Világító (fluoreszkáló) ásványok

21. tárló

Miért világítanak az ásványok?

Normál (természetes vagy mesterséges), a spektrum látható tartományába (400-800 nm) eső hullámhosszúságú fényben az ásványok változatos színeket mutatnak. Ha az ásványt a spektrum más, nagyobb energiájú, azaz rövidebb – pl. RH (rövid) 254 nm vagy HH (hosszú) 365 nm - hullámhosszúságú, ibolyán túli (UV) fénnyel világítjuk meg, akkor egyes ásványok különböző színű fényt bocsáthatnak ki, azaz „világítanak.” Az ilyen ásványokat lumineszkáló, azaz „világító” ásványnak nevezzük, maga a jelenség pedig a fotolumineszcencia.

Ha a fényjelenség csak addig tart, amíg a gerjesztő sugárzás éri az ásványt, akkor fluoreszcenciáról beszélünk. Ha hosszantartóan megmarad, akkor foszforeszkálásról van szó.

Az alábbiakban a fluoreszkálással foglalkozunk.

Elméleti háttér

Az ásványok többsége szilárd, kristályos szerkezetű anyag. A kristályok kialakulása során azonban megtörténik, hogy a kristályrácsot felépítő atomok, ionok vagy molekulák szabályos rendjébe hiba csúszik, és ún. rácshibák alakulnak ki, amelyek következtében megváltozik az atomok elektroneloszlása. A rácshibák azért fontosak mert ezek felelősek az ásványok fotolumineszcens tulajdonságaiért. A kristályrácsnak azokat a hibahelyeit, amelyek a fénykeltés jelenségéért felelősek lumineszcencia centrumoknak (fényközpontoknak) vagy aktivátoroknak nevezzük.

Milyen aktivátorokat ismerünk?

Önaktivált ásványok – magát az ásványt felépítő egyik összetevő atom eleve aktivátor. Az ilyen ásványokat nevezzük önaktivált ásványoknak. Ilyen pl. a scheelit, a powellit, a stolzit, a wulfenit, illetve a másodlagos uránásványok közül az autunit és az uranocircit. Önaktiváltnak tartják továbbá a szodalitot és a szkapolitot is, amelyekben a diszulfid (-S-S-) csoport az aktivátor. A tapasztalat az, hogy általában az önaktivált ásványok lumineszkálnak a legintenzívebben, a lelőhelytől függetlenül.

Szennyezés aktiválta ásványok – a kristályrácsban keletkezett ponthibába olyan atom, ion vagy ioncsoport lép be, amely ott fénykibocsátó központként viselkedik. Az aktivátorként viselkedő atomok többsége a periódusos rendszer 3d, 5d, 4f és 5f mezőinek elemei közül kerülnek ki. Azt, hogy ezek az atomok hová tudnak beépülni - a rács közötti térbe vagy a rácspontokba -, azt az ionrádiuszuk és az elektromos töltésük dönti el.

Ha a rácsba beépülő nyomelem nem befolyásolja az anyaásvány elektronjainak energiaállapotát és emiatt az előidézett lumineszcencia nem függ a kristályszerkezettől, akkor ezek az atomok minden ásványban azonos színnel világítanak. Ilyenek pl. a kalcitba, a fluoritba, a mikroklinbe vagy a rubinba beépülő urán- és ritkaföldfém-ionok.

Egyes ásványokban az aktivátorok szerkezetfüggő lumineszcenciát mutatnak. Ennek oka az, hogy az aktivátorokat körülvevő atomok geometriája ásványtípusonként eltérő. Ilyet tapasztalunk a Mn2+ aktivátort tartalmazó kalcit, halit (kősó – NaCl) és willemit esetében.

Koaktivátorok – ahhoz, hogy az ásvány lumineszkáljon két feltételnek kell egyidejűleg teljesülnie:

  1. az anyag valamely komponense képes legyen a gerjesztő sugárzást abszorbeálni;

  2. a megkötött energiát vagy annak egy részét át tudja adni a fénykibocsátó aktivátornak anélkül, hogy azt hő formájában a környezetébe szétsugározná.

Ismerünk olyan ásványokat is, amelyekben két vagy több koaktivátor is közrejátszik a fluoreszcencia kialakulásában. Ilyenek a réz- és az indium aktiválta ásványok többsége, de ilyen a közismert szfalerit (ZnS), amely tiszta formában nem fluoreszkál. Viszont ha megfelelő mennyiségű réz és indium atom együttesen jelen van benne, akkor narancs vagy vörös színben fluoreszkál.

Rövid sávelméleti összefoglalás

A kristályos anyagok elektromos és optikai (lumineszcens) tulajdonságainak szempontjából két elektronsávnak van kiemelt szerepe: a vegyértéksávnak és a vezetési sávnak.

A vegyértéksáv a legkülső, legnagyobb energiájú, ún. vegyérték-elektronokkal betöltött sávot jelenti, míg a vezetési sáv az üres vagy elektronokkal csak részben betöltött sáv. A kettő között található az ún. tiltott sáv. Azért nevezik tiltottnak, mert ennek megfelelő energia értéket nem vehetnek fel a kristályrács elektronjai „rendes körülmények” között.

A kristályrácsba beépülő szennyező atomok (ionok) azonban új energiaszinteket hozhatnak létre éppen a tiltott sávban. Ezek az atom típusától függően vagy a vegyértéksávhoz közel helyezkednek el (aktivátornívók), vagy a félvezetők donornívójához hasonlóan a vezetési sávhoz közel hoznak létre megengedett energia szinteket, amelyeket elektroncsapdáknak nevezünk.

Az ásványok világító képessége tehát a vegyértéksáv betöltöttségétől, a tiltott sáv nagyságától (ΔE) és a szennyező atomok minőségétől függ, vagyis a tiltott sávban megjelenő új energiaszintek elhelyezkedésétől és számától.

A lumineszkálás folyamata röviden (309. ábra)

Az első lépésben az aktivátor atom egy UV-foton befogásával gerjesztődik és a vegyértéksáv egy alapállapotú elektronja kb. femtoszekundumnyi (10-15 s) idő alatt átlép a vezetési sáv valamely vibrációs szintjére (1 átmenet).

Lumineszcencia jelenség magyarázata

Az alapsávban (vonalkázott terület) visszamaradt pozitív töltésű lyuk a sáv felső széléhez, azután pedig az aktivátor atomok által a sáv felső széle közelében létrehozott nívók valamelyikére vándorol (1’ és 2’ folyamat).

Ennek következtében az aktivátor szintjén pozitív töltés alakul ki, a vezetési sávba jutott elektron pedig energiájának egy részét elveszítve, a sáv alsó szintjére kerül (2 folyamat).

Innen vagy közvetlenül emittálás közben rekombinálódhat a pozitív töltésű aktivátor-ionnal (31 folyamat), vagy befogódhat a vezetési sávhoz közel, illetve távolabb fekvő hibahelynívókba, csapdákba (32 és 33 folyamat).

A csapdákban az elektron hosszabb-rövidebb időt töltve pl. hőenergia közlése folytán visszajut a vezetési sávba (42 és 43 folyamat), majd emittálás közben rekombinálódik az aktivátor-ionnal (52 és 53 folyamat).

A valóságban a lumineszcencia folyamatok nagyon bonyolultak lehetnek, a fenti séma csak közelítő magyarázatnak tekinthető!

IRODALOM

Hollósy Ferenc 2013: Világító ásványok. előadás, elhangzott a Kutatók Éjszakáján, 2013. szeptember 27-én

Koch Sándor – Sztrókay Kálmán Imre 1986: Ásványtan I. kötet p.331; Tankönyvkiadó, Budapest