Einführung: Was ist die Stokes-Verschiebung?
Die Stokes-Verschiebung ist ein wissenschaftlicher Begriff für ein bemerkenswertes Phänomen: Ein Material absorbiert Licht einer bestimmten Farbe (oder eines bestimmten Energieniveaus) und leuchtet anschließend, wobei es Licht einer vollständig anderen Farbe emittiert.
Benannt ist dieser Effekt nach dem Physiker George G. Stokes, der ihn erstmals in den 1850er-Jahren beschrieb. Er ist das grundlegende Prinzip dafür, wie Objekte im Dunkeln oder unter Schwarzlicht leuchten. Technisch bezeichnet er die Differenz zwischen der Wellenlänge des von einem Molekül absorbierten Lichts und der Wellenlänge des von ihm emittierten Lichts.
Funktionsweise: Licht einfangen und aussenden
Zum Verständnis der Stokes-Verschiebung kann man sich Licht als einen hüpfenden Energieball vorstellen.
Stellen Sie sich vor, Sie wären ein Molekül. Jemand wirft Ihnen einen sehr schnellen, energiereichen Ball zu (Absorption von Licht). Sie fangen den Ball, doch durch den Aufprall taumeln Sie ein wenig zurück und verlieren dabei einen Teil der ursprünglichen Energie. Wenn Sie den Ball schließlich zurückwerfen (Emission von Licht), können Sie ihn nicht mehr ganz so kräftig werfen, wie er Ihnen zugeworfen wurde.
In der Welt des Lichts:
- Hohe Energie = Kürzere Wellenlängen (wie unsichtbares ultraviolettes Licht oder blaues Licht).
- Niedrigere Energie = Längere Wellenlängen (wie grünes, gelbes oder rotes Licht).
Ein Molekül kann also energiereiches blaues Licht absorbieren, „ins Stolpern geraten“ und etwas Energie verlieren und anschließend energieärmeres grünes Licht emittieren.
Die „verlorene“ Energie: Warum ändert sich die Farbe?
Vielleicht fragen Sie sich: Wo ist die überschüssige Energie geblieben, als das Molekül ins Taumeln geriet?
In der Physik geht Energie nie wirklich verloren. Wenn ein Molekül Licht absorbiert, werden seine Elektronen angeregt und springen auf eine höhere Energiestufe. Moleküle sind jedoch ständig in Bewegung. Bevor das Elektron wieder zurückspringen und sein Licht abgeben kann, bewegt und vibriert das Molekül.
Diese winzigen Schwingungen erzeugen Wärme. Bis das Elektron wieder in seinen Grundzustand zurückkehrt und die verbleibende Energie als Photon (ein Lichtteilchen) freisetzt, ist ein Teil der ursprünglichen Energie bereits in Form dieser kleinen Wärmemenge verloren gegangen. Da weniger Energie zur Abgabe verbleibt, weist das emittierte Licht eine längere Wellenlänge und eine andere Farbe auf.
Praxisbeispiele: Wo begegnet es uns?
Wahrscheinlich haben Sie den Stokes-Shift schon oft beobachtet, ohne es zu bemerken!
- Fluoreszierende Textmarker: Wenn ein gelber Textmarker mit UV-Schwarzlicht (unsichtbarem, hochenergetischem Licht) bestrahlt wird, absorbiert die Tinte dieses unsichtbare Licht und emittiert helles, sichtbares gelbes Licht.
- Weiße T-Shirts in einer Bowlinghalle mit Schwarzlicht: Waschmittel enthalten häufig chemische „Aufheller“. Diese Chemikalien absorbieren unsichtbares UV-Licht von der Sonne oder von Schwarzlichtlampen und emittieren sichtbares blaues Licht. Dadurch erscheint das Weiß unseren Augen klarer und heller.
- Im Dunkeln leuchtendes Spielzeug: Dieses Spielzeug nimmt Lichtenergie von den eingeschalteten Glühbirnen im Raum auf und gibt diese Energie nach dem Ausschalten des Lichts langsam als grünes oder blaues Leuchten ab.
Warum ist das wichtig?
Neben leuchtenden Textmarkern und Spielzeugen ist die Stokes-Verschiebung von großer Bedeutung für die moderne Wissenschaft und Medizin.
Da das einfallende Licht eine andere Farbe als das austretende Licht hat, können Wissenschaftler das Anregungslicht mit speziellen Filtern einfach blockieren und nur das emittierte Fluoreszenzlicht beobachten. Biologen nutzen dies, um bestimmte Zellen, Proteine oder sogar DNA mit fluoreszierenden „Markern“ zu versehen. Wenn sie eine Gewebeprobe mit blauem Licht beleuchten, leuchten die markierten Zellen grün. So können sie Krankheiten kartieren, die Ausbreitung von Viren verfolgen und den menschlichen Körper auf mikroskopischer Ebene untersuchen.
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