Leuchtmittel

Wie unterschiedet sich die Lichterzeugung und das Lichtspektrum verschiedener Leuchtmittel?

Grundlagen: Licht und Energieniveauschema
Alle Leuchtmittel, vom Feuer bis zur OLED erzeugen das Licht durch Übergänge von Elektronen in der Atomhüle bzw. in den Elektronenbändern. Aufgrund der Struktur der verschiedenen Energieniveaus können so ganz verschiedene Leuchterscheinungen entstehen.

Grundprinzip: Leuchtgas In einer mit Gas gefüllten Röhre werden freie Elektronen beschleunigt und stoßen dabei auf die Gasatome. Dort können sie bei ausreichender Energie Elektronen des Atoms auf höhere Energieniveaus heben. Diese Elektronen können nun von höheren Energieniveaus auf tiefere fallen, sofern auf ihnen freie Plätze sind. Bei diesem Übergang kommt es zur Aussendung (Emission) von Licht. Die Energie und damit auch die Wellenlänge und Frequenz des Lichtes entspricht damit der Energiedifferenz der beiden beteiligten Energieniveaus. Ein Stoff kann in der Regel mehrere Lichtquanten bei entsprechenden Übergängen aussenden. Es entsteht ein sogenanntes Linienspektrum mit mehreren einzelnen Farblinien. Anwendung findet dieses Prinzip in verschiedenfarbigen Leuchtröhren der Werbung und in den gelblichen Neondampflampen , die es z.T. noch im Straßenbild gibt. Dabei dominiert i.d.R. eine der Leuchtfarben.

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Phosphoreszenz: Das Phänomen taucht bei Materialien mit einem besonders stabilen Energieniveau oberhalb des Grundzustandes. Wird ein Elektron in diesen Zustand angeregt, so verbleibt es eine Weile dort, bis es wieder in den Grundzustand wechselt. Die Emission tritt teilweise verzögert auf. Diese Substanzen leuchtet nach.

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Fluoreszenz: Wird ein Elektron in einen angeregten Zustand überführt und überspringt dabei einige Energieniveaus, so ist es möglich, dass es beim "Rückweg" in den Grundzustand diese Zwischenniveaus durchläuft. Dabei wird Licht niedrigerer Wellenlänge als das einstrahlende Licht emittiert. Die Gesamtenergie der emittierten Photonen muss dabei gleich der absorbierten Energie sein. Ist die Wahrscheinlichkeit, über ein Zwischenniveau zurückzuspringen, höher als der direkte Übergang, spricht man von Fluoresszenz.

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Sonderfall Leuchtstoffröhre: Umwandlung von UV-Licht Bei den handelsüblichen Leuchtstoffröhren wird zunächst über eine einfache Gasanregung UV-Licht erzeugt. Oft verwendet man dazu Quecksilberdampf, wodurch die Röhren zu Sondermüll werden. Dieses UV-Licht wird aber durch eine Leuchtschicht am Verlassen der Röhre gehindert. In dieser Leuchtschicht wandeln spezielle Farbstoffe das UV-Licht durch Fluoreszenz in sichtbares Licht um. Dabei entstehen i.d.R. die Farben Rot, Grün und Blau, teilweise auch gelb und violett. Stimmt die Mischung dieser Farbstoffe und des von ihnen ausgesannnten farbigen Lichtes, so nimmt unser Auge dieses Licht als weißes Licht wahr.

Energiebänder: Elektronen in Festkörpern Liegen die Atome eines Materials dicht beieinander, z.B. in einem Festkörper, so koppeln die Energieniveaus miteinander und bilden mehrere dicht beieinanderliegende Energieniveaus. Da es in Festkörpern i.d.R. sehr viele Atome sind, die miteinander koppeln (Größenordnung 1E26), kann man die einzelnen Niveaus nicht mehr voneinander unterscheiden. Dann spricht man von Energiebändern. Innerhalb eines Bandes können sich weniger Elektronen befinden als es aufnehmen könnte. Dann spricht man von teiweise besetzten Bändern. Bei niedrigen Temperaturen sind in einem Band nur die unteren Zustände besetzt.

Glühlampen: Elektronenübergänge in einem Band In Metallen ist das oberste Band des Festkörpers nur teilweise besetzt. Werden diese Elektronen nun angeregt, indem durch den Festkörper ein hoher Strom fließt, werden die Elektronen innerhalb des Bandes auf höhere Energieniveaus gehoben. Es entsteht bildlich gesprochen ein Nebel über einem See aus Elektronen. Fallen diese Elektronen nun wieder zurück, senden sie Licht aus. Da sie dies oft in vielen kleinen Schritten tun können und auch tun, wird die ursprüngliche Anregungsenergie oft in viele kleine Portionen mit geringerer Energie aufgeteilt. Dadurch entsteht viel niederenergetische Strahlung (Infrarot- oder Wärmestrahlung). Glühlampen haben daher einen erheblichen Teil ihres Spektrums im Infrarotbereich, der für uns unsichtbar ist. Daher haben sie einen schwachen Wirkungsgrad. Je heißer das Metall wird, desto wahrscheinlicher werden Übergänge zwischen weit auseinanderliegenden Energieniveaus. Dann steigt der Anteil des energiereichen blauen Lichtes. Daher wird heute die Lichtfarbe insbesondere bei modernen LEDs in Form einer Temperatur angegeben. Die Farbtemperatur von Leuchtmitteln wird in Kelvin (K) angegeben und entspricht verschiedenen Farbtönen des Lichts: Warmweiß (unter 3.300 K) → Gelblich-warmes Licht, ähnlich Kerzenlicht oder Glühlampen. Neutralweiß (3.300–5.000 K) → Weißes, natürliches Licht, oft in Büros oder Arbeitsräumen verwendet. Tageslichtweiß / Kaltweiß (über 5.000 K) → Bläulich-weißes Licht, ähnlich Tageslicht oder Neonröhren. Je niedriger die Kelvin-Zahl, desto wärmer (rötlich-gelblich) erscheint das Licht. Höhere Werte bedeuten kälteres, bläuliches Licht.

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