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.

Spek­tren ver­schie­de­ner Farb­stoffe: Cya­nin absor­biert in unter­schied­li­chen Spek­tral­be­rei­chen. Die Farbe der Linien gibt den sub­jek­ti­ven Farb­ein­druck wie­der. Fluo­res­zein absor­biert in einem ande­ren Spek­tral­be­reich, als es emit­tiert (gestri­chelt) in einem Spek­tral­be­reich, den wir in sei­ner rea­len Farbe wahrnehmen.

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. 

Jablon­ski-Schema mit Haupt­en­er­gie-Zustän­den n1 bis n3 und dicht lie­gen­den Mole­kül-Schwin­gungs­zu­stän­den. Durch Absorp­tion ange­regte Elek­tro­nen kön­nen durch interne Kon­ver­sion (IC), durch Des­ak­ti­vie­rung oder durch Fluo­res­zenz bzw. Phos­pho­res­zenz in den Grund­zu­stand rekombinieren.

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.
Die Mole­kül­struk­tur von Phe­nol­phtalein und Fluo­res­zein im Vergleich. 
  1. 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.
  2. Recher­chiere zur Anwen­dung und Funk­tion des Farb­stof­fes Lumi­nol.

Ver­such

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

Auf­bau und Durchführung

Das Licht der HG-Dampf­lampe wird mit einem Git­ter spek­tral zer­legt und auf ein Gefäß mit einer Fluo­res­cein-Lösung gestrahlt. ① Zen­tral­ma­xi­mum ② UV – Blau ③ Grün – Gelb.

Beob­ach­tung

Auf­gabe

  1. 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.

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9 Kommentare

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Guten Abend Herr Fuchs,
anbei ist eine anschau­li­che Erklä­rung von Emis­si­ons- und Absorptionsspektren.
Mit freund­li­chen Grüßen
Jérôme Danan

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