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
- Erläutere den Begriff der Komplementärfarbe.
- Nenne Beispiele für phosphoreszierende Materialien.
- Erkläre mit dem Jablonski-Schema, warum die Farbstoffe keine Linienspektren sondern scheinbar kontinuierliche Absorptionsspektren aufweisen.
- Der Farbstoff Fluorescein lässt sich im Chemieunterricht aus dem Indikator Phenophtalein gewinnen.
- Recherchiere den Begriff Stokes-Verschiebung und erläutere ihn am Beispiel der beiden abgebildeten Fluoresceinspektren.
- Erkläre mit der Abbildung rechts, warum Fluoreszein zur Fluoreszenz neigt, Phenolphtalein aber nicht.
- Recherchiere zur Anwendung und Funktion des Farbstoffes Luminol.
Versuch
Einen Fluorescein-Lösung wird mit dem Linienspektrum einer Quecksilberdampflampe durchleuchtet.
Aufbau und Durchführung
Beobachtung
Aufgabe
- 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.
11 Kommentare
Kommentieren →Guten Tag Herr Fuchs,
hier ist das Versuchsprotokoll zum Versuch
Lieber Herr Fuchs,
anbei die Bearbeitung der Aufgaben 1–5.
Liebe Grüße
Danchen
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Seite 3
Guten Abend Herr Fuchs,
anbei ist eine anschauliche Erklärung von Emissions- und Absorptionsspektren.
Mit freundlichen Grüßen
Jérôme Danan
Guten Tag Herr Fuchs,
hier ist das Versuchsprotokoll zum Versuch
Hallo Herr Fuchs,
anbei eine Erklärung zur stokes Verschiebung
Stokes Verschiebung
Vielen Dank, dass du die Graphik gezeichnet hast!!
Bilder
Vielen Dank, Clemens. Das erste ist sehr schön geworden.
Hier die Bilder vom Experiment heute.