Versuch: Phosphoreszenz

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1 Versuch O8 PHOSPHORESZENZ Seie 1 von 6 Versuch: Phosphoreszenz Anleiung für folgende Sudiengänge: Biowissenschafen, Pharmazie Raum: Physik.24 Goehe-Universiä Frankfur am Main Fachbereich Physik Physikalisches Insiu Anfängerprakikum Teil 1 (AP1) Akualisier: von C. Krellner 1. Thema In diesem Versuch soll das zeiliche Abklingen der Phosphoreszenz von Rubinen und verschiedenen Glassoren quaniaiv unersuch werden. 2. Physikalische Grundlagen Viele fese Körper, als Phosphore ( Lichräger ) bezeichne, leuchen nach Besrahlung mi kurzwelligem Lich noch länger nach. Dieses Phänomen bezeichne man als Phosphoreszenz und resulier von abgesrahlen Phoonen, die beim Übergang von Elekronen aus einem angeregen Zusand in den Grundzusand ensehen. Dies wird manchmal auch als Phoo- Lumineszenz bezeichne, da die Anregung der Elekronen mi Phoonen erfolg. Dabei unerscheide man je nach Zeidauer zwischen Anregung und Emission des Liches zwischen Phosphoreszenz (Zeiskala > 1-3 s) und Fluoreszenz (Zeiskala 1-8 s). Die Anregung der Elekronen kann auch anderweiig erfolgen, z.b. durch elekrischen Srom (Elekrolumineszenz), durch eine chemische Reakion (Chemolumineszenz) oder durch Wärmezufuhr (Thermolumineszenz) Phosphoreszenz im Rubin Die Ursache der Phosphoreszenz im Rubin kann man anhand der Energieniveaus der elekronischen Zusände versehen. Abbildung 1: Elekronisches Termschema von Rubin. Die Phosphoreszenz enseh beim Übergang vom measabilen Zusand in den Grundzusand. Ein vereinfaches Termschema is in Abbildung 1 gezeig. Die Elekronen werden durch Lich aus dem Grundzusand in energeisch höher liegende Bänder angereg. Von diesen Absorpionsbändern gehen die Elekronen in weniger als 1-9 s in ein iefer liegendes Niveau über, dies erfolg srahlungslos. Dieser angerege Zusand ha eine deulich längere Lebensdauer (1-3 s), man nenn dies auch einen measabilen Zusand. Daher is der anschließende Übergang in den Grundzusand als Phosphoreszenz sichbar, dabei werden Phoonen mi gleicher Wellenlänge von nm ausgesrahl. Der measabile Zusand is auch der Grund, warum Rubin das erse Maerial war, in dem das Laserprinzip experimenell realisier werden konne.

2 Versuch O8 PHOSPHORESZENZ Seie 2 von Exponenieller Verlauf Für das Abklingen der Inensiä des Phosphoreszenzliches is nach der Theorie ein exponenieller Verlauf zu erwaren: (1) I ( + ) = I ( ) e Hier is der Anfangszeipunk (nich nowendigerweise =!), I ( + ) die Inensiä der Phosphoreszenzsrahlung am Zeipunk gerechne ab und die Relaxaionszei. e is die Eulersche Zahl, e ~ Um die Bedeuung der Relaxaionszei zu sehen, berachen wir die Inensiä am Zeipunk ( + ): (2) 1 I ( ) I ( + ) = I ( ) e = I ( ) e = e Die Relaxaionszei is also die Zeispanne, worin die Inensiä, gerechne ab dem (frei wählbaren) Zeipunk, um den Fakor e abnimm. Neben der Relaxaionszei wird of der Begriff Halbwerszei ½ benuz. Dies is die Zeispanne, worin die Inensiä, gerechne ab dem (wiederum frei wählbaren) Zeipunk, um den Fakor 2 abnimm. Merke: und ½ werden beide gemessen ab =. Dies bedeue: (3) Logarihmieren liefer: (4) Dies bedeue: ½ ( ) 1 ½ I I ( + ½) = I ( ) e e 2 2 ½ ½ 1 ln e = ln = ln(1) ln(2) = ln(2) 2 (5) = ln(2) Wenn man ½ kenn, kann man berechnen und umgekehr. Da beide Begriffe nebeneinander benuz werden, muss man mi beiden arbeien können. Die logarihmiere Form von Gl. (1) laue: + = = (6) ln ( I ( ) ) ln I ( ) e ln ( I ( )) Dies is eine lineare Funkion von mi y-achsenabschni ln ( ( )) I und Seigung 1.

3 Versuch O8 PHOSPHORESZENZ Seie 3 von 6 3. Aufgabensellung 1. Beobachen Sie das Phosphoreszenzlich von einem der Rubine mi bloßem Auge ohne Phoomuliplier 2. Sellen Sie die zeiliche Abklingkurve der Phosphoreszenz auf dem Oszilloskop für 2 verschiedene Rubine und eine Glassore als exponenielle Kurve und in einer linearisieren Form dar. 3. Besimmen Sie aus diesen unerschiedlichen Abklingkurven jeweils die Relaxaionszei und die Halbwerszei und vergleichen Sie diese mieinander. Diskuieren Sie mögliche Unerschiede bei den erhalenen Weren. 4. Diskuieren Sie die unerschiedlichen Relaxaionszeien der 3 Maerialien und deren physikalische Ursache. 4. Experimeneller Aufbau Die Wahl der Geräe, die für die Behandlung der Aufgabe geeigne sind, riche sich nach der Größenordnung von der Abklingzei der Lumineszenz. Bei den vorliegenden Subsanzen handel es sich um einen Zeispanne von einigen Millisekunden. In diesem Fall kann man ein Phosphoroskop nach Becquerel benuzen. Das is ein Gerä, bei dem in rascher periodischer Folge das Präpara kurzzeiig inensiv beliche und dann nach Unerbrechung der Belichung zur Beobachung seiner Phosphoreszenz-Srahlung freigegeben wird. Das Phosphoreszenzlich fäll auf einen Phoomuliplier. Das Abklingen des Phoosroms bzw. der Phosphoreszenz wird mi Hilfe eines Oszillographen verfolg Das Phosphoroskop nach Becquerel Der wesenliche Teil des Geräes beseh aus zwei Scheiben, die in einem Absand von 1 mm auf der Achse eines Elekromoors fes monier sind. Zwischen diese beiden roierenden Scheiben wird das Phosphoreszenz-Präpara gebrach. Die eine Scheibe räg zwei kurze sekorförmige Öffnungen. Durch diese wird das Präpara kurzzeiig inensiv beliche und dami angereg. Die andere Scheibe is mi zwei längeren Öffnungen ausgesae, durch die das Phosphoreszenzlich ausreen kann. Die Öffnungen sind gegeneinander versez, so dass immer enweder Besrahlung oder Beobachung erfolg, und zwar je zweimal bei jedem Umlauf der Scheiben. Als Präpara dienen u.a. 2 Rubine von unerschiedlich sarker Färbung. Es sind Al 2O 3-Krisalle, denen als Farbsoff Chrom-Ionen zugesez sind. Bei dem schwächer gefärben Exemplar beräg der Zusaz ewa.1 Gewichsprozen Cr 3+. Das klare Sück is eine mi Tb 3+ -Ionen verseze Spezialglas-Sore. Das zweie Präpara is ein Sück grünes Flaschenglas. Die Präparae sind in Holzplaen gefass und können von oben her in das Phosphoroskop eingesez werden. Die zur Befesigung vorgesehenen Muern sollen verhindern, dass ein Präparaehaler die drehende Scheibe berühr. Meisens verbleib der Haler auch ohne Schrauben in einer geräuscharmen Posiion. Bei der Beleuchung der Präparae muss dafür gesorg werden, dass durch ein Linsensysem (zwei Plankonvex-Linsen) ein reelles Bild der Glühwendel einer elekrischen Lampe auf dem Präpara enworfen wird. Das Bild soll nich wesenlich größer als das Präpara sein. Verschieben Sie die Linsenhalerung so, dass die Inensiä für das jeweilige Präpara maximal is Phoomuliplier Auf der Aussrahlungsseie des Phosphoroskops is ein Phoomuliplier angebau. Er läss sich in seiner Lichabdeckung um einige cm zur Seie verschieben. Dadurch wird die Lichausrisöffnung des Phosphoroskops direk sichbar (derzei nur bei der Apparaur an der

4 Versuch O8 PHOSPHORESZENZ Seie 4 von 6 Tür). Es is eindrucksvoll, das Phosphoreszenzlich vor den eigenlichen Messungen subjekiv zu berachen und zu beobachen, wie es ers bei einer hinreichenden Drehgeschwindigkei des Phosphoroskops aufglimm. Bei dem Phoomuliplier handel es sich um eine Hochvakuum-Phoozelle, die mi dem äußeren lichelekrischen Effek arbeie. Um den Phoosrom zu versärken, is unmielbar im Anschluss an der Zelle (im gleichen Glasrohr) ein 9-sufiger Sekundärelekronen- Vervielfacher eingebau, der insgesam eine ewa 1 6 -fache Vergrößerung des Phoosromes ergib. Im Englischen heiß ein solches Rohr "Phoomuliplier". Dieses Wor is auch in die deusche Fachsprache übergegangen. Der Phoomuliplier siz auf einem kleinen Messingbehäler, in dem eine Kee von 1 hinereinander geschaleen Widersänden zu je 1 5 Ohm unergebrach is. An diese Kee wird die Beriebsspannung von ewa 1 V geleg. Von den Enden dieser Kee und von allen Sellen zwischen den Widersänden führen Leiungen zur Anode und Kahode der Phoozelle und zu den einzelnen Vervielfachersufen (Dynoden). Außerdem is in dem Messinggehäuse noch ein Widersand von 1 kohm unergebrach, durch den der versärke Phoosrom fließ. Dadurch enseh an seinen Enden eine Spannungsdifferenz der Größenordnung 1 V. Sie wird dem Oszillographen zugeleie und dien dor zur Ausseuerung der verikalen Oszillographenachse. Als Leiung für das Signal wird aus Abschirmungsgründen ein Koaxialkabel verwende. Diese Vervielfäligungsmehode ha den Voreil, handlich, beriebssicher und relaiv billig zu sein, besiz aber den Nacheil, dass eine besonders sabile Beriebsspannung nöig is, da sich kleine Spannungsschwankungen an allen 9 Versärkersufen gleichsinnig und gleichzeiig bemerkbar machen und so mi 9-facher Inensiä auswirken. Deshalb is ein besonderes Nezanschlussgerä erforderlich, das eine von Nezspannungsschwankungen weigehend befreie Gleichspannung liefer. Der Phoomuliplier is ein äußers lichempfindliches Gerä. Es is daher mi seiner Zersörung durch Überlasung zu rechnen, wenn er in beriebsfähigem Zusand aus seiner lichschüzenden Umhüllung herausgenommen würde. Selbs wenn keine Spannung an ihm lieg, is es zu vermeiden, seine Phookahode hellem Lich auszusezen, weil dadurch eine nur langsam abklingende Erhöhung des Rauschniveaus hervorgerufen wird Oszilloskop Das Oszilloskop is ein Tekronix Speicheroszilloskop. Es ha einen eigenen Bildschirm, zusäzlich werden die Daen von dem Programm "Wavesar" am Rechner-Bildschirm dargesell. Nach Einschalen des Phosphoroskops (mi Präpara), des Rechners und des Oszilloskopen kann man das Programm von dem Deskop aus mi dem Icon "Phosphoreszenz" öffnen. Das Häkchen in dem Eröffnungsbildschirm des Programms bie enfernen, da sich das Programm sons mi hoher Wahrscheinlichkei aufhäng. Dami am Oszilloskop ein Bild wie in Abbildung 2 erschein, sind evenuell einige Einsellungen vorzunehmen. Diese erfolgen über Menüs, die nach Drücken der ensprechenden Tasen erscheinen. Drücken Sie als erse die Tase Trigger Menu.

5 Versuch O8 PHOSPHORESZENZ Seie 5 von 6 Die Phosphoroskope sind mi einer Gabel- Lichschranke an der Drehscheibe versehen, die als exerner Trigger benuz wird. Die Einsellungen im Trigger-Menü sollen von oben nach unen so aussehen (siehe Abbildung 2): Type: Flanke. Quelle: Ex. Flanke: Posiive. Modus: normal/auo, Kopplung: HF-rejec. Dami der Trigger auslös, muss der Trigger-Pegel innerhalb der Signalampliude des jeweiligen Triggersignals liegen. Da die Lichschranke einen 5 V-Puls erzeug, kann der Triggerpegel am Abbildung 2: Menü Trigger Drehknopf Trigger level/pegel auf seinen Maximalwer von 1.6 V gedreh werden. Wenn man den Knopf Trigview drück, kann man das Triggersignal sehen. Vor allem beim Flaschenglas räg ein exerner Trigger enscheidend zur Signalsabiliä bei. Im CH1-Menü (siehe Abbildung 3) soll Coupling/Kopplung: DC sowie Inverierung: Ein sein (weil das Ausgangssignal des Phoomulipliers negaiv is). Das Rubin-Signal is von der Grössenordnung 1 V, das von dem Glas mi Terbium 1 mv, das vom Flaschenglas 1 mv; die verikale Empfindlichkei is am Drehknopf "Vols/Div" ensprechend einzusellen (evenuell Vols/Div. von grob/course auf fein/fine umschalen). Die Auflösung der horizonalen Zeibasis läss sich mi dem Drehknopf Sec/Div ändern, sie solle Abbildung 3: Menü CH1 so eingesell werden, dass ein kompleer Phosphoreszenz-Vorgang sichbar is. Mi den Drehknöpfen für die horizonale bzw. die verikale Posiion kann man die Signalkurven, falls nowendig, verschieben. Bei einem Speicheroszilloskop wird zusäzlich über viele Durchgänge gemiel (bei unserem Gerä maximal 128, einzusellen im Menü "Acquire/Erfassung", siehe Abbildung 4), was die Signalqualiä weier verbesser. Wenn Sie kurzzeiig von Mielwer auf Normale Abasung wechseln, können Sie den Unerschied deulich sehen. Die endgüligen Messungen werden auf der Sellung Mielwer mi 128 Messkurven durchgeführ. Abbildung 4: Menü Erfassung

6 Versuch O8 PHOSPHORESZENZ Seie 6 von 6 5. Hinweise zur Auswerung Die Messkurven können Sie im Programm Wavesar uner dem Menüpunk "File - Expor daa shee - csv" uner dem Namen der jeweiligen Probe speichern. "csv" heiss "comma separaed values" und is ein ASCII-Daeienforma welches in einem Daenverarbeiungsprogramm imporier werden kann. Beim anschließenden Schließen des Wavesar- Programm die Frage "Änderungen abspeichern?" mi "Nein" beanworen. Die ASCII Daen können in einem Daenverarbeiungsprogramm imporier werden, dabei solle man beachen, dass die x-were in Sekunden abgeleg wurden. Die Daen können linearisier werden, indem man den naürlichen Logarihmus der Inensiäswere berechne und diesen als Funkion der Zei darsell, siehe Gl. (6). In so einer Darsellung sind Abweichungen vom idealen Verlauf viel leicher zu erkennen. Die Halbwerszei kann aus der graphischen Darsellung besimm werden, indem man sich z.b. 3 Werepaare heraus nimm, bei denen die Inensiä jeweils auf die Hälfe gesunken is. Die Halbwerszei kann aber auch aus der graphisch besimmen Relaxaionszei berechne werden. 6. Lieraur [1] W. Walcher, Prakikum der Physik, Teubner-Verlag (1989). [2] C. Gerhsen, Physik, Springer-Verlag (21). [3] J. Eichler, H. J. Eichler, Laser: Bauformen, Srahlführungen, Anwendungen, Springer-Verlag (21). 7. Fragen 1) Was verseh man uner Phosphoreszenz? 2) Welche Farbe ha die Phosphoreszenz von Rubin, wenn mi blauem Lich besrahl wird? 3) Welche Farbe ha die Phosphoreszenz von Rubin, wenn mi weißem Lich besrahl wird? 4) Erklären Sie kurz die Funkionsweise eines Phoomuliplier 5) Was verseh man uner der Relaxaionszei für eine Messgröße, die exponeniell mi der Zei abnimm? 6) Wie groß is die Halbwerszei einer Messgröße, die exponeniell mi der Zei abnimm, falls die Relaxaionszei 2 ms beräg?