Kategorier
Uncategorized

Mineraler kan gløde!

Du vet kanskje at enkelte dyr kan gløde i mørket, for eksempel sankthansormer og ildfluer, og at noen fisker (dyphavsmarulker) som lever på havets dyp, har lysende lykter. Det du kanskje ikke visste er at mineraler også kan gløde under bestemte omstendigheter. Hvordan kan dette oppstå? Velkommen til temaet luminescens.

Hva er luminescens?

Luminescens er definert som utsendelse av lys av andre grunner enn varmestråling. Man kan kalle det «kaldt lys». Det må ikke forveksles med inkandescens, som er lysutsendelse som følge av opphetning (f.eks. rødglødende eller hvitglødende metall). Den typen luminescens man kan observere i levende organismer kalles bioluminescens. I mineralriket er det mange måter luminescens kan oppstå på. Den mest kjente typen er antakelig den som kalles 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. Da 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. Dette er 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). 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.

Fluorescens i willemitt (grønn) og kalsitt (rødoransje). Mineralene har egentlig henholdsvis en lys brun og hvit farge. © Tor Sigvald Johansen

Elektroner påvirker mineralenes glød

Fosforescens er litt vanskeligere å forklare enn fluorescens. Hvorfor vedvarer gløden en tid etter at man har tatt bort energikilden? Hvorfor er svekningstiden, som det heter, lenger? Svekningstiden under fluorescens er identisk med levetiden til eksiterte atomer, det vil si så å si lik null (det er snakk om ca. 10-8-10-7 s). 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. Hvorfor hender det da at gløden kan vare i timer?

Jablonski-diagram som viser de forskjellige mekanismene (med og uten lysutsendelse) når et atom blir eksitert. De horisontale svarte linjene er energinivåer. Bølgepilene indikerer overganger uten lysutsendelse, de gule er vibrasjonsrelaksasjon (tap av vibrasjonsenergi til omgivelsene). Intern konversjon (IC, grå bølgepiler) er overganger uten endring av elektronspinn, mens systemkryssing (ISC, fiolette bølgepiler) innebærer overgang fra singlett- til triplett-tilstand, og en forutsetning for at fosforescens kan finne sted.

Det er to forskjellige mekanismer som kan produsere fosforescens. Den første, som involverer triplett-tilstand med endring i elektronspinn, har jeg beskrevet. 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 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 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.

Tillegg: Luminescens-tabeller.

MineralFarge i kortbølget UV-lys (254 nm)Farge i mellombølget UV-lys (320 nm)Farge i langbølget UV-lys (365 nm)
AdamittGulgrønn (sterk)GulgrønnGulgrønn
Agat (variant av kvarts)Gulhvit, blekgul, grønn Grønn, blåhvit, gulhvit
AlbittRød (svak)Rød (meget svak)Rød (meget svak)
AlunittGulhvit Gulhvit
AmblygonittGulhvit Gulhvit
AnalcimGrønn, blåhvit, gulhvitGrønn, blåligGrønn, gul, hvit
AnglesittOransjegul Gul
AntofyllittRosa (sterk)RosaRosa (sterk)
Apatitt-FOransjegul (sterk)Fiolett (middels)Blekgul (svak)
Apofyllitt-FGrønnligBlåGulhvit
Apofyllitt-OHHvit (svak) Grønn
AragonittBlåhvit (middels)RosaGulhvit (sterk)
AutunittGulgrønn (middels)Gulgrønn (sterk)Gulgrønn (sterk)
Axinitt-MgRød Rød
Axinitt-MnRød (middels)Rød (meget svak)Rød (svak)
BaryttGulhvit (middels)Gulhvit (middels)Gulhvit (middels)
BenitoittBlåhvit (meget sterk) Rød (svak)
BrucittBlåhvit (svak)BlåhvitBlåhvit (svak)
CerussittGul (middels)Gul (middels)Gulhvit (svak)
ChondrodittGul (sterk) Gulaktig (meget svak)
ColemanittBlåhvit Blåhvit
CølestinBlåhvitBlåhvitBlåhvit
DatolittBlekgulGulhvitGulhvit
Diamant  Blå (sterk)
DiopsidBlå (sterk) Blå (svak)
DumortierittBlåhvit (middels) Gulhvit
EttringittBlåhvit Gulhvit
FluorittBlå (middels)Blå (middels)Blå (meget sterk)
FosgenittOransje Gul
GipsBlåhvit (middels) Gulhvit (middels)
Halitt (steinsalt)Rød (middels)Rød (middels)Oransjerød (middels)
HardystonittBlåfiolett (middels)Blåfiolett (middels)Blåfiolett (svak)
HemimorfittBlåGulhvitGulhvit
HowlittOransje Oransje
HydrosinkittBlåhvit (meget sterk) Oransje (svak)
KalsittBlå (sterk)Rød (sterk)Rosa (sterk)
LaumontittGulhvit Gulhvit
MagnesittBlåhvit Gulhvit
MesolittGul Hvit
MikroklinRød (middels)Blå (svak)Grønn (svak)
NatrolittGrønn (sterk)Grønn (middels)Grønnhvit (svak)
NorbergittGul (middels)GulOransjegul
OpalGulgrønn Gulgrønn
PektolittOransje (svak)Rosa (sterk)Gulhvit (sterk)
PowellittGulhvit (meget sterk) Gulhvit (svak)
PyrofyllittGulhvit Gulhvit
PyromorfittOransjeOransjegulGulaktig
RavGulhvit (middels) Blåhvit (middels)
ScheelittBlåhvit (meget sterk)Rød (middels)Rosa (meget svak)
SerpentinBlåBlåhvit 
Sfaleritt (sinkblende)Oransje (middels)Oransje (sterk)Oransje (sterk)
SkapolittRød, gulOransjerød, oransjegulRødfiolett, gul
SmithsonittRød Gulhvit
SodalittGulhvit (middels) Oransje (meget sterk)
SpodumenOransje Oransjerød
StilbittGulhvit Gulhvit
StrontianittBlåhvitBlåhvitBlåhvit
TalkGulhvitGulhvitGulhvit
ThomsonittBlålig (svak) Gulhvit
TitanittMørk oransje, brun  
TremolittOransjerød Oransje
UlexittHvit (svak) Hvit (svak)
WavellittBlåhvitGrønnBlåhvit
WillemittGrønn (meget sterk)Grønn (sterk)Grønn (middels)
WitherittBlåhvit (middels)BlåhvitBlåhvit (sterk)
WollastonittOransjegul (sterk)Oransjegul (middels)Gul (middels)
WulfenittGrønn Rød (meget svak)
ZirkonOransjegul (sterk)Oransjegul (middels)Blekgul (svak)
Tabell 1. Fluorescens i et utvalg mineraler. Kun hovedfarger er tatt med.

MineralFosforescensTermoluminescensTriboluminescens
Albitt Ja 
AmblygonittBlåhvit (SW, LW)JaJa
Apatitt Ja 
Apofyllitt-OHHvit (svak, SW)  
AragonittGrønnhvit (sterk, SW, MW, LW)Ja 
Axinitt-MnRød (meget svak SW)  
BaryttGulhvit (SW, MW, LW)  
BrucittGrønnhvit (sterk SW, MW), blåhvit (sterk LW)  
ColemanittGrønnhvit (SW, LW)  
CølestinBlåhvit (middels, SW, LW)  
DiamantRød (sterk SW), blåhvit (sterk LW)JaJa
FluorittGrønnhvit (SW, MW, sterk LW)JaJa
GipsBlåhvit (sterk SW), gulhvit (sterk LW)  
HemimorfittHvit (svak SW, MW, LW) Ja
KalsittBlåhvit (sterk SW), grønnhvit (sterk LW)JaJa
KvartsHvit (meget svak SW, MW, LW)JaJa
MagnesittBlåhvit (SW), gulhvit (LW) Ja
OpalGrønngul (sterk SW)  
Pektolitt JaJa
RavGulhvit (LW)  
Scheelitt Ja 
SfalerittBlekgul (SW, MW, LW)JaJa
SodalittBlåhvit (meget sterk SW, sterk LW)Ja 
SpodumenOransje (SW, MW, LW)Ja 
StrontianittGrønnlig (SW, MW, LW)  
TremolittRød (SW)JaJa
UlexittHvit (svak SW, LW)  
WavellittHvit (middels SW), blåhvit (middels LW)  
WillemittGrønn (meget sterk SW, sterk LW)Ja 
WitherittBlålig hvit (sterk SW, LW)  
WollastonittOransje (sterk SW)Ja 
Zirkon   
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