Люмінесценція

Люмінесценція –випромінювання мінералу у видимому світлі (свічення), збуджене певним енергетичним впливом (різного роду високоенергетичне випромінювання, нагрівання, механічні зусилля, деформація) на нього. Внаслідок цих впливів електрони в кристалічній структурі переходять у збуджений, високоенергетичний стан, який є нестабільним і, повертаючись у початковий стан, електрони виділяють енергію у вигляді електромагнітного випромінювання, частково у видимому діапазоні. Таке вторинне випромінювання характеризується своїм спектром, залежним від кристалохімічних особливостей та хімічного складу мінералу.

Згідно природи збудника, виділяють наступні типи люмінесценції:

· фотолюмінесценція (флюорисценція), викликана опроміненням в ультрафіолетовому (УФ) діапазоні

· катодолюмінесценція, збуджена потоком електронів

· рентгенолюмінесценція, збуджена рентгенівськими променями, залежить від сорту атомів, що складають мінерал і використовується для визначення хімічного складу мінералів;

· електролюмінесценція, збуджена електричним полем;

· термолюмінесценція, збуджена нагріванням више певного порогового значення;

· тріболюмінесценція, збуджена пружними коливаннями, ударом, тертям (галіт, сфалерит, флюорит, кварц)

Детальніше розглянемо явища флюорисценції, катодолюмінесценції та термолюмінесценції, котрі широко використовуються в мінералогічних дослідженнях.

Флюорисценціязумовлена дією факторів, подібних до тих, що викликають власне забарвлення мінералів. Це, перш за все, збудженням електронів фотонами УФ-випромінювання, енергія яких достатня для переходу електрону на зовнішню орбіту або ж для переміщення електрону від аніону до катіону (перенесення заряду). Новий стан електрону є високоенергетичним, тимчасовим і називається активованим стан. Чим вища енергія захопленого електроном фотону, тим вищу орбіту займає електрон. Повертаючись у попередній, стабільний, стан, електрон випромінює квант енергії, що, у випадку флюорисценції, відповідає певному діапазону видимого світла. Флюорисценція таким чином залежить як від будови електронних оболонок мінералотвірних атомів, так і від особливостей спектру УФ-випромінювання. Як було вказано в попередньому розділі, можливість переходу електронів із одного енергетичного рівня на інший найбільш легко реалізується в перехідних металів. Домішкові або ж мінералоутворюючі елементи, що зумовлюють флюорисценцію, називаються активаторами.

Активація може здійснюватись як короткохвильовим (254 нанометри), так і довгохвильовим (366 нм) УФ-світлом. Деякі мінерали флюоресціюють в обох діапазонах одинаковим або близькиім кольором, інші є світяться тільки в одному діапазоні, або ж виявляють різний характер флюорисцеції.

Рис. Ілюстрація перенесення заряду у шеєліту, як причина флюорисценції

Спектральні характеристики флюорисценції (кольорова гамма) визначаються співвідношенням вмістів елементів активаторів, і, відповідно, особливостями формування мінералу і можуть слугувати важливою типоморфною ознакою мінералу, що вказує на рудоносніть чи умови формування об’єкту.

Для прикладу розглянемо шеєліт – вольфрамат кальцію, який є важливою рудою вольфраму. В асоціації із ним може зустрічатись повеліт – молібдат кальцію, економічна вартість якого значно меньша. Обидва мінерали мають виразну флюорисценцію, видрізняючись за її кольорами: повеліт флюоресціює в жовтих тонах, а шеєліт – в голубих. Ця властивість використовується для експресної оцінки якості щеєліт-повелітових руд.

Найбільш виразно флюорисценція проявлена в отеніту

Залізо відіграє роль подавлювача флюорисценції. Для прикладу яскраво-червона флюоресценція кальциту, активатором якоїє Mn²⁺6 у випадку підвищення вмісту заліза в певних зонах темніє аж до повного зникнення

Свічення, що спостерігається деякий час після зняття зовнішнього випромінювання називається фосфорисценцією

Катодолюмінесценція виникає внаслідок збудження потоком електронів (в кварцу, кіаніту, та інших мінералів, що мають фотолюмінесценцію)

Cathodoluminescence petrography is now a routine technique that can provide essential information on provenance, growth fabrics, diagenetic textures and mineral zonation, in addition to enabling more precise quantification of constituents and fabrics. Without the support of CL spectroscopy, however, CL petrography can only remain a fabric analysis technique. Although subtle variations in CL color recorded on film give important information, describing luminescence intensity and color from a photographic record is a dubious and subjective affair. The actual CL color is determined by the number and type of emission and quenching centers present. Superposition of several luminescence bands of different intensities can provide quantitative dasta on the wavelength and intensity of luminescence and the nature of the luminescing centers. CL spectroscopy should become a standard technique used by the luminescence petrographer becuase it is the only means of recording CL colors and emission intensity objectively and quantitatively, in addition to providing unique information on the nature of luminescence centers.

Fig. Schematic representation of the energies produced from elecron beam interaction with solid matter.