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Phosphoreszenz

Phosphoreszenz

Unter Phosphoreszenz versteht man die durch die sogenannte strahlende Desaktivierung hervorgerufene besondere Eigenschaft eines Stoffes, der nach einem Beleuchten mit (sichtbarem oder UV-) Licht im Dunkeln nachleuchtet. Dieses Phänomen beobachteten Alchemisten schon im 17. Jahrhundert. Phosphoreszenz ist eine besondere Form der Lumineszenz (kaltes Leuchten). Sie unterscheidet sich vom ähnlichen Phänomen der Fluoreszenz darin, dass die Fluoreszenz nach dem Ende der Bestrahlung sofort endet, also kein Licht (im für den Menschen sichtbaren Spektrum) weiteremittiert wird, wogegen es bei der Phosphoreszenz zu einem Nachleuchten kommt, das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann. Phosphoreszenz wurde nach dem chemischen Element Phosphor (Lichtträger) benannt. Elementarer weißer Phosphor phosphoresziert nicht. Phosphoreszierende Materialien können jedoch auch aus Phosphor hergestellt werden. Dadurch, dass phosphoreszierende Materialien das Licht scheinbar speichern, werden sie auch „Leuchtstoffe“ genannt.

Erklärung

Phosphoreszenz ist ein Vorgang der Quantenphysik. Wird ein phosphoreszierender Stoff mit Lichtquanten (Photonen) beleuchtet, so geben diese Photonen ihre Energie an die Elektronen des Stoffes ab. Die Elektronen vollziehen nun einen Quantensprung in ein höheres Energieniveau. Das Molekül geht von einem Singulettzustand in einen höherenergetischen Singulettzustand über. Dies wird anschaulich, wenn man es in einem sogenannten Jablonski-Diagramm darstellt. In diesem werden die einzelnen Energie- und Schwingungsniveaus dargestellt, die die Elektronen annehmen, wenn sie Energie aufnehmen bzw. abgeben. Jablonski-Diagramm Gewöhnlich kann das Elektron, welches bestrebt ist, in seinen unangeregten Zustand zurückzukehren, seine hinzugewonnene Energie abgeben; dies geschieht, indem das angeregte Molekül mit anderen Teilchen kollidiert und so Teile seiner Energie auf andere Teilchen überträgt. Auf dem Jablonski-Diagramm ist dies durch das Absinken des Elektrons in niedere Schwingungsniveaus eingezeichnet. Die Energie wird normalerweise als Wärme abgegeben, man bezeichnet diesen Vorgang als Schwingungsrelaxation. Können die Teilchen ihre gewonnene Energie nicht vollständig an ihre Umgebung abgeben, kommt es dazu, dass die Elektronen ihre überschüssige Energie in Form eines Photons abgeben, also als Strahlung (Licht im weiteren Sinne). Bei der Phosphoreszenz läuft dieser Vorgang aber nicht ganz so ab, da die Lichtemission sonst wie bei der Fluoreszenz mit der Bestrahlung enden würde. Es kommt nämlich nach einer üblichen Verweildauer von etwa 10^-8 Sekunden zu einem weiteren Quantensprung der Elektronen in ein metastabiles Energieniveau. Es ändert sich hierbei der Spin der Elektronen, wodurch das Molekül von einem Singulett- in einen Triplettzustand wechselt, man nennt diesen Vorgang Systemübergang (englisch: intersystem crossing). Die Verweildauer in diesem Zustand ist um einiges länger, sie beträgt 10^-3 Sekunden bis hin zu Stunden. In diesem Triplettzustand kommt es ebenso zu der Schwingungrelaxation, jedoch ist das Molekül in diesem angeregten Zustand „gefangen“, da eine Abgabe der Energie an die Umgebung nicht möglich ist. Der Triplettzustand kann im Grunde genommen nicht in einen Singulettzustand überführt werden, da eine Spinumkehr nicht möglich ist. Doch hier kommt es zu einer Ausnahme, nämlich dem Systemübergangsmechanismus, wie bereits beim Überführen des Singulett- in den Triplettzustand - durch ihn kann eine eine schwache Strahlung emittiert wird. Die Energie wird nur allmählich abgegeben, was das typische Nachleuchten erzeugt. Die Phosphoreszenz ist temperaturabhängig, da sowohl der Energieverlust durch Schwingungsrelaxation verstärkt wird als auch der Systemübergang beschleunigt wird, wenn man dem System Wärmeenergie zuführt (siehe RGT-Regel). http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss/phosphoreszenz.htm

Phosphoreszierende Materialien

Phosphoreszierende Materialien sind meist Kristalle mit einer geringen Beimischung eines Fremdstoffes, der die Gitterstruktur des Kristalls stört. Meistens verwendet man Sulfide von Metallen der zweiten Gruppe sowie Zink und mischt geringe Mengen von Schwermetallsalzen bei (z. B. Zinksulfid mit Spuren von Schwermetallsalzen)

Anwendungen

In der Philatelie

Bei der Herstellung von Briefmarken werden dem Papierbrei seit einigen Jahrzehnten phosphoreszierende Stoffe beigemengt. Manchmal wird das Material auch erst nachträglich aufgeschichtet. Dadurch leuchten die einzelnen Briefmarken, wenn man sie mit UV-Licht bestrahlt werden (im Dunklen) nach. Dies ist besonders wichtig für die automatischen Poststempelmaschinen. Dadurch kann die Maschine leicht erkennen wo die zu entwertenden Briefmarken auf dem Brief kleben und kann so die Poststempel auf die richtige Stelle abschlagen. Unfrankierte Briefe oder Postkarten können mit dieser Methode ebenfalls leicht ausgesondert werden. Aus ähnlichen Gründen werden dem Briefmarkenpapier auch manchesmal fluoreszierende Materialien beigemischt.

Sonstige

Phosphoreszierende Materialien werden weiters für Leuchtzeiger bei Uhren oder bei manchen Stickern verwendet. Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Optischer Effekt Kategorie:Philatelie __NOTOC__ ja:燐光

Licht

Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich von etwa 380-780 Nanometer (nm) Wellenlänge. Die unterschiedliche Empfindlichkeit von Pigment-Molekülen (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in verschiedenen Sehzapfenarten und Stäbchen des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen (V(λ)-Kurve) ist Thema der Fotometrie. Während die Sehzapfen für Farbsehen verantwortlich sind, registrieren die Sehstäbchen in der Netzhaut mit den Retinal-Molekülen unter Rhodopsin-Abspaltung bei Photonen-Einfang die Lichtstärke. Wenn Elektronen vom einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau springen, werden Photonen emittiert, diese können vom Menschen als Licht wahrgenommen werden (Lumineszenz). Meist wird die Energie beim Rückfallen auf das niedrigere Niveau allerdings als Bewegungsenergie oder thermische Energie (Infrarotstrahlung) abgegeben. Bei den Autotrophen Organismen wird der freiwerdende Energiebetrag in chemischen Verbindungen gebunden (siehe Fotosynthese). Die Farbwirkung des physiologischen Sehens entsteht durch die Absorption einzelner Wellenlängen durch einen organischen oder anorganischen Farbstoff, oder durch die Beugung des weißen Lichtes an einem Kristallgitter. Werden bestimmte Wellenlängen absorbiert, entsteht aus den verblieben Wellenlängen der Farbeindruck (Komplementärfarbe). Ein grünes Blatt absorbiert demnach nicht im Wellenlängenbereich "grün" sondern im komplementären bereich "rot" (680 nm) und "blau" (430 nm). Siehe hierzu Chlorophyll. Bei organischen Farbstoffen können die delokalsierten Pi-Elektronensysteme durch Frequenzen im sichtbaren Bereich auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dadurch werden je nach Molekül bestimmte Wellenlängen absorbiert. Bei anorganischen Farbstoffen werden Elektronen aus den d-Orbitalen in energetisch höher gelegene d-Orbitale angeregt (Ligandenfeldtheorie) oder sie wechseln ihre Position zwischen Zentralion und Ligand innerhalb eines Komplexes (Charge-Transfer-Komplexe). Siehe hierzu: Komplexchemie. Das in der Umwelt vorkommende Licht ist eine Mischung unterschiedlicher Wellenlängen. Durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma kann man dieses polychromatische Licht in monochromatisches Licht (Licht einer Wellenlänge) zerlegen. Jeder dieser monochromatischen Lichtkomponenten entspricht ein spezifischer menschlicher Farbeindruck, die so genannten Spektralfarben oder Regenbogenfarben. In der Reihenfolge zunehmender Wellenlänge findet man: Wellenlänge Die Übergänge zwischen Farben sind fließend, der persönliche Farbeindruck einzeln benennbarer abzählbarer Farben ist subjektiv und durch Sprache, Tradition sowie Denken bedingt. Die in verschiedenen Sprachen (ursprünglich) vorkommenden Wörter für Farben belegen diese Subjektivität. Die einzelnen Farbbereiche enthalten jeweils verschiedene Farbtöne. So ist der Zwischenbereich zwischen Blau und Grün etwa mit Türkis oder Cyan zu bezeichnen. Andere wahrgenommene Farben (beispielsweise Braun) ergeben sich bei Licht, in dem mehrere Wellenlängen vorkommen (additive Farbmischung) oder durch subtraktive Farbmischung aus gefiltertem weißem Licht. Elektromagnetische Strahlung jenseits der menschlichen Grenze der Sichtbarkeit mit höherer Frequenz bzw. niedrigerer Wellenlänge als violett wird bis zu einer bestimmten Frequenz als Ultraviolett- oder UV-Strahlung bezeichnet; solche mit niedrigerer Frequenz bzw. höherer Wellenlänge als rot bis zu einer bestimmten Wellenlänge als Infrarotstrahlung. Die Bandbreite des sichtbaren Lichts bei Tieren weicht zum Teil erheblich vom menschlichen Sehen ab. Neben der Wellenlänge beziehungsweise Farbe ist Licht noch durch die Kohärenz, Interferenz und die Polarisation und weitere messbare Parameter charakterisiert. Eine der Hauptquellen des Lichtes ist die Sonne. Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden, Laser und chemisches Licht. Begrenzt lichtdurchlässige (nicht transparente) Gegenstände werden auch als "opaque" oder "opak" bezeichnet. Der Grad der Lichtdurchlässigkeit wird dann als Grad der "Opazität" bezeichnet. Licht wird im erklärenden Modell als Welle beschrieben oder alternativ als Strom von Teilchencharakter. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes entzieht sich einer geschlossenen Interpretation, ist aber im Rahmen der Quantenphysik mathematisch präzise beschreibbar. Lichtteilchen werden als Photonen bezeichnet. Sie besitzen keine Ruhemasse und bewegen sich im Vakuum stets mit Lichtgeschwindigkeit.

Licht in der Gesellschaft

Licht ist, wie Feuer, eines der bedeutendsten Phänomene primitiver Kulturen. Künstlich erzeugtes Licht aus Lampen wird allgemein eingesetzt. Es ermöglicht dem Menschen ein angenehmes und sicheres Leben auch bei terrestrischer Dunkelheit (Nacht) und in gedeckten Räumen (Höhlen, Gebäude). Technisch wird die Funktionsgruppe, die Licht erzeugt, als Lampe bezeichnet. Der Halter für die Lampe bildet mit dieser eine Leuchte. Dieses Wort wird auch als Bezeichnung für intelligente Menschen verwendet und lässt die Bedeutung von Intelligenz für die Sozialisation von Individuen in der Gruppe erkennen. Ein Mangel an Intelligenz wird mit geistiger Dunkelheit gleichgesetzt.

Licht unter freiem Himmel

Licht unter freiem Himmel hat bei Dunkelheit eine Hilfsfunktion für die terrestrische Navigation (Fußgänger, Autofahrer), als optisches Signal oder für Schmuck- und Werbezwecke. Es zählt als ein Umweltfaktor zu den Immissionen i.S. des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) (Deutschland). Lichtimmissionen von Beleuchtungsanlagen können das Wohn- und Schlafbedürfnis von Menschen und Tieren erheblich stören und auch technische Prozesse behindern. Entsprechend sind in der sog. "Licht-Richtlinie" der Länder (Deutschland) Maßstäbe zur Beurteilung der (Raum-)Aufhellung und der (psychologischen) Blendung fest gelegt. Besonders störend kann intensiv farbiges oder blinkendes Licht wirken. Zuständig sind bei Beschwerden die Umwelt- bzw. Immissionsschutzbehörden der Länder (Deutschland). Negative Auswirkungen betreffen die Verkehrssicherheit (Navigation bei Nacht, physiologische Blendung z. B. durch falsch eingestellte Autoscheinwerfer oder durch Flächenbeleuchtungen neben Straßen). Einflüsse auf die Tierwelt (z. B. Anziehen nachtaktiver Insekten, Störung des Vogelflugs bei Zugvögeln) und die allgemeine Aufhellung der Atmosphäre (Lichtverschmutzung, z. B. unmögliche astronomische Beobachtung infolge Streuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels).

Nachweis

Licht kann am einfachsten mit dem Auge nachgewiesen werden, oder mit verschiedenen Instrumenten durch optische Detektoren, wie fotografischem Film oder mit speziellen Strahlungsdetektoren oder Sensoren oder mittelbar durch chemische oder biologische Prozesse wie die Photosynthese oder die Photolyse oder durch physikalische Vorgännge, wie Fluoreszenz oder Photo-Lumineszenz. Sensoren enthalten meist Halbleiterdetektoren, welche Licht in elektrische Spannung umwandeln. Komplexe Sensoren (line arrays / Zeilensensoren und matrix arrays / Flächensensoren), die auch in Scannern und Digitalkameras als Aufnahmeelement dienen.

Größen und Einheiten

- Lichtgeschwindigkeit
- Lichtstrom (Lumen)
- Lichtmenge (Lumensekunde)
- Lichtstärke (Candela)
- Leuchtdichte (Candela/m²)
- Beleuchtungsstärke (Lux)
- Lichtdruck (Optik) (Newtonsekunde)
- Lichtfarbe (Kelvin)
- Lichtjahr (Lj/ly)

Siehe auch

- Reflexion (Physik), Brechung (Physik), Absorption (Physik), Polarisation, Welle (Physik), Elektromagnetische Welle
- eine Lichtquelle (offenes Licht; grünes Licht geben, die Hintergrundbeleuchtung flackerte)
- Polychromatisches Licht
- Diffuses Licht
- Natürliches Licht
- Polarisiertes Licht
- Licht am Tag
- Marfa-Lichter, ungewöhnliche Lichterscheinungen
- Nordlicht
- Erstes Licht, Astronomie
- Tscherenkow-Licht
- Tageslicht
- Glanzlicht
- Lichtfarbe
- Lichtsignal
- Fördergemeinschaft Gutes Licht
- Mehr Licht

Literatur

- Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt.", Annalen der Physik, 1905, Seiten 132-148 (Mit diesem Beitrag begründete Einstein den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts)
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),
- Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? Von der klassischen Optik zu Quantenoptik, Verlag C.H.Beck, München, 1999, ISBN 3-406-44722-8
- Sidney Perkowitz: Eine kurze Geschichte des Lichts. Die Erforschung eines Mysteriums, Deutscher Taschenbuch Verlag, aus dem Amerikanischen übersetzt von Hainer Kober, München, 1998, ISBN 3-423-33020-1, amerik. Originalausgabe New York, 1996, ISBN 0-8050-3211-8
Weblinks
Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri):
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040204.rm Was war der Äther?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=020317.rm Wird Licht müde?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021208.rm Was ist Licht?]
- [http://www.kisc.meiji.ac.jp/~mmandel/recherche/licht.html Nachweise zum Thema Licht]
- [http://www.infoline-licht.de/ Infoline-Lichtplanung] - Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc. Kategorie:Optik Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Wellenlehre ja:光 ko:빛 ms:Cahaya simple:Light th:แสง

Alchemie

Die Alchemie (auch Alchimie) ist ein alter Zweig der Naturphilosophie und wurde im 17./18. Jahrhundert sukzessive von der modernen Chemie und Pharmakologie abgeloest. Die Kunst der Alchemie wurde von Alchemisten (auch Alchimisten) praktiziert. In heutiger Zeit bezeichnen sich manche Vertreter von Pseudowissenschaften ebenfalls als Alchemisten. Zur Möglichkeit der künstlichen Herstellung von Gold (siehe Goldsynthese) und von anderen Edelmetallen (siehe Edelmetallsynthese).

Herkunft

Es wird angenommen, dass sich das Wort Alchemie vom arabischen „al-kymiya“ bzw. vom griechischen "χυμεία" (chymeia) herleitet. Ersteres entspricht dem Namen mit dem die alten Ägypter selbst ihr Land bezeichneten, d. h. Alchemie wird hier als „Kunst der Ägypter“ verstanden, im Sinne des Letzteren als „Lehre des Gießens“. Anhand der Etymologie werden bereits ihre Ursprünge im alten Ägypten und im (hellenistischen) Griechenland deutlich.

Aufgabengebiet und Errungenschaften

Die Alchemie war teilweise von der Idee der künstlichen Herstellung von Gold getrieben, auf der Suche nach dem Stein der Weisen oder dem Universallösungsmittel Alkahest. Dabei arbeitete sie hauptsächlich mit der Methode Versuch und Irrtum (Trial and Error), die auch heute noch eine wichtige Methode zur Erkenntnisgewinnung ist. Die Alchemisten waren der Meinung, chemische Elemente könnten ineinander umgewandelt (transmutiert) werden. Alchemisten befassten sich, im Gegensatz zu gelegentlichen Falschangaben, nicht mit der Herstellung lebender Kunstwesen (Homunculus, Basilisk). Anklänge an diese okkulten Experimente finden sich beispielsweise noch in Goethes Faust I und Faust II und in Meyrinks Golem. Wir verdanken der Alchemie unter anderem die (Wieder-)Erfindung des Porzellans und Schwarzpulvers in Europa. Berühmte Alchemisten waren z. B. Vincentius Cascariolo aus Bologna, der 1604 erstmals einen Phosphoreszenz-Farbstoff herstellte, den so genannten „Bologneser Leuchtstein” oder „Lapis Solaris”. Diese Entdeckung beförderte Diskussionen über die Natur des Lichtes und führte bereits 1652 zu ersten spektroskopischen Untersuchungen. Der Hamburger Heinrich Hennig Brand war ein weiterer wichtiger Alchemist. Er entdeckte 1669 die Chemilumineszenz des weißen Phosphors („Phosphorus mirabilis“) und damit die erste Chemilumineszenzreaktion überhaupt. Diese Chemilumineszenzreaktion fand als Mitscherlich-Probe Eingang in die forensische Chemie und ist auch heute noch ein beeindruckendes Experiment.

Arbeitsmittel

Wichtige Grundlage und sozusagen die Bibel der Alchemisten war die Tabula Smaragdina. Sie ist eine dem Hermes Trismegistos zugeschriebene, ursprünglich wohl griechische, später in lateinischer Fassung verbreitete Sammlung von wenigen, schwer verständlichen und auslegungsbedürftigen Sätzen, in denen die gesamte Weltweisheit enthalten sein sollte. Ein spezieller Ofentyp der Alchemisten wird Athanor genannt. Manche Gefäße der Alchemisten werden nach Tieren benannt, so z. B. Igel oder Gans oder das Menschliche Paar.

Philosophische Bedeutung

Allerdings handelt es sich bei der Alchemie nicht nur um eine praktische Disziplin im Sinne einer Proto-Chemie. Sie hat vielmehr auch eine philosophische Dimension: die verschiedenen alchemischen Vorgänge – wie beispielsweise die Umwandlung eines bestimmten Metalls in ein anderes – stehen hier für die Entwicklung des Menschen, d. h. für inner-psychische Prozesse. Diesen psychologischen Aspekt der Alchemie betonte vor allem der schweizer Psychiater und Psychoanalytiker Carl Gustav Jung, der sich eingehend mit ihr beschäftigte und versuchte, sie für seine Analytische Psychologie fruchtbar zu machen.

Bedeutende Alchemisten

Alchemisten des alten Ägypten, sowie der Griechischen und Römischen Antike

- Hermes Trismegistos (legendär)
- Ostanes (vor 500 v. Chr.)
- Xamolxides (ca. 550 v. Chr)
- Empedokles (ca. 490–430 v. Chr)
- Demokrit (ca. 470–380 v. Chr)
- Maria die Alchemistin (ca. 470 v. Chr.)
- Zosimus aus Panopolis (ca. 250 bis ca. 310 n. Chr.)

Chinesische Alchemisten

In China haben sich innerhalb daoistischer Strömungen solche der Inneren Wandlung Neidan und solche der äußeren Wandlung Waidan herausgebildet, die in ihren Anfängen allerdings noch nicht geschieden waren. Das mit dem Prinzip des Dao verknüpfte Streben nach Unsterblichkeit – allerdings eigentlich im Sinne der Vollendung und Einswerdung im Dao – wurde ganzheitlich auf Körper und Geist bezogen, sodass es auch einige Alchemisten innerhalb der chinesischen Geschichte gab, die versuchten Metalle zu veredeln, dabei nebenbei das Schießpulver entdeckten und nach einem Elixier [dan] suchten, das irdische Unsterblichkeit ermögliche. Dies war aber als Ergänzung zu den inneren Arbeiten Qigong, Meditation, Fasten etc. gedacht. Die ersten Spezialisten in den Künsten der Unsterblichkeit waren die Fangshi, die als einsiedlerische Weise in den Bergen lebten, schamanistische Praktiken anboten, von Kaisern und Adeligen besucht und gelegentlich unterstützt wurden. Aus dieser Tradition kommt Wei Boyang, Autor des ältesten chinesischen alchemistischen Traktats Thouyi cantong qi („Über das Vereinigen der Entsprechungen“), der gemäß der Legende während des 2. Jh. n. Chr. gelebt haben soll. Ihm wird folgender Mythos nachgesagt: Nachdem der Hund an einem Experiment das rechte Elixier betreffend tot umfiel, sprach der Meister: „Ich habe den Weg der Welt, meine Familie und Freunde aufgegeben, um in den Bergen zu leben. Es wäre schamvoll, zurückzugehen, ohne das Dao der heiligen Unsterblichen gefunden zu haben. Durch dieses Elixier zu sterben kann nicht schlechter sein, als ohne es zu leben. So muss ich es dann zu mir nehmen.“ Auch er schluckte das Elixier und fiel auf der Stelle tot um. Nachdem die enttäuschten Schüler gegangen waren, erwachten Hund und Meister und schwebten zum Himmel empor, um Unsterbliche zu werden. Ein anderer war Ge Hong (284–364 n. Chr.). Sein Hauptwerk heißt Baopuzi („Er, der den unbehauenen Klotz umarmt“ oder „Der Meister, der die Schlichtheit umfaßt“). Die Shangqing-Schule nahm später einige seiner Techniken auf. Lü Dongbin, einer der Acht Unsterblichen, soll einer der ersten gewesen sein, der sich ausschließlich der Inneren Alchemie zuwandte. Sein Schüler war Liu Haichan; von diesem soll Zhang Boduan (987–1082 n. Chr.) sein Wissen erhalten haben. Er schrieb das Wuzhen pian („Über das Begreifen der Wirklichkeit“), welches die Ausdrucksweise der äußeren Alchemie auf die inneren Wandlungen überträgt. Ziel sei die Erschaffung des shengtai („geistiger Embryo“ der Unsterblichkeit). Es begründeten sich nach seinem Tod viele Schulen des Neidan. Seine Schüler begründeten etwa den südlichen Zweig der „Schule der Vollkommenen Wirklichkeit“ (wörtlich: Der Weg der Verwirklichung der Wahrheit").

Alchemisten des Islamischen Kulturkreises

- Kalid ben Jazichi (7.–8. Jh.)
- Kalid ben Jesid (geboren 702?)
- Geber (ca. 721–815), Vater der Chemie
- Rhazes (ca. 860–ca. 930)
- Avicenna (980–1037)
- Kalid Rachaibibi (ca. 11. Jh.)
- Muhyi-d-Din Ibn Arabi (1165–1240)
- Abdul-Qasim al Iraqi (13. Jh.)

Abendländische Alchemisten

Abdul-Qasim al Iraqi
- Artephius (12. Jahrhundert)
- Nikolaus Flamel (1330 bis ca. 1413)
- Bernhardus Trevisanus (1406–1490)
- Berthold der Schwarze (lebte im 14. Jahrhundert)
- Basilius Valentinus (Lebensdaten unbekannt)
- Paracelsus (1493–1541)
- Johann Georg Faust (ca. 1480–1540)
- Johann Hartmann (1568–1631)
- Johann Friedrich Böttger (1682–1719)
- Isaac Newton (1642–1727)
- Giacomo Girolamo Casanova (1725–1798)
- Alessandro Cagliostro (1743–1795)
- Fulcanelli (1887–1932)
- Albert Riedel (1911–1984)
- Alexander von Bernus (1880–1965)

Literatur

Quellen

- Johann Agricola: Chymische Medicin: ein Kompendium der Bereitung und Anwendung alchemistischer Heilmittel (Originaltitel: Commentariorum, notarum, observationum & animadversionum in Johannis Poppii Chymische Medicin), Nach der Erstausgabe Leipzig, Schürer und Götze, 1638/39 herausgegeben, eingeleitet und mit einer biographischen Skizze versehen von Oliver Humberg, Elberfeld 2000 ISBN 3-9802788-5-9

Ältere Ausgaben in Neuauflage

- Alexander von Bernus: Alchymie und Heilkunst 5. Auflage Dornach 1994 ISBN 3-7235-0757-3 (1. Auflage von 1936)
- Gottlieb Latz: Die Alchemie, das ist die Lehre von den grossen Geheim-Mitteln der Alchemisten und den Speculationen, welche man an sie Knüpfte: Ein Buch, welches zunaechst für Aerzte geschrieben [ist, zugleich aber auch jedem gebildeten Denker geboten wird]. 1. Auflage Bonn 1869, 2. Auflage Köln 2003 (Nachdruck) ISBN 3-89836-342-2
- Dr. Musallam: Alchimie: Der Stein der Weisen

Moderne Forschungsliteratur

- Julius Evola: Die hermetische Tradition. ISBN 3-7787-7042-X
- Helmut Gebelein: Alchemie. 2. Auflage München 1996, ISBN 3-424-01062-6
- Helmut Gebelein: Alchemie. (Diederichs kompakt), Kreuzlingen, München 2004, ISBN 3-7205-2501-5
- Bernhard Dietrich Haage: Alchemie im Mittelalter: Ideen und Bilder – von Zosimos bis Paracelsus. Düsseldorf, Zürich 2000, ISBN 3-7608-1222-8
- Daniel Hornfisher: Löwe und Phönix. ISBN 3-591-08432-8
- Johannes Helmond: Die entschleierte Alchemie. ISBN 3-87683-044-3
- C.G. Jung: Psychologie und Alchemie. Gesammelte Werke, Bd. 12, ISBN 3-530-40712-7
- C.G. Jung: Mysterium Coniunctionis. Gesammelte Werke, Bd. 14, 3 Bde, ISBN 3-530-40714-3 (Bd. 3 von Marie-Louise von Franz, ISBN 3-530-40799-2)
- C.G. Jung: Studien über alchemistische Vorstellungen. Gesammelte Werke, Bd. 13, ISBN 3-530-40713-5
- Claus Priesner, Karin Figala (Hrsg.): Alchemie: Lexikon einer hermetischen Wissenschaft. München 1998, ISBN 3-406-44106-8
- Gabriele Quinque: Splendor Solis – Das Purpurbad Seele, 22 Pforten der initiatischen Alchemie. Esoterische Interpretation einer alten Bilderhandschrift, ISBN 3-935937-26-1
- Alexander Roob: Das hermetische Museum. Alchemie & Mystik. Köln 1996, ISBN 3-8228-8803-6
- Ulli Seegers: Alchemie des Sehens. Hermetische Kunst im 20. Jahrhundert. Antonin Artaud, Yves Klein, Sigmar Polke. Köln: König 2003 (Kunstwissenschaftliche Bibliothek; Bd. 21), ISBN 3-88375-701-2

Trivia

Das berühmte Buch Der Alchimist von Paulo Coelho befasst sich nur am Rande mit Alchemie, es geht viel mehr um Selbstfindung.

Weblinks

- [http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss/mitscherlich Mitscherlich-Probe bei uni-jena.de]
- http://www.alchemywebsite.com/
- http://www.fk-alchemie.de/ ! Kategorie:Überholte Theorie ja:錬金術

Lumineszenz

Lumineszenz ist die optische Strahlung eines physikalischen Systems, die beim Übergang von einem angeregten Zustand zum Grundzustand entsteht. (Strahlende Desaktivierung) Je nach Art der Anregung unterscheidet man verschiedene Arten der Lumineszenz:
- Elektrolumineszenz: Die Anregung des Systems durch elektrischen Strom (Beispiel: Leuchtdioden oder EL Folien).
- Kathodolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Beschuss mit Elektronen (Beispiel: Fernsehbildschirm).
- Photolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Photonen. Dabei unterscheidet man je nach Zeitdauer zwischen Anregung und Emission des Lichtes zwischen Phosphoreszenz und Fluoreszenz.
- Chemilumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch eine chemische Reaktion (Beispiel: Luminol zum Nachweis von Blut).
- Biolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch eine chemische Reaktion in lebenden Organismen (Beispiel: Oxidation von Luciferin im Leuchtkäfer).
- Tribolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Reibung oder Auseinanderreißen; z.B. bei Zuckerkristallen oder beim Öffnen von selbst klebenden Briefumschlägen.
- Thermolumineszenz: Die Anregung des Systems erfolgt durch Wärmezufuhr.
- Sonolumineszenz, die Anregung des Systems erfolgt durch Schallwellen (in Flüssigkeiten). Lumineszenz tritt immer zusätzlich zur thermischen Schwarzkörperstrahlung auf, die jeder Körper der Temperatur

T > 0\ \mathrm

emittiert. Die verschiedenen Arten der Lumineszenz können auch nach der Dauer des Leuchtens nach der Erregung eingeteilt werden. Ein Nachleuchten als unmittelbare Folge und Begleiterscheinung der Anregung bezeichnet man mit dem Begriff der Fluoreszenz, wohingegen Phosphoreszenz ein Nachleuchten von wenigstens 1/1000 Sekunde nach der Anregung beschreibt. Die Erklärung für beide Vorgänge liefert das Bändermodell: Durch die Anregung des Stoffes gelangen die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband. Im Falle der Fluoreszenz rekombinieren diese Leitungselektronen unter Emission von elektromagnetischer Strahlung direkt wieder mit einer Elektronenleerstelle im Valenzband. Die Lichtintensität ist dabei direkt von der aktuellen Anregungsenergie abhängig. Bei der Phosphoreszenz hingegen werden, durch in das Material eingebrachte Störstellen, metastabile Zwischenniveaus in der verbotenen Zone erzeugt, die so genannten Haft- bzw. Aktivatorterme. Im Grundzustand sind die Aktivatorterme mit Elektronen besetzt, die Haftstellen bleiben leer. Nachdem die Elektronen durch die Anregung vom Valenzband in das Leitungsband gehoben wurden, werden die entstandenen Defektelektronen mit Elektronen aus den Aktivatortermen aufgefüllt. Die freien Elektronen sind bestrebt mit den Defektelektronen aus dem Aktivatorterm zu rekombinieren. Dabei werden sie von den Haftstellen eingefangen. Es ist auch möglich, dass die Elektronen vom Valenzband direkt in die Haftstelle gehoben werden (direkte Anregung). Durch erneute Energieeinwirkung können diese Elektronen wieder in das Leitungsband gehoben werden und von dort aus unter Emission von Licht der Energie

\Delta E

mit Defektelektronen aus dem Aktivatorterm rekombinieren. Die Untersuchung der Lumineszenz beispielsweise bei Kristallen wird mittels des Phosphoroskops nach Becquerel durchgeführt.

Weblinks

- [http://www.wundersamessammelsurium.de/Optisches/Lumi/ Lumineszenzen] Kategorie:Optischer Effekt Kategorie:Mineralogie Kategorie:Spektroskopie ja:ルミネセンス

Fluoreszenz

Fluoreszenz ist der Übergang eines elektronisch angeregten Systems in einen Zustand niedrigerer Energie durch spontane Emission von Licht. Im Gegensatz zur Phosphoreszenz sind Fluoreszenzübergänge spinerlaubt, d. h. sie gehorchen der Auswahlregel

\Delta S = 0

, erfolgen also zwischen Zuständen gleichen Spins. Typische Fluorophore, also physikalische Systeme, bei denen Fluoreszenz auftritt, sind Atome, Moleküle, Ionen und Halbleiternanopartikel. Fluoreszenz wird meist optisch angeregt, also indem der Fluorophor mit einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet wird (Photolumineszenz). Der Fluorophor wird dann durch Absorption eines Photons elektronisch angeregt und emittiert die Anregungsenergie zeitversetzt in Form eines anderen Photons. Energieerhaltung bewirkt, dass das emittierte Photon die gleiche oder eine niedrigere Energie haben muss als das absorbierte Photon. Daraus ergibt sich unmittelbar die Stokessche Regel, dass das Fluoreszenzlicht eine Wellenlänge haben muss, die mindestens ebenso groß ist wie die des Anregungslichtes. Bei exakt gleichen Wellenlängen spricht man von Resonanzfluoreszenz, sind die Wellenlängen nicht gleich, so bezeichnet man ihre Differenz als Stokesverschiebung. Die mittlere Zeit, die ein Fluorophor im angeregten Zustand verbleibt, ist seine Lebensdauer. Fluoreszenzlebensdauern liegen im Bereich um eine Nanosekunde und sind damit deutlich kürzer als die Lebensdauern von Zuständen, die nur durch spinverbotene Übergänge, also durch Phosphoreszenz, zerfallen können. Oftmals gibt es neben dem strahlenden Kanal (Fluoreszenz) auch weitere nichtstrahlende Zerfallskanäle, das heißt das Fluorophor kann auch ohne Emission eines Photons in den Grundzustand zurückkehren. Die Wahrscheinlichkeit, mit der die Anregung eines Fluorophors tatsächlich zur Emission eines Fluoreszenzphotons führt, nennt man seine Quantenausbeute. Der Name "Fluoreszenz" ist von dem fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF₂) abgeleitet.

Anwendungsgebiete

Es gibt viele natürliche und synthetische Verbindungen, die Fluoreszenz zeigen, und sie haben eine Reihe von Anwendungen:

Aufhellung

Durch die Absorption (unsichtbaren) ultravioletten Lichts und die Aussendung sichtbaren Lichts lässt sich eine Aufhellung erzielen:
- Optische Aufheller
- Signalfarbe

Beleuchtung

Signalfarbe In Leuchtstoffröhren wird ultraviolettes Licht, das durch Gasentladung in der mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre erzeugt wird, in sichtbares Licht umgewandelt. In weißen Leuchtdioden (LED) wandelt ein Fluoreszenzfarbstoff das blaue Licht, das ein Halbleiterkristall erzeugt, in weißes Licht um. Technische Fluoreszenzfarbstoffe bestehen aus Stoffen wie Zinksulfid und Oxiden von Elementen der seltenen Erden. Werden Leuchtstoffe mit solchen Elementen aktiviert, lassen sich verschiedene Farben erzeugen. So färbt z. B. Europium das Licht rot und Gadolinium färbt es grün. Durch geeignete Komposition (Mischung) der Leuchtstoffe lässt sich ein großes Spektrum an nutzbaren Lichtwellenlängen und Farbtemperaturen realisieren, wodurch das Leuchtmittel auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. In Leuchtstoffröhren wird z. B. das Spektrum des Sonnenlichtes (kaltweiß) oder das einer Glühlampe (warmweiß) nachgebildet. Es werden auch monochromatische Farben (rot, grün, blau, ...) und Mischfarben (violett, pink, ...) realisiert.

Biochemie und Medizin

An große Biomoleküle kann durch eine chemische Reaktion eine fluoreszierende chemische Gruppe angehängt werden, die dann als sehr sensitiver Marker für dieses Molekül dient. Beispiele:
- Bei der automatischen Sequenzierung der DNA mit der Sanger-Methode hat jede der vier terminierenden Basen eines DNA-Stückes ihren spezifischen fluoreszierenden Marker. Wenn die markierten DNA-Moleküle getrennt werden, werden die Marker durch UV-Licht angeregt, und die Identität der Marker wird anhand der Wellenlänge des emittierten Lichtes festgestellt.
- Die Verbindung Ethidiumbromid zeigt kaum Fluoreszenz, wenn sie in einer Lösung ihre Konformation frei ändern kann. Durch Bindung an DNA wird die Fluoreszenz jedoch stark erhöht, was sie nützlich bei der Lokalisierung von DNA-Fragmenten macht, z. B. bei der Agarose-Gelelektrophorese.
- Auf dem DNA-Chip wird Fluoreszenz verwendet.
- In der Immunologie werden Antikörper mit einer fluoreszierenden chemischen Gruppe versehen, so dass die Orte (z. B. eines mikroskopischen Objektes), an die die Antikörper binden, anhand der Fluoreszenz erkennbar sind. Die Antigen-Konzentration kann damit sogar quantitativ bestimmt werden.
- Fluoreszierende Proteine wie das GFP (Green fluorescent protein) dienen als Marker für verschiedenste biologische Vorgänge innerhalb der Zellen wie zum Beispiel die Genexpression.
- Die Aktivierung eines fluoreszierenden Akzeptors nach Fluoreszenzanregung eines benachbarten Donors durch Fluorescence resonance energy transfer (FRET) wird in der Biochemie und der Zellbiologie zu Abstandsmessungen im Nanometerbereich genutzt.
- FACS (Fluorescent activated cell sorter oder Durchflusscytometrie)
- FISH (Fluorescence in situ hybridization) Chromosomanalyse
- Beobachtung einzelner Moleküle mittels Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie

Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde) und Forensik

Mineralien, Edelsteine, Fasern und viele andere Materialien, die in der Forensik oder an Sammlerstücken und Antiquitäten untersucht werden, haben unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften, wenn sie mit kurz- oder langwelligem UV-Licht oder mit Röntgenstrahlen bestrahlt werden, und können dadurch identifiziert werden.

Kosmische Strahlung

Hochenergetische Kosmische Strahlung löst in der Erdatmosphäre Teilchenkaskaden, sog. ausgedehnte Luftschauer, aus. Die geladenen Teilchen dieser Schauer regen die Stickstoffmoleküle der Luft an, sodass diese Fluoreszenzlicht austrahlen. Durch Messungen dieses Lichtes lassen sich Rückschlüsse auf die primäre Kosmische Strahlung gewinnen.

Fluoreszierende Farbstoffe

- Uranin
- Rhodamin
- Fluorescein
- DAPI
- Coumarin siehe auch: Parametrische Fluoreszenz

Weblinks

- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Fluoreszenz Mineralienatlas - Fluoreszenz]
- [http://www.3sat.de/nano/cstuecke/67372/index.html Maßgeschneiderte Medikamente per Laser] Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) an der Universität Bonn
- [http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss/fluoreszenz.htm Fluoreszenz]
- [http://micro.magnet.fsu.edu/primer/techniques/fluorescence/fluorhome.html Fluorescence Microscopy] Umfangreiches interaktives Tutorial (englisch) Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Optischer Effekt ja:蛍光

Fluoreszenz

\Delta S = 0

Anwendungsgebiete

Es gibt viele natürliche und synthetische Verbindungen, die Fluoreszenz zeigen, und sie haben eine Reihe von Anwendungen:

Aufhellung

Durch die Absorption (unsichtbaren) ultravioletten Lichts und die Aussendung sichtbaren Lichts lässt sich eine Aufhellung erzielen:
- Optische Aufheller
- Signalfarbe

Beleuchtung

Biochemie und Medizin

Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde) und Forensik

Kosmische Strahlung

Fluoreszierende Farbstoffe

- Uranin
- Rhodamin
- Fluorescein
- DAPI
- Coumarin siehe auch: Parametrische Fluoreszenz

Weblinks

Phosphor

Phosphor (von griechisch φως-φορος = lichttragend, vom Leuchten des weißen Phosphors) ist ein chemisches Element mit dem Symbol P und der Ordnungszahl 15. Phosphor ist eines der Grundelemente der organischen Chemie und als Mineralstoff Baustein jedes lebenden Organismus.

Geschichte

Phosphor wurde 1669 von Hennig Brand, einem deutschen Apotheker und Alchemisten, entdeckt, als dieser - auf der Suche nach dem "Stein der Weisen" - Urin destillierte und der Rückstand glühte. Obwohl Phosphor zu dieser Zeit noch keine Verwendung außer als Nachtlampe fand, wurde es mit Gold aufgewogen. Henning Brand wurde durch diese Entdeckung nicht reich und verkaufte das Herstellungsrezept an einen Alchemisten, der hiermit ein Vermögen machte.

Vorkommen

In der Natur kommt Phosphor ausschließlich in gebundener Form, das heißt nicht gediegen, meist in Form der Phosphate in der Erdkruste vor (Gehalt in der Erdkruste: ~ 0,11 %). Typische Mineralien sind etwa die Apatite Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH). Besonders der Fluorapatit und der mit Calciumcarbonat durchsetzte Phosphorit stellen ökonomisch die wichtigsten Phosphate dar. Darüber hinaus gibt es weitere phosphorhaltige Mineralien, wie beispielsweise den Wavellit Al₃(PO₄)(F,OH) · 5 H₂O, den Vivianit Fe₃(PO₄)₂ · 8 H₂O und den Türkis CuAl₆[(PO₄)(OH₂)]₄ · 4 H₂O. Von den weltweit jährlich geförderten etwa 100 Millionen Tonnen an Rohphosphaten werden etwa 90 % zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Phosphor hat auch in der organischen Welt eine wichtige Bedeutung und kommt in verschiedensten Bereichen der Fauna und Flora vor: Etwa als Hydroxyapatit Ca₅(PO₄)₃OH, welcher einer der Hauptbestandteile der Gerüstsubstanz ist, die in Knochen und Zähnen vorkommt. Weiterhin spielen Phosphate als Bestandteile der Nukleinsäuren und als Energieträger, wie z. B. ATP, eine wichtige Rolle in lebenden Organismen.

Gewinnung und Darstellung

In elektrischen Lichtbogenöfen wird Calciumphosphat in Form der Mineralien Phosphorit oder Apatit bei 1400 °C mit Koks und Quarzsand zu weißem Phosphor umgesetzt. Der im Koks enthaltene Kohlenstoff wirkt dabei als Reduktionsmittel und das Siliciumdioxid des Quarzes dient als Schlackenbildner. Der beim Prozess gasförmig anfallende Phosphor wird kondensiert und unter Wasser gesammelt.

\mathrm

Weißen Phosphor kann man im Labor durch Erhitzung von rotem Phosphor unter Ausschluss von Sauerstoff herstellen.

Eigenschaften

Phosphor kommt in allen Oxydationsstufen zwischen -3 und +5 und den Koordinationszahlen 1-6, meist 3 bis 4, vor. Es ist also ein außerordentlich variables Element.

Gasförmiger Zustand

Siliciumdioxid Im Phosphordampf überwiegen unterhalb von 1200 °C P₄-Tetraeder als kleinste molekulare Einheiten. Der Dissoziationsgrad beträgt bei 800 °C ~ 1 %. Zwischen 1200 und 2000 °C überwiegen P₂-Moleküle mit stickstoffanaloger Valenzelektronenstruktur, oberhalb von 2000 °C dissoziieren diese schließlich zu atomarem Phosphor.

Modifikationen

Dissoziationsgrad Phosphor tritt in vier allotropen Modifikationen auf, als weißer, roter, schwarzer und violetter Phosphor. Jede dieser vier Grundtypen bildet verschiedene Kristallstrukturen und hat damit unterschiedliche Reaktivität und Dichte.

Weißer Phosphor

Weißer Phosphor ist die flüchtigste und reaktivste Modifikation des Phosphors. Er besitzt eine Dichte von 1,82 g/cm³, einen Schmelzpunkt von 44,1 °C, einen Siedepunkt von 280 °C und ist durchscheinend und wachsartig. Verunreinigt wird der weiße Phosphor auch als gelber Phosphor bezeichnet. Der kubische weiße Phosphor ist in Phosphortrichlorid und Kohlenstoffdisulfid CS₂ sehr leicht löslich; 100 g Kohlenstoffdisulfid lösen mehr als 1 kg Phosphor. In Tetrachlorkohlenstoff, Benzol oder Ether ist Phosphor schwach löslich. Bei -77 °C geht die kubische Form (α-Form) in eine hexagonale Form (β-Form) über. In jeder Form (α-, β-, in Lösung) bildet weißer Phosphor P₄-Tetraeder mit einem Bindungswinkel von 60°. In fein verteiltem Zustand entzündet sich weißer Phosphor von selbst, ab etwa 50 °C entzünden sich auch kompakte Stücke und verbrennen an der Luft zu Phosphor(V)-oxid.

\mathrm

\mathrm

An Luft kann weißer Phosphor ein hellgrünes Leuchten erzeugen. Dieses entsteht durch den im weißen Phosphor vorhandenen hohen Dampfdruck und somit in der Umgebung vorhandenes gasförmiges P₄, das wiederum durch Gasphasenoxidation über P₄O₆ zu P₄O₁₀ entsteht (Chemolumineszenz). Meist in heftiger, exothermer Reaktion verbindet sich Phosphor mit Halogenen, Metallen oder Schwefel. Die hieraus entstehenden Verbindungen sind Phosphorsulfide, Phosphor(III)- oder Phosphor(V)-Verbindungen sowie Phosphide. Unter Einwirkung von starken Laugen bei hoher Temperatur disproportioniert Phosphor zu Phosphin und Hypophosphid. Allgemein wirkt weißer Phosphor stark reduzierend. Weißer Phosphor ist hochgiftig, bereits 50 mg sind tödlich. Der Tod tritt erst nach 5 bis 10 Tagen ein, die Giftwirkung beruht auf einer Störung der Eiweiß- und Kohlenhydratsynthese. Als Füllung für Brandbomben setzten die Engländer im Zweiten Weltkrieg ein Gemisch aus weißen Phosphor und Kautschuk ein. Durch den Kautschuk klebt die zähflüssige Masse und verursacht bei den Opfern auf der Haut schlecht heilende Wunden. Auch heute werden an der Ostsee noch Munitionsreste angespült, da diese nach dem Krieg von den Alliierten in der Ostsee entsorgt wurden. Heutzutage wird Weißes Phosphor in Nebelgranaten verwendet, da sich damit schnell große Nebelwände erzeugen lassen. WP-Granaten wurden von den USA im Irakkrieg in Falludscha eingesetzt um Aufständische aus gut geschützten Stellungen zu treiben um sie dann mit anderen Waffen bekämpfen zu können. Diese Art des Einsatzes ist allerdings umstritten, da durch den Einsatz von Weißem Phosphor in der Stadt viele Zivilisten verbrannten.

Schwarzer Phosphor

Die bei Zimmertemparatur stabilste Modifikation existiert in einer amorphen und drei kristallinen Formen. Schwarzer Phosphor ist aufgrund seiner polymeren Form unlöslich, fast unbrennbar, sehr reaktionsträge und besitzt eine Dichte von 2,69 g/cm³. Das dem schwarzen Phosphor zugrundeliegende Kristallgitter besteht aus gewellten Doppelschichten, in dem die Phosphoratome pyramidal mit drei weiteren in der Nachbarschaft befindlichen Phosphoratomen in einem Bindungswinkel von 100° verbunden sind. In dieser Konfiguration besitzt Phosphor Halbleitereigenschaften. In feuchter Luft oxidiert schwarzer Phosphor etwas schneller als roter Phosphor, überzieht sich dabei aber mit einer farblosen, viskosen Flüssigkeitshaut aus Phosphorsäuren, so dass der weitere Sauerstoffzutritt verhindert und eine Entzündung erschwert wird. Schwarzer Phosphor entsteht unter hohem Druck aus weißem oder rotem Phosphor und unterscheidet sich durch seine Farbe stark von den vorgenannten.

Roter Phosphor

Halbleiter Eine Reihe amorpher und kristalliner Formen mit Dichtevariationen zwischen 2,0 und 2,4 g/cm³ und Schmelzpunkten zwischen 585 °C und 610 °C werden unter der Bezeichnung roter Phosphor zusammengefasst. Gemeinhin ist roter Phosphor amorph, lässt sich aber durch Rekristallisation aus geschmolzenem Blei in den monoklinen Hittorfschen (violetten) Phosphor überführen, welcher eine dreidimensional vernetzte polymere Form bildet. Durch Kochen von weißem Phosphor in Phosphortribromid erhält man den roten Phosphor. Gewonnen wird roter Phosphor durch mehrstündiges Erhitzen von weißem Phosphor auf etwa 360 °C. Die Unterschiede zwischen den kristallinen Anteilen im roten Phosphor bedingen die verschiedenen Formen desselben. Einfluss haben hier die Korngröße, die Art des Gitters, Verunreinigungen und die verschiedenen Absättigungen der Randgruppen mit Halogenen, Sauerstoff und Hydroxylgruppen. In üblichen Lösungsmitteln ist der rote Phosophor unlöslich. Seine Reaktivität liegt zwischen der des weißen und des schwarzen Phosphors. Roter Phosphor ist nicht selbstentzündend, neigt jedoch in Gegenwart starker Oxidationsmittel zu explosiven Reaktionen. Bezogen auf die Reaktivität gleicht der violette Phosphor eher dem schwarzen Phosphor, während sich der Schencksche Phosphor (Rudolf Schenck, 1902) sehr viel reaktionsfreudiger zeigt als "normaler" roter Phosphor. Roter Phosphor ist ungiftig, seine Erstbeschreibung wird dem Österreicher Anton Schrötter von Kristelli zugeschrieben.

Violetter/Hittorfscher Phosphor

Anton Schrötter von Kristelli Violetter Phosphor entsteht beim ein- bis zweiwöchigen Erhitzen von weißem Phosphor auf ca. 550 °C. Entdeckt wurde er von Johann Wilhelm Hittorf. Es handelt sich um ein nichtleitendes Polymer, das unlöslich in CS₂ ist. Die Strukturaufklärung gelang Ende der 1960er Jahre an der Universität Stuttgart durch Herbert Thurn.

"Phosphor-Nanostäbchen"

Im August 2004 ist es deutschen Forschern gelungen, zwei weitere Modifikationen des vielgesichtigen Elements zu isolieren und strukturell zu charakterisieren: Phosphor-Nanostäbchen. Bei diesen beiden Modifikationen liegen die Phosphoratome in Form von Kettenmolekülen (Polymeren) vor. Entdecker der neuen Modifikationen sind Arno Pfitzner von der Universität Regensburg und Hellmut Eckert von der Universität Münster. Die rotbraunen Fasern, die sich deutlich von der roten Phosphormodifikation unterscheiden, sind an der Luft in trockenem Zustand über Wochen stabil. Unter dem Elektronenmikroskop zeigte sich diese rotbraune Phosphor-Form als lange, parallel ausgerichtete Nanostäbe mit Querschnitten von ungefähr 0,34 beziehungsweise 0,47 Nanometern.

Isotope

Phosphor hat nur ein stabiles Isotop: ³¹P, dies ist das einzige in der Natur vorkommende Isotop des Phosphors. Phosphor hat mehrere weitere Isotope, die allerdings alle radioaktiv sind. Das Phosphorisotop ³³P hat mit 25,3 Tagen die längste Halbwertszeit. Das Phosphorisotop ³²P, welches auch radioaktiv ist, wird in Medizin und Forschung als Tracer benutzt, um Stoffwechselprozesse zu beobachten.

Verwendung

Der größte Teil des hergestellten weißen Phosphors (80 %) wird zu Phosphor(V)-oxid verbrannt, welches als Ausgangsmaterial für die Phosphorsäureherstellung sowie für die Darstellung verschiedener Phosphate verwendet wird. Phosphor(V)-oxid hat außerdem noch Bedeutung als eine der wirksamsten wasserentziehenden Substanzen (Trockenmittel). Ein weiterer Teil wird zu Phosphor(III)-chlorid (PCl₃) und Phosphor(V)-sulfid (P₄S₁₀) verarbeitet, die wiederum als Grundstoffe für die Herstellung von Flammschutzmitteln, Additiven, Weichmachern und Pflanzenschutzmitteln dienen. Roter Phosphor findet Verwendung bei der Streichholz-Herstellung. Des Weiteren werden die als Dünger wichtigen Phosphate direkt aus Kalziumphosphat gewonnen, indem dieses mit Schwefelsäure aufgeschlossen wird. Es entsteht das so genannte Superphosphat. Hierzu werden etwa 60 Prozent der weltweiten Schwefelsäureerzeugung benötigt.

Biologische Bedeutung

Phosphorverbindungen sind für die Lebensfunktionen aller Lebewesen essentiell. Anorganische Phosphorverbindungen sind Bestandteil der DNA- und RNA-Moleküle. Die Körperzellen benutzen anorganische Phosphorverbindungen, um Stoffwechselenergie über ATP zu transportieren. Hydroxyapatit (Ca₅(PO₄)₃OH) ist ein Hauptbestandteile der Gerüstsubstanz von Knochen und Zähnen. Der Körper eines Menschen von 70 kg Gewicht enthält etwa 700 Gramm Phosphor, wovon 600 g fest im Knochensystem gebunden sind. Der Tagesbedarf eines erwachsenen Menschen beträgt ca. 0,75 Gramm Phosphor, vor allem in Milchprodukte, Fleisch, Fisch und Brot ist er reichhaltig vorhanden.

Nachweis

Spektroskopisch

Die Methode der Wahl für den Nachweis von Phosphor ist die ³¹P-NMR-Spektroskopie.

Nasschemisch

Die quantitative und qualitative Bestimmung von Phosphor erfolgt über das Phosphat (genauer Orthophosphat PO₄^3-). Gebundener Phosphor wird hierzu gegebenenfalls durch oxidierenden Aufschluss in Phosphat überführt.

Qualitativer Nachweis

Durch Reaktion mit Ammoniummolybdat erhält man in saurer Lösung einen gelben Niederschlag von Ammoniummolybdophosphat:

\mathrm + 12H_2O

In alkalischer Ammoniaklösung fällt Phosphat bei Anwesenheit von Magnesium-Ionen als Magnesiumammoniumohosphat aus:

\mathrm+ OH^-

Der Nachweis ist auch in Form von Zirconiumphosphat durchführbar:

\mathrm + 6HCl + 3H_2O

Historisch ist die Mitscherlich Probe zum Nachweis von weißem Phosphor interessant, die allem voran bei vermuteten Phosphorvergiftungen eingesetzt wurde. Hierbei wird der Mageninhalt mit Wasser erhitzt, wobei der weiße Phosphor, der mit dem Wasserdampf flüchtig ist, anschließend kondensiert und bei Berührung mit Luftsauerstoff durch ein Leuchten (Chemolumineszenz) in Erscheinung tritt. Bei Strukturuntersuchungen von Verbindungen, in denen Phosphor enthalten ist, eignet sich die ³¹P-Kernresonanzspektroskopie.

Quantitativer Nachweis

Gravimetrie

Für eine gravimetrische Bestimmung kann aus Phosphat und Molybdationen in stark salzsaurer Lösung ein gelbes Molybdophosphation gebildet werden:

\mathrm

Mit 8-Hydroxychinolin (kurz HOx oder Oxin genannt) bildet sich ein schwer löslicher Niederschlag von Oxin-12-molybdo-1-phosphat, der anschließend bei 160 °C getrocknet und in wasserfreier Form gewogen wird.

\mathrm

- Fällungsform:

\mathrm

- Wägeform:

\mathrm

(Farbe: dunkelorange) Der grobkristalline Niederschlag enthält nur 1,37 % Phosphor. Somit sind vor allem kleinere Phosphatmengen gut bestimmbar (→ Mikromol-Verfahren).

Volumetrie

Volumetrische Phosphatbestimmungen werden durch Fällung mit La³⁺ oder mit Bi³⁺-Maßlösungen und anschließender Rücktitration mit EDTA durchgeführt.

Verbindungen

Sauerstoffverbindungen

Phosphor bildet verschiedene Oxide, die dem Adamantan ähnliche Strukturen bilden:
- Phosphortrioxid
- Phosphortetraoxid
- Phosphorpentoxid Davon abgeleitet kennt man die folgenden Sauerstoffsäuren sowie die dazugehörigen Salze:
- Phosphinsäure, Phosphinate
- Phosphonsäure, Phosphonate
- Phosphorsäure, Phosphate
- Peroxophosphorsäure Im Vergleich zu den voran genannten Monophosphorsäuren, die ein Phosphor-Atom in ihrem Molekül aufweisen, gibt es Diphosphorsäuren mit zwei Phosphor-Atomen:
- Hydodiphosphonsäure
- Diphosphonsäure
- Hypodiphosphonsäure
- Peroxodiphosphonsäure Bekannte Mineralien, die Phosphor als Bestandteil haben, sind
- Hydroxyapatit
- Fluorapatit

Wasserstoffverbindungen und organische Verbindungen

- Phosphane
- Phosphine
- Phosphaalkine Davon abgeleitet kennt man die folgenden Metallverbindungen:
- Phosphide In der Biochemie:
- ADP, ATP

siehe auch

Phosphorbombe

Literatur

- A. F. Holleman, Egon Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin, 1995, ISBN 3-11-012641-9
- Erwin Riedel, Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin, 2002, ISBN 3-11-017439-1
- John Emsley: Phosphor - ein Element auf Leben und Tod. Wiley-VCH, Weinheim 2001, ISBN 3-527-30421-5

Weblinks

- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/P/index.html WebElements.com - Phosphor] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Gruppe-15-Element Kategorie:Periode-3-Element Kategorie:Chemiewaffe ja:リン ko:인 th:ฟอสฟอรัส

Photonen

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds. Es ist eines der Studienobjekte der Quantenelektrodynamik, des ältesten Teils des Standardmodells der Teilchenphysik. Anschaulich gesprochen sind Photonen die "Bausteine" elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie "Lichtteilchen". Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass alle (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen (siehe auch: Welle-Teilchen-Dualismus).

Geschichte

Seit der Antike gab es verschiedene, oft einander widersprechende Vorstellungen über das Wesen des Lichts. Im 19. Jahrhundert konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien. Während viele Phänomene wie Interferenz- und Polarisationserscheinungen für eine Wellennatur des Lichts sprachen, gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch sehr wichtiges Experiment, welches auf eine Teilchennatur des Lichts hinwies, war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs. Die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung geht letztendlich auf die Erklärung der Schwarzkörperstrahlung durch Max Planck im Jahr 1900 zurück (Plancksches Strahlungsgesetz). Planck selbst stellte sich allerdings nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern erklärte die Quantisierung damit, dass die Oszillatoren in den Wänden der Schwarzkörperresonatoren nur diskrete Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen können. Albert Einstein beschrieb 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt das Licht als aus Lichtquanten mit Partikeleigenschaften bestehend (für diese Arbeit übrigens – nicht etwa für seine Relativitätstheorie – wurde er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet). Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die bis heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, welche auch die Lichtquanten beschreibt, die Quantenelektrodynamik (QED), geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahr 1927 zurück, in der er die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom beschreibt. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga gewürdigt. Der Begriff "Photon" wurde 1926 durch den Chemiker Gilbert Newton Lewis geprägt, der darunter aber nicht das Lichtquant verstand. Er verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen (und allgemein nicht anerkannten) Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht.

Symbol

Für das Photon wird im allgemeinen das Symbol

\gamma

(gamma) verwandt. In der Hochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der Gammastrahlung (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten Röntgenphotonen erhalten das Symbol X (von Englisch: X-ray).

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste "Menge" an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen besitzen keine Ruhemasse, aber sie besitzen Energie. Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit. In optischen Medien ist die effektive Lichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie verringert. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Erzeugung und Detektion

Photonen können auf vierlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge ("Quantensprünge") von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen, oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden. Zum Nachweis von Photonenströmen können z. B. Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Fotoplatten und -filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.

Spin

Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken. Da die elektromagnetische Wechselwirkung eine sogenannte Eichtheorie ist, zählen die Photonen zu den Eichbosonen.

Photonen im Vakuum

Im Vakuum bewegen sich Photonen mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit

c\,

= 299792458 ms^-1. Die Dispersionsrelation, d.h. die Abhängigkeit der Energie

E\,

von der Frequenz

\nu\,

(ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Planck'sche Wirkungsquantum

h\,

, :

E=pc=h\nu\,.

Der Impuls

p\,

eines Photons beträgt damit :

p=\frac=\frac\,.

Photonen in Medien

In einem Material wechselwirken Photonen mit dem sie umgebenden Medium, woraus sich veränderte Eigenschaften ergeben. Das Photon kann absorbiert werden, wobei seine Energie natürlich nicht verschwindet, sondern in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen übergeht. Möglich ist auch, dass es sich durch ein Medium ausbreitet; zum Beispiel als gekoppeltes Phonon-Photon-Paar (Polariton). Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit bis hin zu nur einigen Metern pro Sekunde für spezielle Materialien.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photonen die auf Materie treffen lösen bei bestimmten Energien unterschiedliche Prozesse aus. Im Bereich von:
- 1 eV - 100 keV Photoeffekt,
- 100 keV - 1 MeV Compton-Effekt,
- 1,022 MeV - 6 MeV Paarbildung
- 2,18 MeV - 16 MeV Kernphotoeffekt. Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten anhand der Gammaspektroskopie nachweisen lassen.

Literatur

- [http://www.osa-opn.org/abstract.cfm?URI=OPN-14-10-49 C. Roychoudhuri and R. Roy (editors) The Nature of Light, What is a Photon?, Supplement to Optics & Photonics News, Vol. 3 No. 1, October 2003, ISSN 10476938]
- Harry Paul Photonen, Januar 1999, ISBN 3519132222
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),

Weblinks

- [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Interaktive Darstellung] von Absorption, Emission und der stimulierten Emission Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Optik ja:光子 ko:광자 simple:Photon

Energie

Energie ist eine physikalische Zustandsgröße. Üblicherweise wird für die Energie das Formelzeichen E verwendet. Die Energie E eines Systems lässt sich selbst nicht messen, sie wird berechnet oder über die durch sie verrichtete Arbeit bestimmt. Der Begriff wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt und leitet sich aus dem Griechischen ab: εν = in, innen und εργον = Werk, Wirken. Energie bedeutet ganz allgemein also eine den in der Physik betrachteten Objekten innewohnende Wirksamkeit. Zuvorderst wird sie als etwas verstanden, das in Arbeit umgewandelt werden kann. Energie ist danach die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Vor 1852 wurde für Energie der Begriff Kraft, in Deutschland auch "lebendige Kraft", benutzt. Der neuerdings an Stelle von Wärmeenergie benutzte Begriff innere Energie ist ebenso pleonastisch gebildet wie etwa nasser Regen oder weißer Schimmel; philologisch korrekt müsste hier von innerer Energie gesprochen werden.

Energieformen

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu 4 Gruppen zusammengefasst sind. Da diese Einteilung willkürlich ist, gibt es Sammelbegriffe für Energieformen, die spezielle Energieformen aus unterschiedlichen Gruppen kombinieren. Energie ist, unabhängig von der Energieform, eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Systems, eine so genannte Zustandsgröße.

Mechanische Energie

Die Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer und potenzieller Energie dargestellt werden. Die beiden Begriffe werden über die klassische Mechanik und die Quantenmechanik hinaus in fast allen Bereichen der Physik verwendet.
- Kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie wird durch die Bewegung eines Systems gegenüber eines anderen Systems und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translationsenergie und Rotationsenergie zusammen.
- Potentielle Energie wird auch als Lageenergie bezeichnet. In der Mechanik ist sie die Energie eines Systems, die es durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde.
- Schwingungsenergie: Beim Pendel wechselt die potentielle Energie bei maximaler Auslenkung mit der gleich großen kinetischen Energie während des Durchgangs durch die Ruhelage ab. Über die Mechanik hinaus sind Schwingungen allgemein durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Energieformen charakterisiert.
- Elastische Energie ist die potentielle Energie der aus ihrer Ruhelage verschobenen Atome oder Moleküle in einem elastisch deformierten Körper, beispielsweise einer mechanischen Feder. Allgemein bezeichnet man die Energie, die bei der elastischen oder plastischen Verformung in dem Körper gespeichert (oder freigesetzt) wird, als Deformationsenergie.
- Schallenergie: Beim Schall schwingen die Atome in Folge der Elastizität eines Festkörpers oder der Kompression einer Flüssigkeit oder eines Gases im Takt der Frequenz zwischen der potenziellen Energie der Auslenkung aus ihrer Ruhelage und der kinetischen Energie beim Durchgang durch diese Ruhelage. Der Begriff akustische Energie bezieht sich auf alle akustische (teils nicht von Menschen wahrnehmbare) Schwingungen.
- Wellenenergie ist ein Sammelbegriff, der nicht nur auf die akustischen Wellen zutrifft, sondern auf alle räumlich ausgebreiteten Schwingungsphänomene wie z. B. Wasserwellen und elektromagnetische Wellen. Weder Schwingungs-, noch Schall- noch Wellen-Energie sind eigene Energien als Zustandsgrössen, denn Schwingung, Schall und Welle beschreiben in der Zeit ablaufende Vorgänge, also keine Zustände. In den Erläuterungen werden auch richtig die Energien (potentielle und kinetische) genannt, die als mechanische Energien alleine bei diesen Vorgängen wesentlich sind. Elastische Energie ist die potentielle Energie in der Ruhelage. Wird ein Körper aus der Ruhelage verschoben, so ergibt sich eine potentielle Energieänderung, die durch die Verschiebung bewirkt wird und die in die Energiebilanz gehört. Solche unscharfen Erläuterungen zu Energien erschweren ihre sorgfältigen Definitionen.

Thermische und innere Energie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Thermische Energie wird umgangssprachlich oft auch fälschlicherweise als Wärmeenergie, Wärmeinhalt oder Wärmemenge bezeichnet. Die Erscheinungsformen der thermischen Energie werden durch die Thermodynamik beschrieben. Ein anschauliches Beispiel für die komplexen Abhängigkeiten der dabei zu beobachtenden physikalischen Phänomene ist das Schmelzen von Eis und das Entstehen von Wasserdampf aus Wasser durch Zufuhr von thermischer Energie. Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie bezeichnet man als Innere Energie (philologisch korrekt eigentlich innere Ergie; vgl. Einleitung des Artikels Energie).

Elektrische und magnetische Energie

- Elektrische Energie ist als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen gespeichert.
- Magnetische Energie ist im magnetischen Feld enthalten.
- Elektromagnetische Schwingungsenergie: Durch Induktion wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie. Dies findet in elektrischen Schwingkreisen statt, aber auch im Raum, in dem sich das elektromagnetische Feld ausbreitet. Dann spricht man von elektromagnetischer Strahlungsenergie oder Photonenenergie und speziell für den sichtbaren Frequenzbereich von Lichtenergie.

Bindungsenergie

- Chemische Energie: Energie, welche in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei und muss für endotherme Reaktionen hinzugefügt werden.
- Kernenergie: Energie der Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie wird bei einer Kernreaktion in die Bindungsenergie der Reaktionsprodukte, also neuer Atomkerne umgesetzt, und in verschiedene Arten von Strahlung.

Materie

Masse und Energie sind äquivalent (Albert Einstein). :

E = m \cdot c^2

Dies wird z. B. bei der Kernspaltung und der Kernfusion ausgenutzt. Außer bei Experimenten in der Elementarteilchenphysik und manchen Kapiteln der Astrophysik ist jedoch die mit Energieänderungen des Systems einhergehende Massendifferenz weit unterhalb der Messgenauigkeit. In einigen Bereichen der Physik rechnet man in natürlichen Einheiten (

c\equiv 1, \hbar\equiv 1

), sowohl für Energie als auch für Masse benutzt man die Einheit Elektronenvolt.

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

Energie kann in physikalischen Vorgängen weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in verschiedene Energiearten umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Auch die Theorie unterstützt diese Überzeugung: In abgeschlossenen Systemen ist Energie eine Erhaltungsgröße. In offenen Systemen hat die Energie Neigung, den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig auszufüllen. Die dabei auftretenden und zu beobachtenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zur Entropie, einer thermodynamischen Zustandsgröße mit dem gleichen Stellenwert wie die Energie. Durch eine am System verrichtete Arbeit wird die Energie des Systems erhöht. Verrichtet das System selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage- oder Beschleunigungsänderung. Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform (→ Arbeit). Eine Energieerzeugung ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Das gleiche gilt für Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust. In der Umgangssprache werden diese Worte oft mit moralischer Wertung für die Energieumwandlung verwendet. Weiterhin ist es nicht möglich, die Energieformen beliebig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt. Beispiele für die Energieumwandlung sind die Erzeugung von Licht und Wärme aus elektrischer Energie über einen elektrischen Widerstand und die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in einem Elektromotor in kinetische Energie. Chemische Energie eines Brennstoffs wird bei der Verbrennung in Wärmeenergie verwandelt oder in Verbrennungsmotoren (als Kraftstoff) in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motoren wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Abwärme umgewandelt. Kinetische Energie wird bei der Bewegung entgegen dem Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt. In Elektrizitätswerken wird elektrischer Strom erzeugt. Entweder wird dabei vorhandene potentielle Energie (Speicherkraftwerk) oder kinetische Energie (Laufkraftwerk, Windenergieanlage) über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme Energie zu gewinnen. Beispiele dafür sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernkraft oder auch Müll betrieben werden. Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche meistens in Wärmeenergie verwandelt.

Energieversorgung und -verbrauch

Mit Energieversorgung und -verbrauch(
- ) wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am häufigsten benutzten Energieformen sind Wärmeenergie und Elektrizität. Die menschlichen Bedürfnisse richten sich vor allem auf die Bereiche Heizung, Nahrungszubereitung und den Betrieb von Einrichtungen und Maschinen zur Lebenserleichterung. Hierbei ist das Thema Fortbewegung und der Verbrauch z. B. fossiler Energieträger in Fahrzeugen nicht unerheblich. Die verschiedenen Energieträger können über Leitungen die Verbraucher erreichen, wie typischerweise elektrischer Energie, Erdgas, Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z. B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (Uran), Biomassen (Holz u. a.). Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z. B. in der dritten Welt. In industriell hoch entwickelten Ländern haben sich seit dem 19. Jahrhundert Unternehmen mit der Erzeugung und Bereitstellung von Energie für den allgemeinen Verbrauch beschäftigt. Hierbei steht die zentrale Erzeugung von elektrischer Energie sowie die Übertragung an die einzelnen Verbraucher im Vordergrund. Weiterhin ist die Beschaffung, der Transport und die Verwandlung von Brennmaterial zu Heizzwecken ein wichtiger Wirtschaftszweig. Ca. 40 Prozent des weltweiten Energiebedarfes wird durch elektrische Energie gedeckt. Spitzenreiter im Verbrauch dieses Anteils sind mit ca. 20 Prozent elektrische Antriebe. Danach ist die Beleuchtung mit 19 Prozent, die Klimatechnik mit 16 Prozent und die Informationstechnik mit 14 Prozent am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt. (
- ) Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. (

Phosphoreszenz

Erklärung

Phosphoreszierende Materialien

Anwendungen

In der Philatelie

Sonstige

Licht

Licht in der Gesellschaft

Licht unter freiem Himmel

Nachweis

Größen und Einheiten

Siehe auch

Literatur

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Alchemie

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Quellen

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Aufhellung

Beleuchtung

Biochemie und Medizin

Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde) und Forensik

Kosmische Strahlung

Fluoreszierende Farbstoffe

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Phosphor

Geschichte

Vorkommen

Gewinnung und Darstellung

Eigenschaften

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Modifikationen

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"Phosphor-Nanostäbchen"

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Qualitativer Nachweis

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Verbindungen

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Verbindungen mit Halogenen

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Stickstoffverbindungen

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siehe auch

Literatur