7.19: Люмінесценція
- Page ID
- 36996
Люмінесценція - це явище, яке проявляє себе як «світіння» дорогоцінного каменю. Це викликано поглинанням енергії і вивільненням надлишків цієї енергії в невеликих кількостях.
Джерелами енергії зазвичай є ультрафіолетове світло, рентгенівське світло і навіть видиме світло. Коли енергія надходить від світла, її називають фотолюмінесценцією.
У геммології ми, як правило, стосуються лише наступних типів люмінесценції:
- Флуоресценція
- Фосфоресценція
- Триболюмінесценція
- Тенепресценція (технічно не люмінесценція)
- Катодолюмінесценція
- Термолюмінесценція
Причини люмінесценції різноманітні, але здебільшого пов'язані з домішками («активаторами») або через дефекти кристалічної решітки. Загалом, присутність заліза всередині дорогоцінного каменю вбиває або пригнічує світіння.
Флуоресценція
Базовий
Флуоресценція - це випромінювання видимого світла дорогоцінним каменем при впливі електромагнітного випромінювання вищої енергії (коротша довжина хвилі). Коли дорогоцінний камінь піддається такому випромінюванню, електрони підвищуються до більш високого енергетичного стану, таким чином поглинаючи енергію. Якщо повернення в наземний стан включає енергетичне випромінювання, яке відповідає видимому світлу, утворюється флуоресценція. Таким чином, флуоресценція - це випромінювання видимого світла при впливі будь-якого випромінювання вищої енергії. У геммології найбільш поширеною енергією збудження для флуоресценції є ультрафіолетове світло.
Хоча деякі люди розуміють це як прискорення світла, це неправильно. (Також це не викликано уповільненням світла всередині дорогоцінного каменю, оскільки уповільнення призводить до коротших довжин хвиль, а не довших. Див. Рефракція).
Всі промені світла несуть певну кількість енергії. Світло з більш короткою довжиною хвилі має більш високу енергію. Ця енергія виражається в еВ (електронвольтах). Наприклад, червоне світло має енергію близько 1.8eV, тоді як фіолетове світло має 3.1eV енергії.
Коли втрата енергії ультрафіолетового світла (з енергією - скажімо, - 4еВ) становить 2,2 еВ, це призводить до 1.8eV, отже, червоне світло (4 - 2,2 = 1,8).
Немає фактичної «втрати» енергії, вона перетворюється в інші види енергії, такі як тепло.
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Спрощена схема, що показує причину флуоресценції
Це найкраще пояснити м'ячем, який кидається вгору на сходи.
Якщо ви кинули м'яч на сходи, цей рух вимагатиме енергії (енергії, що надходить від вашої руки). Припустимо, що куля тепер несе 4еВ енергії і цього якраз достатньо, щоб отримати його з наземного стану (1) на 3-ю дошку (4). Коли він потім падає з рівня 4 до рівня 3, він втратить частину цієї енергії (у цьому прикладі 0.5eV). Так що м'яч все ще має 3.5eV енергії. Потім він знизиться до рівня 2, втративши додаткові 0.3eV енергії. Після цього він знову впаде на землю, несучи лише 1.8eV енергії. Коли він знову досягає наземного стану, куля втрачає всю свою надлишкову енергію.
Тепер уявіть, що куля є електроном, а джерелом енергії (раніше ваша рука) є ультрафіолетове світло. Коли електрон отримує 4 еВ енергії від джерела ультрафіолетового світла, ми не можемо бачити його як світло (ми можемо бачити його лише тоді, коли він досягає 3.1eV, що відповідає фіолетовому світлу), отже, він втрачає все більше енергії, коли він падає рівень за рівнем. Коли він досягає рівня 2, він має енергію 1.8eV, що відповідає червоному світлу, тому електрон тепер випромінює червоне світло.
Поки енергія подається електронам (у вигляді УФ-світла), цей процес є безперервним, і цей процес займає лише частку секунди (фемтосекунда або 10 -15 секунд). Скільки енергії, необхідної для дорогоцінного каменю для флуоресценції варіюється від каменю до каменю, для Ruby, що 3eV і пояснює, чому кращі рубіни, здається, світяться як гаряча котушка при денному світлі.
Не всі дорогоцінні камені покаже це явище, і ці дорогоцінні камені втрачають додаткову енергію іншим способом.
Тривалість життя флуоресценції відносно джерела ультрафіолетового світла, а це означає, що якщо ви вимкнете джерело світла, флуоресценція зникне.
Малюнок\(\PageIndex{2}\): Електромагнітний спектр і місце ультрафіолету
Для щоденного використання ми використовуємо два різних типи ультрафіолетового світла:
- Короткохвильове ультрафіолетове світло, або S-UV (з довжиною хвилі близько 254 нм)
- Довгохвильове ультрафіолетове світло, або L-UV (з довжиною хвилі близько 366 нм)
Попередження: Використовуючи ультрафіолетове світло, обов'язково захистіть очі, оскільки вони пошкоджують! Особливо це стосується S-UV.
Деякі кольори, які можна побачити в УФ-оглядовому шафі:
| Таблиця\(\PageIndex{1}\): Флуоресценція | ||
|---|---|---|
| Л-УВ | С-УВ | Випускається колір |
| Слонова кістка | Синт. Біла Шпінель | Білий |
| Опал | ||
| Рубін | Червоний | |
| Червона шпінель | ||
| синтезатор. Смарагдовий | ||
| Нат. синій сапфір | ||
| Олександрит | ||
| Кунзіт | Помаранчевий | |
| Лазурит | ||
| Содаліт | ||
| Циркон | Циркон | Жовтий |
| Топаз | ||
| Апатит | Зелений | |
| Діамант | Синт. Біла Шпінель | Синій |
| Місячний камінь | ||
| Флюорит | Фіолетовий | |
Гемологічне застосування лазерних покажчиків
Останнім часом лазерні покажчики та УФ-світлодіоди стали комерційно доступними в діапазоні довжин хвиль УФ з кроком близько 20 нм.
Почалася дискусія щодо геммологічного застосування цих пристроїв, зокрема лазерної указки, що випромінює промінь 405 нм. Ці покажчики різко впали в ціні і в даний час доступні менш ніж за $40 США. Потрібно завжди використовувати крайню обережність при використанні лазерних покажчиків, оскільки вони можуть спричинити серйозні пошкодження очей. Захисні окуляри доступні. Окуляри недорогі і обов'язкові для використання при експериментах з лазерною вказівкою. Звичайно, можна також робити спостереження за допомогою лазерної указки в своїх старих УФ-шафах для безпеки.
Спостереження такі:
| Рисунок\(\PageIndex{2}\): Спостереження повідомили за допомогою лазерної указки 405 нм | ||
|---|---|---|
| Дорогоцінний камінь | Реакція | Ймовірна причина |
| Кубічний цирконій (безбарвний) |
інертний | |
| Алмаз (колір D через O-P) |
Синій від м'якого до сильного | |
| Смарагд (натуральний) | Червоне сяйво | Кольорові хромом |
| Смарагд (натуральний) | інертний | Кольорові ванадієм |
| Жадеїт (натуральний, необроблений) | інертний | |
| Рубін (натуральний і синтетичний) | Інтенсивне червоне сяйво | Кольорові хромом |
| Сапфір (синій натуральний і синтетичний) | Зазвичай інертний до слабкого, розсіяного синього кольору | Кольорові переважно залізом |
| Сапфір (синій натуральний) | Червоний: від помірного до інтенсивного | Автомобільний підшипник синій шрі-ланкійський нат. сапфіри |
| Сапфір (Фіолетовий і фіолетовий натуральний) | Червоний: від помірного до інтенсивного | Підшипник Cr |
Розширений
Техніка схрещених фільтрів
Малюнок\(\PageIndex{3}\): Розчин сульфату міді в колбі і червоному фільтрі
Техніку «схрещених фільтрів» не слід плутати з «схрещеними полюсами» або «схрещеними поляроїдами», оскільки вони мають відношення до поляризації, а не люмінесценції.
Колбу заповнюють водним мідним купоросом і пропускають через розчин біле світло. Вихідним світлом буде синій колір. Під час освітлення дорогоцінного каменю цим синім світлом між оком спостерігача і каменем поміщається червоний фільтр. Коли камінь виглядає червоним, якщо дивитися через червоний фільтр, це явний доказ того, що камінь флуоресцентний при денному світлі.
Активатором у дорогоцінному камені, який викликає це, є наявність хрому (Cr) у кристалічній решітці, і цей ефект переважно спостерігається в Рубін, Олександрит, Смарагд, червоний Шпінель та рожевий топаз. Слід зазначити, що залізо (Fe) може сильно зменшити або повністю усунути цей ефект флуоресценції. Оскільки синтетичні матеріали зазвичай несуть більше Cr і мало Fe, це світіння червоного світла інтенсивніше, ніж у їх природних аналогів (загалом).
Клопоту з перенесенням водного мідного купоросу, на щастя, усувається винаходом синіх світлодіодних кишенькових (або брелокових) факелів, які можна придбати всього за кілька доларів США у вашому місцевому магазині обладнання. Можна використовувати аркуш червоного селенового скла як червоний фільтр, або навіть ваш кольоровий фільтр Челсі. Інші листи, такі як пластмаси, також можуть служити перехрещеними фільтрами.
За допомогою аркуша синього матеріалу перед джерелом світла можна імітувати розчин мідного купоросу та/або світлодіодний ліхтарик.
Використовуючи один і той же джерело світла в поєднанні зі спектроскопом, можна легко розрізнити рубін і червоний Шпінель.
| Таблиця\(\PageIndex{3}\): Зв'язок між довжиною хвилі та квантовою енергією | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| <— довжина хвилі — | |||||||
| довжина хвилі | 800 нм | 700 нм | 600 нм | 500 нм | 400 нм | 300 нм | 200 нм |
| енергетика | 1.55 еВ | 1.77 еВ | 2.07 еВ | 2.48 еВ | 3.1 еВ | 4.13 еВ | 6.2 еВ |
| — енергія —> | |||||||
Фосфоресценція
Базовий
Фосфоресценція схожа на флуоресценцію, але відрізняється «життям» світіння згасає. У фосфоресцентних матеріалах світіння, а краще «післясвітіння», може коливатися від частки секунди до декількох годин (хоча останнього зазвичай не спостерігається у мінералів).
Малюнок\(\ PageIndex {4}\): Діаграма «пастки»
Коли електрон отримує достатню кількість енергії від джерела енергії, як УФ-світло, електрон перескочить з основного стану (1) до більш високого енергетичного рівня (4). Електрон потрапить у щілину (2), а не на енергетичний рівень трохи нижче 4 (3).
В результаті електрон опиниться «в пастці» в зазорі і потребує додаткової енергії (також забезпечується джерелом ультрафіолетового світла), щоб вискочити. У той час як джерело енергії УФ живить електрони, флуоресценція видно, але коли джерело вимикається, електрони залишаються в пастці, поки не буде забезпечена інша енергія, щоб звільнити їх.
Енергія, необхідна для виведення електрона з пастки, надходить від білого світла (з тепловою енергією, або теплом при кімнатній температурі).
Оскільки біле світло не несе стільки енергії, скільки УФ-світло, вивільнення електрона йде повільніше, створюючи таким чином післясвітіння. У цей період явище носить назву фосфоресценції.
Можна подивитися на звільнення електрона як на «відбілювання».
Тенебресценція (див. Нижче) також можна пояснити цим, але енергія, необхідна для звільнення електрона, вища. Ви можете візуалізувати його як більш глибокий розрив, якщо хочете.
Триболюмінесценція
Триболюмінесценція викликана тиском, тертям або механічним навантаженням будь-яким способом, нанесеним на дорогоцінний камінь.
На відміну від флуоресценції, фосфоресценції та тенебресценції, триболюмінесценція не викликана світлом, отже, її не слід називати фотолюмінесценцією. Натомість це результат електричних зарядів, отже, електролюмінесценції.
Цей ефект зазвичай спостерігається при алмазному різанні. Коли алмаз розпилюють або сколюють, електричні заряди вириваються з каменю і тут же рекомбінуються, показуючи червоне або синє світіння.
Тенепресценція
Хоча тенебресценція технічно не є люмінесценцією, вона має деякі загальні характеристики з фосфоресценцією. Технічно тенебресценція - це нестійкий колір, викликаний штучним опроміненням низької енергії (утворюючи центр кольору) від джерела ультрафіолетового світла.
Основна відмінність між люмінесценцією та тенебресценцією полягає в тому, що флуоресцентний або фосфоресцентний камінь буде світитися в темряві, тоді як тенебресцентний дорогоцінний камінь потребує світла, щоб показати свій колір. Більш технічно: тенебресцентний камінь потребує зовнішнього джерела енергії (світла), щоб показати свій колір, тоді як люмінесценція - це вивільнення «накопиченої» енергії.
У 1896 році яскраво-рожевий сорт содаліту був виявлений в Гренландії Л.К. Рожевий колір цього незвичайного содаліту вицвітав до безбарвного при впливі світла. Содаліт повернеться до свого первісного рожевого кольору, коли його поміщають в темряві протягом тривалого періоду часу, або при впливі короткохвильового ультрафіолету. Таке перетворення можна повторювати нескінченно. Тенебресценція визначається мінералами, які здатні здійснити цю трансформацію кольору; мінерали, які демонструють здатність змінювати колір таким чином, називаються тенебресцентними. Тенебресценція - це властивість, що деякі мінерали та люмінофори показують потемніння у відповідь на випромінювання однієї довжини хвилі, а потім оборотне відбілювання при впливі на іншу довжину хвилі. Дуже мало мінералів демонструють це явище, також відоме як оборотний фотохромізм, слово, яке стосується сонцезахисних окулярів, які змінюють щільність кольору під впливом сонячного світла.
Содаліт, який показує таку поведінку, отримав назву сорту хакманіт. Рожевий колір у цього мінералу нестійкий, оскільки він дуже швидко вицвітає при впливі світла.
Інші приклади мінералів, які втрачають або набувають кольору під впливом світла, є:
Тугтупіт — деякі світлі сорти тугтупіта, особливо блідо-рожевий матеріал — посилиться в кольорі в результаті впливу короткохвильового УФ або навіть під сильним сонячним світлом (але не штучним світлом).
Сподумен дозволить домогтися затемнення кольору до рожевого або фіолетового з впливом високоенергетичного випромінювання.
Діаманти хамелеонів - це алмази оливкового кольору, які тимчасово змінюють колір після зберігання в темряві або при м'якому нагріванні. Діаманти хамелеонів відображають відтінки та тони від світлого до темно-оливкового (стабільна кольорова фаза) через світлий до середньо-жовтого (нестабільна колірна фаза). Через один-два дні в темряві вплив світла змінює колір діаманта-хамелеона з нестійкого жовтого кольору назад до стійкого оливкового. Це спостерігається як нескінченно повторюваний процес.
Повідомляється, що аметисти з Глобуса, Арізони та деяких топазів шеррі втрачають свій колір на сонці, але в цьому випадку втрата кольору незворотна.
Білий барит з шахти Гаскін в графстві Пап, штат Іллінойс, зміниться на синій, а жовтий барит зміниться на сіро-зелений при впливі ультрафіолету.
Рожевий колір хакманіта може бути відновлений двома способами. Один із способів - залишити зразок у темряві на кілька годин до декількох тижнів, а інший - вплив ультрафіолету. Короткохвильовий ультрафіолет є найбільш ефективним для цієї мети. Швидкість, з якою це досягається, і глибина досягнутого кольору варіюється від зразка до зразка.
    |
Малюнок\(\PageIndex{5}\): Тенебрисценція
У деяких екземплярів потрібно тривалий вплив ультрафіолету для отримання слабкого ступеня рожевого кольору. В інших примірниках вплив короткохвильового ультрафіолету практично миттєво дасть рожевий колір. В останніх зразках додаткове вплив ультрафіолету протягом декількох хвилин до декількох годин призведе до отримання глибокого рожевого до малиново-червоного кольору, в якому видно слабкий синій компонент. Це можна побачити у деяких екземплярів з Мон-Сен-Ілер і Хібіна. Якщо зразок потім покласти в темряві, темно-червоний колір буде проявляти фосфоресценцію, також відому як «післясвітіння». Видиме світло (довжини хвиль між 480-720 нанометрів) швидко переверне процес і знову зробить зразок безбарвним.
Цей фотохромний ефект може повторюватися нескінченно довго, хоча будь-яке нагрівання мінералу руйнує тенебресценцію назавжди.
Дослідження показують, що F-центри принаймні частково є причиною тенебресценції в хакманіті. Термін F-центри походить від німецького слова Farbe, що означає колір. F-центр - це дефект іонної решітки, який виникає, коли аніон виходить як нейтральний вид, залишаючи порожнину і негативний заряд позаду. Цей негативний заряд потім ділиться сусідніми позитивними зарядами в решітці. F-центри відповідають за фарбування різноманітних мінералів, включаючи флюорит і барит. (Нассау, 1983) У хакманіті пропонується, що деякі негативно заряджені атоми хлору відсутні. Негативний електричний заряд потрібно на таких вакансіях, щоб забезпечити баланс заряду, а будь-які вільні електрони поблизу притягуються до таких вакансій і потрапляють там в пастку. Такий захоплений електрон є типовою основою F-центру. Схоже, що цей центр у хакманіті поглинає зелене, жовте та помаранчеве світло та різну кількість синього. Коли хакманіт видно в білому світлі, червоний і трохи синього повертаються в очі, надаючи хакманітові кольори.
Мінерал може виробляти певний колір, який залежить від різних, але фіксованих розташування електронів (Нассау, 1983). Хакманіт поглинає енергію ультрафіолетового випромінювання, і багато електронів застряють у новому, високоенергетичному положенні в атомах (F-центрах), внаслідок чого мінерал має інший колір при включенні світла джерела ультрафіолетового світла. Але коли ми включаємо світло кімнати, новий колір тьмяніє. Біле світло (видимий спектр) також заряджає електронами, тільки не так сильно, як ультрафіолетове світло. Біле світло має необхідну енергію, щоб «відклеїти» електрони від F-центрів, повертаючи тим самим мінерал до безбарвного.
Досить недавня знахідка (2005) в Бадахшані, Афганістан - це десятирічний скаполіт. Цей безбарвний до сріблястий матеріал розкопується поблизу відкладень хакманіту і демонструє колір аквамарину після впливу ультрафіолетового світла SW. Інтенсивність цього кольору (синього) залежить від тривалості часу, який він піддався впливу ультрафіолетового освітлення.
Вплив ультрафіолетової лампи UVP UVG4 SW протягом 15 хвилин викликав майже аквамариновий синій колір Санта-Марія, який поступово вицвітав протягом наступних 10-15 хвилин при природному денному світлі.
Катодолюмінесценція
Катодолюмінесценція - ще один тип люмінесценції, який має певне значення в геммології. Це випромінювання енергії, яка може мати характерний спектр матеріалами, які знаходяться в електронному пучку. Найбільш звичною формою катодолюмінесценції (часто скорочено КЛ) є світло, що випромінюється екраном відеомонітора. Якщо ви подивитеся на червоні зелені та сині точки, ви бачите характерні спектри трьох різних люмінофорів. У монохромному моніторі, який може мати майже будь-який колір, включаючи білий, це єдиний люмінофор, який збуджується в електронному пучку.
CL збуджується в спеціальних камерах CL, а також в електронних мікроскопах, які вже мають електронний промінь під рукою. З давніх-давен використовується мінералогами. Електронний промінь вище за енергією, ніж короткохвильові УФ або рентгенівські промені, всі з яких можуть бути використані для збудження більш звичайної флуоресценції. Багато синтетичних алмазів показують характерні лінії росту при катодолюмінесцентному дослідженні. Це передовий або дослідницький метод геммології.
Термолюмінесценція
Флюорит може накопичувати енергію від УФ-випромінювання, і коли мінерал нагрівається, він вивільнить частину цієї енергії через люмінесценцію.
Джерела
- Геммологія 3-е видання (2005) - Пітер Читати
- Програма дипломів Gem-A (1987)
- Перехрещені фільтри переглянуто - D.B.Hoover і B. Williams, Журнал геммології, липень/жовтень 2005
- Звіт про стан дорогоцінних каменів з Афганістану - дорогоцінні камені та геммологія, зима 1985 року, Гері Бауерсокс
- Оновлення на Hackmanite - дорогоцінні камені та геммологія, зима 1989, Gem News
- Фізика та хімія кольору - Курт Нассау, 1983
- Введення в гірські породи, що утворюють мінерали - олень, Хауї та Цуссман 1966
- Hackmanite - Брошура, поставлена компанією SocalNevada, на Хакманіті з Кольського півострова, Росія
- Витоки кольору в мінералах - Курт Нассау, Американський мінералог Том 63, стор. 219-229, 1978 [1]
Зовнішні посилання
- Діаграма Яблонського
- Основні поняття в флуоресценції
- www.minershop.com/html/tenebrescense.html
- luminousminerals.com/Гренландія/tenebrescence.shtml
- Класифікація Хакманіту з локалітами