Fluoreszenz von Bernstein

Bernstein ist ein fossiles Harz, das von prähistorischen Bäumen meist als Schutzreaktion auf Verletzungen ausgeschieden wurde. Es kommt in einer Vielzahl von Farben vor, wobei die häufigsten hierbei Gelb, Orange und Braun sind. Bernstein kann von nahezu durchsichtig bis vollständig opak variieren. Die Transparenz hängt von eingeschlossenen Gasblasen oder Einschlüssen ab. Teilweise kommt es auch zu fossilen Einschlüssen von zum Beispiel Insekten, Spinnentieren, Pflanzenresten (wie Blätter oder Pollen) und gelegentlich sogar kleinen Wirbeltieren. Bernstein wird seit der Steinzeit für Schmuck, Amulette und Kunstwerke verwendet.

Bernstein enthält organische Moleküle wie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), Terpene und andere komplexe Kohlenwasserstoffe. Diese Moleküle besitzen eine besondere Elektronenstruktur, die sie unter UV-Licht fluoreszieren lässt.

Bei einer Anregungswellenlänge von z. B. 375 nm (naher UV-Bereich) werden Elektronen in diesen Molekülen auf ein höheres Energieniveau gehoben. Wenn die Elektronen in ihren Grundzustand zurückfallen, geben sie die überschüssige Energie in Form von Licht im sichtbaren Bereich ab – das ist die Fluoreszenz. Die genaue Verteilung und Intensität der Fluoreszenz kann je nach Herkunft und Zusammensetzung des Bernsteins variieren.

Die Fluoreszenz von Bernstein hat nicht nur wissenschaftliche Bedeutung, sondern wird auch in der Kunst und Restaurierung genutzt, um Echtheit und Herkunft zu bestimmen. Sie ist ein wichtiges Werkzeug, um Fälschungen zu erkennen und Informationen über die Lagerstätten des Materials zu gewinnen. Auch die Suche von Bernstein z. B. an Stränden wird durch den Einsatz geeigneter UV-Lampen erleichtert.

Aufnahme eines Spektrums

Für die Aufnahme des hier gezeigten Fluoreszenz-Spektrums wurde baltischer Bernstein aus der Ostsee genutzt. Dieser entstand vor etwa 44 – 54 Millionen Jahren im Eozän und stammt vom Harz ausgestorbenen Koniferenarten (wie der Gattung Sciadopityaceae), die damals riesige Wälder in Nord- und Mitteleuropa bildeten. Das Harz wurde durch Flüsse in das Gebiet der heutigen Ostsee transportiert und dort über Jahrmillionen fossiliert. Nach Stürmen wird Bernstein oft an Stränden entlang der Ostsee angespült, besonders in Polen (z. B. in Gdańsk), Litauen (Klaipėda) und Deutschland (Usedom, Darß, Rügen).

Zum Einsatz kam ein DIY-Spektrometer in Czerny-Turner-Bauweise mit 150 mm Brennweite, einer Spaltgröße von 10 µm, einem Gitter mit 300 lp/mm sowie einem CCD-Detektor mit 3648 Pixel (Zeilenkamera e9u-LSMD-TCD1304-STD).

Zur Anregung nutzten wir eine 375 nm-LED, mit der ein Bernsteinstück in einem Winkel von 45 Grad beleuchtet wurde. Das emittierte Licht erfasste ein Lichtleiter in ebenfalls 45 Grad-Winkel und führte es dem Spektrometer zur Analyse zu.

Da die Fluoreszenz bei der vorhandenen Probe nur schwach ausgeprägt war, wurde eine relativ lange Integrationszeit von 10 s gewählt. Das aufgenommene Spektrum zeigt eine deutliche Emission im Bereich von 450 – 600 nm, was dem typischen blau-grünen bis gelblichen Leuchten entspricht, das baltischer Bernstein typischerweise unter UV-Licht zeigt.

Im Bereich zwischen 400 nm und 425 nm sind im Fluoreszenz-Spektrum noch Reste des Lichtes der anregenden UV-LED zu sehen. Diese besitzt bei einer Zentralwellenlänge von 375 nm eine Halbwertsbreite von 15 nm (siehe Bild). Bei ausreichend hoher Integrationszeit des Spektrometers sind aber noch Ausläufer bis zu 420 nm nachweisbar.

Die Empfindlichkeit des verwendeten CCD-Sensors startet allerdings bei kleinen Wellenlängen (u. a. auch wegen des Sensordeckglases) erst bei ca. 400 nm, so dass daher nur noch ein kleiner und unsymmetrischer Teil des LED-Spektrums vom Spektrometer detektiert wird (siehe Spektrum unten).