr­schen Atom­mo­dells oder der im Wel­len­bild mit dem Poten­ti­al­topf ver­glei­chen las­sen. Auf­grund der aus­ge­dehn­ten Mole­kül­geo­me­trie kom­men noch wei­tere Ener­gie­for­men ins Spiel. Die Mole­küle kön­nen auf ver­schie­dene Weise in Schwin­gun­gen ver­setzt wer­den. Auch diese Schwin­gungs­for­men fol­gen – ähn­lich den ste­hen­den Wel­len auf der Saite – den Geset­zen der Quan­ten­me­cha­nik und es sind nur dis­krete Ener­gie­ni­veaus für die Schwin­gungs­zu­stände mög­lich. Aller­dings lie­gen die Ener­gie­ni­veaus der Mole­kül­schwin­gun­gen wesent­lich dich­ter, als die Haupt­en­er­gie­zu­stände der Elektronen. 

Durch die Schwin­gungs­zu­stände gibt es bei den Farb­stof­fen eine große Zahl von mög­li­chen Ener­gie­zu­stän­den für die Absorp­tion von Pho­to­nen. Ein ange­reg­tes Elek­tron kann auf ver­schie­de­nen Wegen in den Grund­zu­stand rekombinieren:

• Bei der Des­ak­ti­vie­rung (engl. rela­xa­tion) gibt das Mole­kül seine Schwin­gungs­en­er­gie an benach­barte Mole­küle in Form von Wär­me­en­er­gie ab. Die Elek­tro­nen ver­rin­gern dabei ihre kine­ti­sche Ener­gie bis zum nächst­ge­le­ge­nen Haupt-Ener­gie­ni­veau n. Diese Ener­gie­ab­gabe erfolgt strah­lungs­frei.
• Bei der inter­nen Kon­ver­sion (eng. inter­nal con­ver­sion) über­trägt ein Elek­tron seine Ener­gie von einem Haupt­en­er­gie­ni­veau auf ein Ener­gie­ni­veau gerin­ge­rer Haupt­quan­ten­zahl n. Dies ist dann wahr­schein­lich, wenn es sehr ähn­li­che Ener­gie­ni­veaus aus Haupt­en­er­gie und Schwin­gungs­en­er­gie gibt. Auch die­ser Über­gang erfolgt strahlungsfrei.
• Bei der Fluo­res­zenz rekom­bi­niert ein Elek­tron unter Emis­sion von Strah­lung auf ein nied­ri­ge­res Hauptenergieniveau.
• Die Phos­pho­res­zenz arbei­tet ähn­lich wie die Fluo­res­zenz. Der Unter­schied liegt darin, dass eines der Haupt­en­er­gie­ni­veaus meta­sta­bil ist. Das bedeu­tet, dass Elek­tro­nen auf die­sem Niveau wesent­lich län­ger ver­wei­len können.

Auf­ga­ben

1. Erläu­tere den Begriff der Komplementärfarbe.
2. Nenne Bei­spiele für phos­pho­res­zie­rende Materialien.
3. Erkläre mit dem Jablon­ski-Schema, warum die Farb­stoffe keine Lini­en­spek­tren son­dern schein­bar kon­ti­nu­ier­li­che Absorp­ti­ons­spek­tren aufweisen.

3. Der Farb­stoff Fluo­res­cein lässt sich im Che­mie­un­ter­richt aus dem Indi­ka­tor Pheno­ph­talein gewin­nen.
   1. Recher­chiere den Begriff Sto­kes-Ver­schie­bung und erläu­tere ihn am Bei­spiel der bei­den abge­bil­de­ten Fluoresceinspektren.
   2. Erkläre mit der Abbil­dung rechts, warum Fluo­res­zein zur Fluo­res­zenz neigt, Phe­nol­phtalein aber nicht.
4. Recher­chiere zur Anwen­dung und Funk­tion des Farb­stof­fes Lumi­nol.

Ver­such

Einen Fluo­res­cein-Lösung wird mit dem Lini­en­spek­trum einer Queck­sil­ber­dampf­lampe durchleuchtet.

Auf­bau und Durchführung

Beob­ach­tung

Auf­gabe

5. Deute die Beob­ach­tun­gen. Stelle einen Bezug zu den Spek­tren des Fluo­res­ce­ins her und gehe beson­ders auf die Absorp­ti­ons- und Fluo­res­zenz­er­schei­nun­gen bei den Teil­strah­len ① – ③ ein.