Флуоресцентные минералы
Что такое флуоресцентный минерал?
Все минералы обладают способностью отражать свет. Именно это делает их видимыми для человеческого глаза. Некоторые минералы обладают интересным физическим свойством, известным как «флуоресценция». Эти вещества обладают способностью временно поглощать небольшое количество света и мгновенно выпускать его с другой длиной волны. Такое изменение длины волны вызывает временную перемену цвета минерала.
Изменение цвета флуоресцентных минералов наиболее впечатляет, когда они освещены в темноте ультрафиолетовым светом (невидимым для людей).
Детально о флуоресценции
Флуоресценция в минералах происходит, когда образец освещается с определенной длиной волны света. Ультрафиолетовый (УФ) свет, рентгеновские лучи и катодные лучи являются типичными видами света, которые вызывают флуоресценцию. Эти типы света обладают способностью возбуждать чувствительные электроны в атомной структуре минерала. Возбужденные электроны временно подпрыгивают до более высокой орбиты внутри атомной структуры минерала. Когда эти электроны возвращаются к своей первоначальной орбите, небольшое количество энергии выделяется в виде света. Такой процесс выброса света известен как флуоресценция.
Длина волны света, выделяемого из флуоресцентного минерала, часто заметно отличается от длины волны падающего света. Это приводит к заметному изменению цвета минерала. Свечение продолжается до тех пор, пока минерал освещается светом соответствующей длины волны.
Сколько минералов светится в УФ-свете?
Большинство минералов не имеют заметной флуоресценции. Только около 15% минералов имеют свечение, которое видят люди, а другие образцы этих минералов не будут светиться. Флуоресценция обычно возникает, когда в минерале присутствуют определенные примеси, известные как «активаторы». Эти активаторы обычно представляют собой катионы металлов, таких как: вольфрам, молибден, свинец, бор, титан, марганец, уран и хром. Известно, что редкоземельные элементы, такие как европий, тербий, диспрозий и иттрий, способствуют возникновению явления флуоресценции. Свечение минералов также может быть вызвано структурными дефектами кристаллов или органическими примесями.
Некоторые примеси погашают флуоресценцию. Если железо или медь присутствуют в виде примесей, они могут уменьшить или исключить флуоресценцию. Кроме того, если активатор-минерал присутствует в больших количествах, это может понизить эффект флуоресценции.
Большинство минералов светятся одним цветом. Другие минералы имеют несколько цветов флуоресценции. Известно, что кальцит светится красным, синим, белым, розовым, зеленым и оранжевым. Некоторые минералы обладают несколькими цветами флуоресценции в одном образце. Это могут быть полосатые минералы, которые демонстрируют несколько стадий роста из исходных растворов с изменяющимися составами. Многие минералы флуоресцируют один цвет под коротковолновым УФ-светом и другой цвет под длинноволновым УФ-светом.
Флюорит: оригинальный «флуоресцентный минерал»
Одним из первых людей, наблюдавших флуоресценцию минералов, был Джордж Габриэль Стокс в 1852 году. Он отметил способность флюорита вырабатывать синее свечение при освещении невидимым светом «за фиолетовым концом спектра». Он назвал это явление «флуоресценцией». Это определение получило широкое признание в области минералогии, геммологии, биологии, оптики, коммерческого освещения и многих других областях.
Большинство образцов флюорита имеют достаточно сильную флуоресценцию. Наблюдатель может вытащить их наружу, подержать на солнечном свете, затем переместить в тень и увидеть изменение цвета минерала. Только несколько минералов имеют этот уровень флуоресценции. Флюорит обычно светится сине-фиолетовым цветом под коротковолновым и длинноволновым светом. Известно, что некоторые образцы накапливают кремовый или белый цвет, но многие из них не флуоресцируют. Предполагается, что свечение во флюорите обусловлено присутствием в качестве активаторов иттрия, европия, самария или органического материала.
Флуоресцентные жеоды?
Вы можете быть удивлены, узнав, что были найдены жеоды (геологическое образование) с флуоресцентными минералами внутри. Некоторые из жеодов, обнаруженных вблизи сообщества Дагвей, штат Юта, заполнены халцедоном, который производит лимонно-зеленую флуоресценцию, вызванную присутствием следов урана.
Эти жеоды удивительны по другой причине. Они образовались несколько миллионов лет назад в газовых карманах археолита. Затем, около 20 000 лет назад, были разрушены воздействием волн вдоль береговой линии ледникового озера и перенесены на несколько миль туда, где осели в озерных отложениях. Сегодня люди выкапывают эти жеоды и пополняют ими геодезические и флуоресцентные коллекции минералов.
Лампы для рассматривания флуоресцентных минералов
Лампы, которые используются для поиска и изучения флуоресцентных минералов, отличаются от новых ультрафиолетовых ламп (называемых «черными лампами»). Эти новинки не подходят для изучения минералов по двум причинам:
1) они излучают длинноволновый ультрафиолетовый свет (большинство флуоресцентных минералов реагируют на коротковолновый ультрафиолет);
2) лампы излучают значительное количество видимого света, что мешает точному наблюдению, и не является проблемой для использования новинки.
Научные лампы выпускаются с различным диапазоном длин волн. Лампы, используемые для изучения минералов, имеют фильтр, позволяющий пропускать ультрафиолетовые волны, но блокирует наиболее видимый свет, который будет мешать наблюдению. Эти фильтры являются дорогостоящими и частично отвечают за высокую стоимость научных ламп.
Для тщательного изучения флуоресцентных минералов предлагается 4-ваттная УФ-лампа с маленьким фильтрующим окном и небольшая коллекция коротковолновых и длинноволновых флуоресцентных образцов минералов.
Безопасность УФ-лампы
Ультрафиолетовые волны света присутствуют в солнечном свете. Длина этих волн может вызвать солнечный ожог. Ультрафиолетовые лампы производят такую же длину волн света, как и коротковолновые ультрафиолетовые лучи, которые блокируются озоновым слоем атмосферы Земли.
Небольшие ультрафиолетовые лампы с мощностью всего в несколько ватт безопасны для коротких периодов использования. Пользователь не должен смотреть в лампу, светить ею непосредственно на кожу, лицо человека или на домашнее животное. Заглядывание в лампу может вызвать серьезную травму глаз. Воздействие света ультрафиолетовой лампы на вашу кожу может вызвать солнечный ожог.
При использовании любой УФ-лампы следует надевать защиту для глаз. Недорогие УФ-блокирующие защитные очки обеспечивают надежную защиту при использовании ультрафиолетовой лампы низкого напряжения в течение непродолжительного времени исследований.
Предметы защиты от воздействия ультрафиолетовых ламп, используемых для исследований флуоресцентных минералов, не следует путать с теми, которые продаются с «черными лампами». Такие лампы излучают низкоинтенсивное длинноволновое УФ-излучение, которое может вызвать солнечные ожоги и повреждения глаз. Вот почему лампы для изучения минералов следует использовать с более тщательной защитой глаз, чем «черные лампы».
Ультрафиолетовые лампы, которые используются для освещения больших поверхностей минералов или для полевых работ на открытом воздухе, имеют гораздо более высокое напряжение, чем небольшие УФ-лампы. Следует использовать защиту глаз и одежду, которая закрывает ноги и руки, при работе с высоковольтными лампами.
Практическое использование флуоресценции минералов и горных пород
Флуоресценция имеет практическое применение в горной промышленности, геммологии, петрологии и минералогии. Минеральный шеелит и руда вольфрама обычно имеет ярко-синее свечение. Геологи, которые ищут шеелит и другие флуоресцентные минералы, используют для поиска ночью ультрафиолетовые лампы.
Ученые в нефтегазовой промышленности иногда исследуют буровые шламы и стержни с УФ-лампами. Небольшое количество масла в скважинах породы и минеральных зерен, будет светиться под ультрафиолетовым светом. Цвет флуоресценции может указывать на термическую зрелость масла. Более темные цвета указывают на тяжелые масла, а более светлые — на легкие масла.
Люминесцентные лампы могут использоваться в шахтах для выявления и отслеживания рудоносных пород. Они также применялись на линиях сбора для быстрого обнаружения ценных кусков руды и отделения их от отходов.
Многие драгоценные камни бывают флуоресцирующими, такие как рубин, кунцит, алмаз и опал. Это свойство иногда можно использовать для обнаружения мелких камней в отложениях или раздробленной руде и для поиска минералов на местности. Например: светло-желтые алмазы с синей флуоресценцией добываются на шахте Премьер в Южной Африке, а бесцветные камни с синей флуоресценцией вырабатываются шахтой Ягерфонтеэн в Южной Африке. Камни, добытые в этих шахтах, называются «Премьеры» и «Яги».
В начале 1900-х годов многие торговцы алмазами искали камни с яркой синей флуоресценцией. Они полагали, что эти камни будут казаться более бесцветными (менее желтыми), если смотреть на них в свете с высоким содержанием ультрафиолета. Это в конечном итоге привело к контролю условий освещения для алмазов при сортировке по цвету. Флуоресценция обычно не используется при идентификации минералов. Большинство минералов не флуоресцирует, и это свойство непредсказуемо. Хорошим примером является кальцит. Некоторые кальциты не светятся. А другие их образцы флуоресцируют свечение в различных цветах, включая красный, синий, белый, розовый, зеленый и оранжевый. Флуоресценция редко является диагностическим свойством.
Книги о флуоресцентных минералах
Две отличные вводные книги о флуоресцентных минералах: «Сбор флуоресцентных минералов» и «Мир флуоресцентных минералов» написаны Стюартом Шнайдером. Эти книги доступны для понимания и каждая из них имеет фантастическую коллекцию цветных фотографий. Иллюстрации показывают флуоресцентные минералы при нормальном освещении и при освещении ультрафиолетового излучения разных волн. Книги отлично подходят для изучения флуоресцентных минералов и служат ценными справочниками.
Другие свойства люминесценции
Флуоресценция является одним из нескольких свойств люминесценции, которые может проявлять минерал. Другие свойства люминесценции включают:
Фосфоресценция
При флуоресценции электроны, возбуждаемые входящими фотонами, поднимаются до более высокого энергетического уровня. Остаются там в течение доли секунды, прежде чем вернуться в исходное состояние и выпустить флуоресцентный свет. В фосфоресценции электроны остаются в возбужденном состоянии в течение большего количества времени перед падением. Минералы с флуоресценцией прекращают светиться при выключении источника света. Минералы с фосфоресценцией могут светиться в течение короткого времени после отключения источника света. К минералам, которые иногда фосфоресцируют, относятся: кальцит, целестит, колманит, флюорит, сфалерит и виллемит.
Термолюминесценция
Термолюминесценция — это способность минерала выделять небольшое количество света при нагревании. Этот нагрев может составлять от 50 до 200 градусов по Цельсию — намного ниже температуры накаливания. Апатит, кальцит, хлорофан, флюорит, лепидолит, скаполит и некоторые полевые шпаты иногда являются термолюминесцентными.
Триболюминесценция
Некоторые минералы будут излучать свет под воздействием механической энергии. Эти минералы светятся, когда их ударяют, дробят, царапают или ломают. Свечение является результатом нарушения связей в структуре минералов. Количество выделяемого света очень мало, и часто требуется тщательное наблюдение в темноте. Минералы, которые иногда проявляют триболюминесценцию, включают амблигонит, кальцит, флюорит, лепидолит, пектолит, кварц, сфалерит и некоторые полевые шпаты.
