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Fluoreszenz

Von besonderem Interesse sind die Fälle, in denen das abgegebene Photon eine andere Frequenz hat als die Photonen des bestrahlenden Lichts. Dies kann auftreten, wenn das Atom über eine Zwischenstufe zum Grundzustand zurückkehrt. Da die ursprünglich gewonnene Energie dann in mehreren Teilen abgegeben wird, hat jedes abgegebene Photon weniger Energie, also eine niedrigere Frequenz als das aufgenommene Photon.

Wenn der Vorgang der Lumineszenz sehr rasch abläuft, also in einer Zeit, die kurz ist im Vergleich zur Lebensdauer des angeregten Zustands, heißt er Fluoreszenz (oder Photolumineszenz).

Von der Fluoreszenz wird z.B. beim Theater (fluoreszierende Farben) und bei der Leuchtstofflampe Gebrauch gemacht, es wird aus UV-Licht sichtbares Licht gewonnen. Auf gleiche Weise kann ein Teil des Lichtes einer blauen Leuchtdiode in z.B. gelbes Licht umgewandelt werden (weisse LED).

 

Phosphoreszenz

Es kommt vor, dass einer der an der Lumineszenz beteiligten Übergänge eine lange Lebensdauer hat. Es kann zum Beispiel der Absorptionsprozess so viel Energie liefern, dass ein Elektron ganz aus einem Atom herauskommt und in einem anderen Atom landet. Es dauert dann einige Zeit, bis das Elektron wieder zu einem Zustand im ursprünglichen Atom gelangt, aus dem es durch Photonenabgabe zum Grundzustand zurückkehren kann. Dieser Vorgang heißt Phosphoreszenz. Das Nachleuchten kann Stunden oder Tage dauern.

Einige Spielzeuge und Ziffernblätter leuchten im Dunkeln, wenn sie vorher im Licht waren. Früher wurde oft noch eine radioaktive Substanz, die Elektronen abgibt, aufs Zifferblatt aufgetragen. Sie regt es zusätzlich an und lässt es während langer Dunkelheit leuchten.

 

Lumineszenz - Wie entsteht Licht?

Nach dem Bohrschen Atommodell bewegen sich Elektronen nicht in beliebigem Abstand um den Kern, sondern nur auf ganz bestimmten, durch eine Quantenbedingung ausgezeichneten Bahnen, den sog. stationären oder erlaubten Bahnen oder Quantenbahnen. Die Elektronen bewegen sich auf diesen stationären Bahnen strahlungsfrei, d.h. ohne Energieverlust. Je größer der Abstand der Bahnen vom Kern ist, um so größer ist das Energieniveau des Elektrons.

Der Übergang von einer Quantenbahn auf eine andere, der sogenannte Elektronen- oder Quantensprung, erfolgt dabei immer unter Aufnahme oder Abgabe der entsprechenden Energiedifferenz. Beim Übergang zu einer niedrigeren Energiestufe wird die Energiedifferenz in Form eines Photons abgegeben. Absorption oder Emission von Strahlung kann nur in dem Energieabstand entsprechenden Frequenzen erfolgen. Die Energie wird dabei in Elektronenvolt (eV) angegeben.

Licht emittierende Halbleiter (LED) müssen den der gewünschten Lichtfrequenz entsprechenden Energieabstand, der bei der Rekombination überbrückt wird, haben. Kurzwelliges Licht (blau oder UV) emittierende LED müssen also eine größere Energielücke bieten. Nach entsprechenden Halbleitern wurde in der Geschichte der LED lange geforscht.

Grafik

Der Emissionsvorgang setzt voraus, dass das Atom zu Beginn in einer angeregten Stufe ist.

400 nm ^= 3,10 eV
500 nm ^= 2,48 eV
555 nm ^= 2,23 eV
600 nm ^= 2,07 eV
700 nm ^= 1,77 eV

Der Gesamtprozeß, in dem ein Atom Energie aufnimmt und durch Photonenemission wieder zum Grundzustand zurückkehrt, heißt Lumineszenz.

 

 

Was ist Licht?

Grafik

Zur Erklärung der meisten Phänomene lässt sich Licht als elektromagnetische Welle definieren. Unser Empfinden für Farbe, Helligkeit und so weiter bezieht sich auf elektromagnetische Wellen, deren Frequenz im sichtbaren Bereich liegt. Wellen anderer Frequenzen haben keine Farbe. Sie werden mit Namen bezeichnet, die vor allem angeben, wozu sie verwendet werden.

Der gesamte Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen heisst elektromagnetisches Spektrum und erstreckt sich lückenlos von den energieärmsten, langen Wellen, die leicht mit elektrischen Schwingungskreisen hergestellt und von Antennen abgestrahlt werden können (Radiowellen), bis zu den energiereichsten, ultraharten Röntgenstrahlen und den Gammastrahlen der Atomkerne. Das Spektrum des sichtbaren Lichtes umfaßt nur einen kleinen Bereich. Er liegt bei etwa 370 nm (violett) bis 750 nm (rot), entsprechend einer Frequenz von 8x1014 bis 4x1014 Hz.

p (pico-) = 10-12 = 0,000000000001 (billionstel)
n (nano- = 10-9 = 0,000000001 (milliardstel)
µ (mikro-) = 10-6 = 0,000001 (millionstel)
m (milli-) = 10-3 = 0,001 (tausendstel)
k (kilo-) = 103 = 1000 (Tausend)
M (mega-) = 106 = 1000000 (Million)
G (giga-) = 109 = 1000000000 (Milliarden)

Weil die Wellenlängen (bzw. Frequenzen) der elektromagnetischen Strahlung einen sehr großen Bereich umfassen, werden sie meist in Zehnerpotenzen angegeben. So bezeichnet z.B. 555 nm die Wellenlänge von grünem Licht.

 

 

 

 

 

 

 

Elektrolumineszenz

Auch der elektrische Strom kann manche Stoffe anregen und Lumineszenz bewirken. Das nutzen Lumineszenzdioden. Eine LED besteht aus zwei unterschiedlich gepolten Halbleitern, die miteinander verbunden sind. Bei dem in Durchlassrichtung gepolten pn-Übergang werden Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet und Defektelektronen bzw. Löcher in umgekehrter Richtung injektiert, wodurch es zu einer Rekombination von Elektronen mit Defektelektronen kommt. Die bei diesem Vorgang freiwerdende Energie wird als Strahlung abgegeben. In geeigneten Stoffen, in denen der Energieabfall groß genug ist, wird dieses Licht sichtbar.

 

Lichtquellen

In der Optik unterscheidet man eine Vielzahl von Strahlungsquellen, die in die beiden Gruppen thermische Strahlungsquellen und Lumineszenzstrahler unterteilt werden können. Bei den thermischen Strahlungsquellen lassen sich natürliche Strahlungsquellen (z.B. die Sonne) und künstliche Strahlungsquellen (Temperaturstrahler, z.B. Kohle, Glühlampe) unterscheiden. In gleicher Weise kennt man bei den Lumineszenzstrahlern natürliche Strahler (z.B. kalte Oxidation in der Tierwelt) und künstliche Strahler (z.B. Metalldampflampen oder Gasentladungslampen, Leuchtstofflampen, Halbleiterlumineszenzdioden).

 

Geschichte

In der Optik unterscheidet man eine Vielzahl von Strahlungsquellen, die in die beiden Gruppen thermische Strahlungsquellen und Lumineszenzstrahler unterteilt werden können. Bei den thermischen Strahlungsquellen lassen sich natürliche Strahlungsquellen (z.B. die Sonne) und künstliche Strahlungsquellen (Temperaturstrahler, z.B. Kohle, Glühlampe) unterscheiden. In gleicher Weise kennt man bei den Lumineszenzstrahlern natürliche Strahler (z.B. kalte Oxidation in der Tierwelt) und künstliche Strahler (z.B. Metalldampflampen oder Gasentladungslampen, Leuchtstofflampen, Halbleiterlumineszenzdioden).

 

thermische Strahler

Die Strahlung einer erhitzten Bratpfanne ist gewöhnlich nicht zu sehen, wohl aber mit der Hand, die auf Infrarotstrahlung reagiert, zu fühlen. Wenn die Pfanne heiß genug ist, beginnt sie zu glühen, wird also so heiß, dass sie im sichtbaren Bereich strahlt. Für diese höherfrequente Strahlung sind unsere Augen empfindlich, wir sehen sie als rotes Licht.
Ein glühender Körper kann Licht jeder beliebigen Wellenlänge abgeben, sobald er die richtige Temperatur hat. Es wird umso mehr Licht ausgestrahlt, je heißer der Körper und je kürzer die Wellenlänge des vorwiegend ausgestrahlten Lichts ist. (Lichttemperatur)

Glühlampen


Die heute gebräuchliche Glühlampe wurde entwickelt, als man mit Hilfe der Quecksilberdampfpumpe ein gutes Hochvakuum erzeugen konnte. Diese Pumpe wurde 1865 hergestellt; 1880 ließ Thomas Alva Edison die Glühlampe patentieren, eine Erfindung, ohne die unser heutiger Alltag kaum vorstellbar wäre.
In eine Glasbirne eingeschlossen ist eine Wendel aus etwa einem halben Meter dünnen Wolframdraht. Wolfram schmilzt erst bei 3653 K und besitzt eine niedrige Verdampfungsgeschwindgkeit. Wenn Strom fließt, erhitzt sich durch seinen hohen elektrischen Widerstand der Faden und strahlt. Je heißer die Wendel wird, desto heller und weißer erscheint das abgestrahlte Licht. Das Spektrum des Lichts verschiebt sich in den Bereich kürzerer Wellenlängen. Die Wendeltemperatur beträgt je nach Lampentyp circa 3000 K, bei Halogenlampen sogar darüber.
Elektrische Energie wird hierbei in Strahlungsenergie umgewandelt, die zu etwa 7% im sichtbaren Bereich liegt, zum größten Teil aber im Infrarot. Glühlampen haben im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln eine nur begrenzte Lebensdauer von rund 1000 Stunden und sind leicht zerbrechlich.

 

 

Halogen-Glühlampen

Niedervolt Halogenstrahler (Philips)In einer Halogen-Glühlampe (seit 1959) werden der Gasfüllung Halogene (meist Jod) beigemischt. Diese bewirken, dass sich das an der Wendel verdampfende Wolfram an der Innenseite des relativ kühlen Lampenkolbens zu einem Metallhalogenid verbindet.
Da diese Reaktion aber erst oberhalb einer Temperatur von etwa 250°C einsetzt, muss die Kolbenwand an der kältesten Stelle diesen Temperaturwert überschreiten. Deshalb fertigt man die Lampenkolben solcher Lampen möglichst klein und aus Quarzglas. An der sehr heißen Wendel zersetzt sich das Wolframjodid wieder zu Wolfram und dem Halogen, was einem Durchbrennen der Wendel entgegenwirkt sowie eine höhere Betriebstemperatur der Lampe begünstigt. Hierdurch entsteht ein sehr helles, weißes Licht.
Die Lichtausbeute ist während der gesamten Lebensdauer der Lampe hoch, so dass ein Bedampfen der inneren Kolbenoberfläche mit Wolfram praktisch vollkommen verhindert wird und liegt, vor allem im Niedervoltbereich, über der von herkömmlichen Glühlampen. Halogen-Glühlampen benötigen keine zusätzlichen Betriebsgeräte.
Niedervolthalogenlampen müssen allerdings an Transformatoren betrieben werden. Die kleine, kompakte Form der Halogen-Glühlampen führte zu neuen Einsatzgebieten. Seit langem schon in Autoscheinwerfern verwendet, haben sie auch Einzug im Bereich der Architekturbeleuchtung gefunden.

 

Lumineszenzstrahler

Elektromagnetische Strahlung wird durch Photonen, deren Energie um so höher ist, je kürzer die Wellenlänge ist, übertragen. Diese Energie können sie durch die thermischen Prozesse in Form von Gitterschwingungen erhalten. Die Energie kann jedoch auch aus anderen, z.B. chemischen oder elektrischen Prozessen stammen, hat somit nicht thermischen Ursprung (kaltes Licht). Lichtquellen dieser Art werden unter dem übergeordneten Begriff der Lumineszenz zusammengefasst.

Neben der Auswahl der hier vorgestellten „konventionellen“ Lumineszenzstrahler gehören auch die LED zu dieser Kategorie.

Entladungslampen

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Entladungslampen gehören zu den Lumineszenzstrahlern. Weil zur Anregung elektrische Energie benutzt wird, tritt Elektrolumineszenz auf.

Ein Glasrohr mit Elektroden an den Enden ist mit einem Gas- oder Metalldampf gefüllt. Legt man eine ausreichende Spannung an die Elektroden, so bewegen sich freie Elektronen zur Anode und regen durch Stöße weitere Atome an bzw. ionisieren sie. Dabei wird Energie im Atom gespeichert. Bei der Rückkehr von dem angeregten Zustand auf niedrigere Energiestufen wird die Energie in Form von Strahlungsenergie wieder frei, es tritt Leuchten auf. Entladungslampen senden bei niedrigem Druck Linienspektren aus. Mit zunehmendem Druck tritt Linienverbreiterung und schließlich ein Kontinuum auf.

Es ist möglich, die Grenze von 3650 K, die bei Temperaturstrahlern nicht überschritten werden kann, zu überschreiten, und somit ein sehr helles, dem Tageslicht ähnliches Licht zu erzeugen. Auch dieses Phänomen wird durch die Erhöhung des Drucks in den Entladungslampen noch verstärkt. (Hochdruck-Entladungslampen werden mit einem Leuchtendruck von über einem bar betrieben.)

Im Gegensatz zu einfachen Glühlampen sind Entladungslampen jedoch von besonderen Zünd- und Betriebsbedingungen abhängig. Deshalb sind zum Betrieb Zusatzeinrichtungen erforderlich, die in der Regel getrennt von der Lampe im Leuchtengehäuse untergebracht sind.

 

Leuchtstofflampen

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Leuchtstofflampen sind Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampen. Auf der Innenseite des Glaskolbens ist eine Schicht aus Leuchtpigmenten aufgebracht, die mit Hilfe von Fotolumineszenz für die Umwandlung der UV-Strahlung der Entladung in sichtbare Strahlung (Licht) sorgt. Durch Verändern des Grundmaterials lässt sich das Emissionsspektrum der Leuchtstofflampen in weiten Bereichen variieren, so dass die Lichtfarbe allein mit dem Leuchtpigment den verschiedensten lichttechnischen Bedürfnissen angepasst werden kann.

Je nach Lichtfarbe und elektrischer Lampenleistung (üblich sind 15 W bis 65 W) haben normale Leuchtstofflampen Lichtausbeuten von 40-70 Im/W.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtstofflampen, die häufig in Röhrenform erhältlich sind, haben moderne Leuchtstofflampen eine deutlich kompaktere Form, die durch ein gebogenes oder die Kombination mehrerer, kurzer Entladungsrohre erreicht wird. Wie die große, so besitzt auch die kompakte Leuchtstofflampe eine hohe Lichtausbeute und eine lange Lebensdauer.

Für den Betrieb sind Start- und Vorschaltgeräte notwendig, die aber in der Lampe integriert sein können. Durch die kompakte Form ergibt sich ein erweitertes Anwendungsgebiet für diese Lampen. Die Lebensdauer solcher Lampen beträgt bis zu 15000 Stunden. Da sie aber, wenn auch nur in geringen Mengen, Quecksilber, Antimon, Blei oder Strontium enthalten, müssen sie als Sondermüll entsorgt werden.

Natriumdampflampen

Natriumdampflampen erzielen eine noch höhere Lichtausbeute, nämlich bis zu 150 Im/W, jedoch sind diese seit 1930 verwendeten Lampen wegen ihrer fast monochromatischen (gelben) Strahlung auf wenige Anwendungen beschränkt, wie z.B. bei der Straßenbeleuchtung zur Markierung von Kreuzungen und Gefahrenstellen.

Xenon-Hochdrucklampen

Xenon-Hochdrucklampen (Betriebsdruck bis etwa 30 bar) weisen ähnliche Daten wie die Hg-Höchstdrucklampen bei anderer spektraler Strahlungsverteilung auf. Die Strahlung reicht mit guter Ausbeute vom UV bis zum IR, hat einen sehr hohen spektralen Strahlungsfluss im nahen Infrarot und eine nahezu gleichmäßige Verteilung im sichtbaren Bereich. Mit einer Farbtemperatur von 5000 K bis 6000 K ist das Xenonlicht dem Sonnenlicht ähnlich. Das ist für die Farbwiedergabe besonders günstig. Xenonlampen werden deshalb u.a. für Farbfilmprojektion und als Beleuchtung bei dem Vergleich von Farbmustern eingesetzt.

 

Welches weisse Licht ist das beste?

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Angesichts der Vielzahl von Lichtquellen, die alle weiß erscheinen, stellt sich die Frage, welche man wählen sollte. Da bis vor kurzem fast alles künstliche Licht Glühlampenlicht war, ist es für uns zum Maßstab einer Beleuchtung geworden, bei der die Farbwiedergabe stimmt. Die Beleuchtung mit Tageslicht ist noch häufiger, aber die Intensitätsverteilung ändert sich im Laufe des Tages ganz beträchtlich. Es gibt also verschiedene Maßstäbe. Die Wahl ist hier eine Sache des Geschmacks, nicht der Wissenschaft, und die Maßstäbe ändern sich mit unserer Umwelt.

Es gibt andere Überlegungen, bei denen es nicht nach der Stimmigkeit der Farbe geht, sondern um Wirtschaftlichkeit und Bequemlichkeit. Die Lampe soll einen hohen Wirkungsgrad haben, also für wenig Geld viel Licht liefern. Das ist ein Grund für die Beliebtheit der Leuchtstoffröhren, die drei- bis viermal so lichtstark sind wie Glühlampen, aber auch für den Einsatz der LED in nur einigen Bereichen. Auch die Größe der Lichtquelle kann wichtig sein (ob man eine Punktquelle oder ein ausgedehntes Lichtbündel will); wichtig ist weiter, ob sich das Licht lenken lässt oder nicht, wie teuer und wie umständlich Unterhalt und Sicherheit sind (manche Quellen brauchen hohe Spannungen) – eine Unmenge anderer Überlegungen, die vom persönlichen Geschmack und vom Einsatzgebiet abhängen, bestimmen die Wahl.

Manchen Menschen gefällt sogar ein elektrisches Licht, das aussieht wie eine flackernde Kerze.