Lumineszenz

Bei der Edelsteinbestimmung hat die Untersuchung des Verhaltens von Diamanten und Edelsteinen im ultravioletten Bereich des Spektrums in den letzten Jahren wegen diverser Behandlungsarten und Synthesen an Bedeutung gewonnen.

Lumineszenz ist der Oberbegriff für die Erscheinungen „Fluoreszenz“ und „Phosphoreszenz“, die wir bei einer Bestrahlung mit UV-Licht beobachten können. Als allgemeine Anwendungen für Fluoreszenz und UV-Lampen sind beispielsweise Geldscheinprüfer, Geräte zum Trocknen von Nagellack, sowie das Schwarzlicht auf Partys bekannt. Auch die Windschutzscheibe am Auto wird mit Hilfe von UV-Kleber repariert und im medizinischen Bereich werden mit UV-C Licht chirurgische Instrumente sterilisiert. In der Edelsteinkunde ist die Lumineszenz besonders spannend, da eine Lichtquelle im lang- welligen ultravioletten Bereich (UV-A) an diversen Edelsteinen teils interessante fluoreszierende Erscheinungen verursacht. Man sollte sich bei der Anwendung jedoch der Gefahren bewusst sein, die aus energiereicher ultravioletter Strahlung resultieren.

Entstehung der Lumineszenz bei Fluoreszenz

Langwelliges UV-A Licht (E) als Energie- träger bewirkt ein „Anheben“ (1) des Elektrons, das jedoch gleich wieder in seine Ausgangsposition (A) zurück- fällt. Beim „Zurückfallen“ entsteht eine eigenständige elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Farbbereich, die Fluoreszenz genannt wird. Die Elektronen werden durch die Aufnahme von Photonen aus der Energiequelle an- geregt zu „schwingen“.

Bei der Phosphoreszenz verzögert sich das Zurück- fallen und der Gegen- stand leuchtet auch noch, wenn die Energiequelle ausgeschaltet ist. Eine bekannte Anwendung phosphoreszierender Materialien ist die Farbe auf dem Zifferblatt einer Armbanduhr, die noch eine gewisse Zeit in der Dunkelheit nachleuchtet.

Auf nähere wissenschaftliche Grundlagen, wie Emission und Ab- sorption von Lichtquanten gehen wir nicht ein, da dies zu weit weg von der Gemmologie ist. Es sei nur erwähnt, dass sich Licht als elektromagnetische Strahlung sowohl wellenförmig ausbreitet als auch aus kleinsten Teilchen, den Lichtquanten besteht.

Arten der Lumineszenz

In der Gemmologie ist die Photolumineszenz von Bedeutung. Die Elektronen (Skizze „Fluoreszenz-Schema“) werden mit Energie be- strahlt. Die Anregung der „Schwingung“ dieser Elektronen erfolgt durch die Aufnahme von Photonen (Lichtquanten) aus der Energie- quelle (UV-Strahlung). Hierbei gilt die Stokessche Regel, die besagt, dass das eingestrahlte Licht eine kürzere Wellenlänge hat als das ausgestrahlte. Daher wird zur Anregung der Photolumineszenz Licht im ultravioletten Bereich verwendet. In der Gemmologie verwenden

wir 365 / 368 nm UV-A Licht, um Fluoreszenz-Er- scheinungen zu beobachten, was hilfreich sein kann, um erste Anhaltspunkte bezüglich der Echt- heit von Rubinen zu erhalten.

Auch behandelte und synthetische Diamanten zeigen häufig auf- fällige Fluoreszenz in rosa, gelb bis neongrün. Und bestimmte Arten synthetischer Diamanten phosphoreszieren gelblich nach.

UV-C: Netzartige Struktur durch Säurebehandlung wird sichtbar.

Durch kurzwelliges UV-Licht können unter anderem auch bestimmte Strukturen sichtbar gemacht werden, die durch eine Säurebehandlung entstanden sind. In der Fachliteratur existieren Tabellen, in denen nachgeschlagen werden kann, welche Steine unter UV-A und unter UV-C welche Erscheinungen aufweisen. Photolumineszenz kann auch durch Röntgen-, Gamma- und Korpuskularstrahlung sonstiger Art ausgelöst werden. Eine besondere technische Bedeutung ausserhalb der Edelsteinkunde liegt beispielsweise bei Leuchtstoff- röhren vor.

Thermolumineszenz

Der Goldschmied beobachtet diese Erscheinung beim Löten und Glühen. Von erhitzten Körpern geht eine elektromagnetische Strahlung aus (Temperaturstrahlung), wobei es sich um eine Form von Fotolumineszenz handelt. Das Erhitzen einer Goldlegierung ver- ursacht ab 500 Grad Celsius eine Phosphoreszenz. Das Gold glüht zunächst rot. Mit zunehmender Temperatur wird die Wellen- länge der Phosphoreszenz-Er- scheinung immer kürzer und die Gold- oder Platinlegierung leuchtet hellrot und orange bis hin zur Weissglut (Platin) bei rund 1500 Grad. Manche Fluorit- Kristalle aus bestimmten Minen phosphoreszieren stark, wenn sie auf 100 Grad erwärmt werden.

Elektrolumineszenz: An bestimmten Kristallen kann durch Elektrizi- tät Lumineszenz verursacht werden. Die technische Relevanz liegt bei „kalten“ Lichtquellen wie LCD und LED, Optoelektronik oder Lasertechnik.

Chemolumineszenz: Unterschiedliche chemische Reaktionen können phosphoreszierende Erscheinungen bewirken. Ein aus der Natur bekanntes Beispiel ist die Biolumineszenz, wobei langsam ablaufende Oxidationen eine natürliche biologische Lumineszenz auslösen. Bei- spiele hierfür sind die Glühwürmchen, Humboldt-Kalmare und diverse Lebewesen der Tiefsee.

An dieser Stelle ist auch die Tribolumineszenz zu erwähnen, die durch Reiben, Pressen und Brechen von Kristallen ausgelöst werden kann. Diese Erscheinung kann beim Schleifen von Diamanten beobachtet werden, die zu „glühen“ scheinen, wobei es sich jedoch nicht durch Reibungshitze hervorgerufene Thermolumineszenz, sondern um die Tribolumineszenz handelt. Der Diamant scheint rot bis blau zu glühen, was jedoch nicht der Fall sein kann, da ein derartig erhitzter Diamant zu Sauerstoff und Kohlendioxid (CO2) zerfallen würde. Dies könnte künftig eine gewisse Bedeutung zur Identifikation bestimmter Synthesen erlangen.

Kristallolumineszenz: Manchmal können beim Kristallisieren von Substanzen aus Lösungen und Schmelzen lumineszierende Er- scheinungen beobachtet werden.

Kathodolumineszenz: Hierbei handelt es sich um eine Art von Foto- lumineszenz, die durch Elektronenstrahlen ausgelöst wird, welche von einer „Glühkathodenröhre“ oder Hochdruck-Gasentladungsröhre ausgeht (Leuchtstoffröhrenprinzip, allerdings mit Xenon Gas). Mittels dieser Technik wurde versucht, synthetische Diamanten zu identi- fizieren. Da diese Technologie jedoch nicht immer zerstörungsfrei ist, und auch aus Kostengründen, konnte sie sich in der Gemmologie nicht durchsetzen. Von den hier aufgeführten Arten der Lumineszenz hat für uns in der Edelsteinkunde die durch UV-A und UV-C Licht aus- gelöste Fotolumineszenz in den Erscheinungsformen der Fluoreszenz und der Phosphoreszenz Bedeutung.

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ermöglicht eine zerstörungs- freie Analyse der chemischen Zusammensetzung von Edelsteinen. Auch Edelsteineinschlüsse können analysiert werden, was oft Rück- schlüsse auf die Herkunft ermöglicht. Zudem können Blei dotierte Rissfüllungen nachgewiesen werden, sowie Diffusions-Hitze- behandlungen. Synthesen können über die enthaltenen Katalysator Reste (z. B. Platin) als solche identifiziert werden. Darüber hinaus können die Edelsteine mit einer eigens dafür angelegten, umfang- reichen Datenbank abgeglichen werden.

Die RFA ermöglicht natürlich auch genaue Edelmetallanalysen, sowie Analysen auf elementarer Ebene, wie den Nachweis von Schwer- metallen in Kinderspielzeug oder Lebensmitteln.