Mineraler kan gløde

Hva er luminescens?

Luminescens er definert som utsendelse av lys av andre grunner enn varmestråling. Man kan kalle det «kaldt lys». 

Luminiescens må ikke forveksles med inkandescens, som er lysutsendelse som følge av opphetning (for eksempel rødglødende eller hvitglødende metall).

Luminescens i mineralriket - Fluorescens

I mineralriket er det mange måter luminescens kan oppstå på. Den mest kjente typen er antakelig den som kalles fluorescens. Andre typer luminescens i mineralriket er fosforescens, termoluminescens, triboluminescens og katodeluminescens.

Fluorescens

Ut fra hva man skulle tro av navnet har det ingenting med grunnstoffet fluor å gjøre, annet enn at fluormineralet fluoritt (flusspat) var det mineralet man først oppdaget dette fenomenet i.

Fluorescens opptrer ved at man bestråler et mineral med ultrafiolett lys (UV-lys), det kan være kortbølget, mellombølget eller langbølget UV-lys.

Ved bestråling vil noen mineraler gløde, ofte i en helt annen farge enn det som er fargen i naturlig lys. UV-lys er usynlig elektromagnetisk stråling som har kortere bølgelengde og mer energi enn synlig lys. Det som skjer er at elektronene som tar opp denne energien hopper ut til et skall lengre ut fra atomkjernen, vi sier at de blir eksiterte.

Elektroner som er eksitert er i en meget ustabil tilstand, og elektronet vil raskt falle tilbake til grunntilstanden. Idet dette skjer sendes det ut lys (fotoner) med en bestemt bølgelengde i spekteret for synlig lys. Det er denne fargen vi ser når mineralet gløder. Så lenge man bestråler mineralet vil elektroner hoppe frem og tilbake og gløden vedvarer. Tar man bort UV-kilden vil gløden umiddelbart forsvinne (egentlig varer den noen nanosekunder).

Fosforescens

Noen mineraler kan likevel fortsette å gløde etter at kilden er tatt bort. Dette kan vare noen hundredeler av et sekund opp til et par timer. Da snakker vi om egenskapen fosforescens.

Grunnstoffet fosfor er kjent for å gløde i mørket og har navngitt fenomenet, men paradoksalt nok er ikke fosforets glød et resultat av fosforescens, men noe som heter kjemiluminescens, som skyldes langsom oksidasjon under utsendelse av lys.

Fluorescens og fosforescens er to typer fotoluminescens, som er den typen luminescens som oppstår når man bestråler et objekt med elektromagnetiske bølger.

Elektroner påvirker mineralenes glød

Ved fluorescens slutter mineralet å gløde etter lyskilden er tatt bort. ved fosforescens vil mineralet fortsette å gløde. Dette har med svekningstiden til de eksiterte atomene å gjøre. 

Svekningstid

Svekningstiden under fluorescens er identisk med levetiden til eksiterte atomer, det vil si så å si lik null (det er snakk om ca. 10⁸-10⁷s). Ved fluorescens er hvert elektron paret med et elektron av motsatt spinn (↑↓), de får spinnverdiene ½ og -½, slik at spinnkvantetallet er null. Dette kalles en singlett-tilstand.

Ved bestrålingen med UV-lys hopper elektroner fra en singlett-grunntilstand (S₀) til en eksitert singlett-tilstand (som vi kan kalle S₁), og deretter tilbake til S₀ under utsendelse av lys.

Det som skjer under fosforescens er at elektronene eksiteres til en såkalt triplett-tilstand (som vi kan kalle T₁), der elektronpar har elektroner med parallelt spinn (↑↑), altså skjer det en endring av spinnkvantetallet, før elektronene faller tilbake til grunntilstanden (S₀) under utsendelse av lys.

Overgangen fra triplett-tilstanden tilbake til singlett-grunntilstanden er ifølge kvantemekanikken å regne som en såkalt «forbudt» overgang. Slike overganger forløper over lengre tid, og dette manifesteres ved en etterglød som kan vare alt fra mikrosekunder (fortsatt lengre tid enn ved fluorescens) til minutter.

Vedvarende fosforescens 

Noen mineraler kan gløde i flere timer. Hvor lenge et mineral gløder er avhengig av mekanismen som produserer fosforescens.

Det er to forskjellige mekanismer som kan produsere fosforescens. Den første, som involverer triplett-tilstand med endring i elektronspinn, er beskrevet over. Den andre kalles vedvarende fosforescens (eller bare vedvarende luminescens) og kan oppstå når eksiterte elektroner fanges inn i en krystalldefekt.

En slik defekt kan være et tomrom i krystallgitteret som kan oppstå ved at et atom forlater sin opprinnelige posisjon og plasserer seg et annet sted i krystallgitteret. Et slikt tomrom kan fange et eksitert elektron i en felle som lagrer elektronets energi inntil den blir utløst av termiske bevegelser (for eksempel vibrasjoner som følge av varme).

Mineralet kan da stråle ut lys som gradvis svekkes i intensitet i alt fra noen få sekunder til flere timer etter at strålingskilden er fjernet.

Andre typer luminescens

Fluorescens og fosforescens er ikke de eneste typene luminescens mineraler kan fremvise. 

Termoluminescens

Termoluminescens opptrer når noen mineraler varmes opp, men man behøver ikke varme opp til høyere temperaturer enn ca. 450 °C for at mineralet skal gløde i en karakteristisk farge som forandres lite om temperaturen økes.

Fluoritt er et mineral som ofte fremviser fenomenet. Årsaken til termoluminescens er at tidligere absorbert energi fra elektromagnetisk eller annen ioniserende stråling gjenutsendes som lys ved oppvarming av mineralet.

Man kan faktisk datere arkeologiske gjenstander (keramikk) ved hjelp av termoluminescens fordi intensiteten av strålingen kan korreleres til hvor lenge siden materialet er blitt utsatt for sollys eller oppvarming. Det vil over tid ha bygget seg et lager av frastøtte elektroner fra radioaktive isotoper, som gir en høyere intensitet jo lengre tid som er gått.

Triboluminescens 

Triboluminescens er en type lysutsendelse som opptrer som følge av friksjon når mineraler gnisses mot hverandre, utsettes for støt eller knuses. Man kan eksperimentere med dette i mørket ved for eksempel å ha to rullesteiner av kvarts, én i hver hånd, presse dem hardt mot hverandre og dra den ene langs overflaten til den andre omtrent som man tenner en fyrstikk, mens man opprettholder trykket. Da kan man av og til se et lysglimt i kvartsen.

Mange mineraler kan vise denne egenskapen, men man kan også bruke sukkerbiter til å demonstrere fenomenet. Årsaken til triboluminescens er ikke fullt ut forstått, men har trolig å gjøre med frigjøring av energi som følge av at kjemiske bindinger brytes.

Luminescens omgir oss

Luminescens er noe som omgir oss i dagliglivet og i naturen. Tenk på neonlys, glowsticks, selvlysende tall og visere på armbåndsur eller fyrverkeri. I gammeldagse fjernsynsapparater ble det utnyttet en type luminescens, katodeluminescens, for å få lys i skjermen.

Når du ser nordlys er det fordi elektroner fra solvinden kolliderer med elektroner i nitrogen- eller oksygenatomene i den øvre del av atmosfæren. Elektronene sendes til et høyere energinivå (eksiteres) før de faller tilbake til grunntilstanden og sender ut lys, akkurat som i eksemplene med fluorescens og fosforescens.

Det dominerende lyset i nordlys er gulgrønt, men det kan også være toner i rødt eller fiolett.

Bruk av luminescens i identifikasjon og søk etter mineraler

Tabellene nedenfor indikerer at forskjellige mineralers luminescens er avhengig av bølgelengden på UV-lyset man bruker i bestrålingen, både hva angår intensitet og farge.

Flere av mineralene, ikke minst kalsitt, kan ha mange forskjellige fluorescensfarger. Dette kan variere mye fra lokalitet til lokalitet, og det er sporstoffer som ofte styrer hvilken farge mineralet gløder med eller om det i det hele tatt gløder.

Fluorescens og fosforescens er dermed ofte ikke til å stole på i mineralidentifikasjon, men kan i noen tilfeller være nyttige egenskaper. Hvis man har en prøve der det er små korn av et fluorescerende mineral som kanskje ikke er så lett å få øye på i vanlig lys, kan bestråling med UV-lys lett bekrefte tilstedeværelsen.

Man kan også ha god nytte av en UV-lampe hvis man leter etter særskilte mineraler i en mørk gruvegang eller etter mørkets frembrudd.

Vedlegg. Luminescens-tabeller

Tabell 1. 

Fluorescens i et utvalg mineraler. Kun hovedfarger er tatt med.

Tabell 2. 

Andre typer luminescens i et utvalg mineraler.
SW=kortbølget, MW=mellombølget og LW=langbølget UV-lys.

Kilde til tabellene: Online Database of Luminescent Minerals, http://www.fluomin.org/uk/accueil.php