Потайна веселка каменю - Все про Геологію ()
Потайна веселка каменю
Автор статті:кандидат геолого-мінералогічних наук Михайло Володимирович Морозов
Уявіть собі світло, що струмує з каменю. Яка картина відвідала Вашу уяву? Напевно, це чудовий дорогоцінний камінь, діамант або рубін, огранований рукою майстра і переливається всіма фарбами веселки, прихованими у світлі сонця. А може - благородний опал, сяйво якого ніби пробивається крізь непрозорий кам'яний панцир. Але сховається сонце - і померкнуть прекрасне каміння, всі стануть однаково сірими. Мало хто знає, що настає час розбудити в камені його справжнє світло, не відображення чужих променів, а його власну, приховану від людських очей веселку.
Переді мною в темряві лежить розсип каміння, що світиться. Всі доступні уяві фарби зібрані разом - ось рожеві й яскраво-червоні, наче вугілля тліючого вогнище, кристали кальциту, поруч із ними - ніжно-блакитні, сині вогники флюориту, сяючий золотом циркон, білий арагоніт. Що змусило цей непоказний при світлі сонця "жвір" раптом засяяти в темряві? Розгадка одна - ультрафіолетове світло, випромінювання спеціальних ламп, невидиме людському оку, але що змушує каміння сяяти. Це прекрасне явище носить ім'ялюмінесценції, абофлюоресценції. Відомо воно людству не так довго – лише відтоді, як у минулому столітті було створено перше джерело ультрафіолетового світла. А назву йому подарував мінерал флюорит, один із найяскравіших кам'яних "нічних квітів", аж ніяк не дорогоцінний камінь, який нескладно зустріти практично у всіх куточках світу.
ДВА СЛОВА ПРО УЛЬТРАФІОЛЕТ
Щоб побачити люмінесценцію, людині необхідний спеціальний пристрій, що випромінює ультрафіолетове випромінювання. Тим не менш, нічого загадкового в цьомувипромінюванні немає - воно оточує людину весь день, доки на небі горить сонце. Тільки ось скористатися ним для пошуку мінералів, що люмінескують, ми не можемо - разом з "сонячним" ультрафіолетом на нас ллється потік звичайного, видимого світла, який занадто яскравий і заглушає слабке світіння мінералів. Якщо ми розсортуємо сонячне випромінювання по енергії світлових хвиль, що падає на Землю, то отримаємоспектр, центральну частину якого займе видиме світло, в якому чергуються всі кольори веселки. З одного боку, видиме світло обмежене областю інфрачервоного випромінювання, яке сприймається людиною як тепло. З іншого - "за" фіолетовим кольором - розташовується широка зона ультрафіолетового випромінювання. Енергія світлової частинки (фотона) тим більше, чим коротша довжина світлової хвилі. Ультрафіолетове випромінювання (для простоти його часто позначають "УФ") має довжину хвилі від 100 до 380 нм, його енергія набагато перевищує енергію видимого світла. Але і в самій УФ-області виділяють діапазони довго-, середньо-, короткохвильового та вакуумного ("далекого") ультрафіолету (чи не правда, нагадує діапазони радіохвиль?).
Не всяке УФ-випромінювання нешкідливе для людини. Порівняно безпечний лише довгохвильовий УФ, який викликає появу засмаги на шкірі і в розумних межах навіть корисний для здоров'я. Він використовується в медичних лампах, соляріях, дискотеках, а також для визначення фальшивих грошей і документів. Зате більш короткохвильові різновиди УФ можуть спричинити пошкодження очного дна, рак шкіри і застосовуються тільки в технічних цілях із спеціальними запобіжними заходами. На щастя, найбільш високоенергетичний ультрафіолет, що випускається Сонцем, затримується високо в атмосфері озоновим шаром (ось чому останні роки людство таке стурбоване проблемою "озонових дірок"). Тимз читачів, хто захопиться пошуком люмінесцентних мінералів, припаде до душі той факт, що весь ультрафіолет, крім довгохвильового, затримується звичайним склом, тобто для захисту від нього достатньо звичайних окулярів (це не відноситься до випромінювання спеціальних потужних джерел УФ-випромінювання, що застосовуються в науці та техніці, ну та нас з Вами вони турбувати не будуть). Але з цієї причини, якщо намагатися опромінювати камінь крізь скло, ніякої люмінесценції не виникне!
НАРОДЖЕННЯ РАДУГИ
Тепер уявімо, що станеться, якщо ультрафіолетове випромінювання потрапить на кристал. "Годинні атоми" - електрони, розташовані у зовнішніх електронних оболонках, поглинуть кванти УФ-випромінювання і на найкоротший час (мільйонні або мільярдні частки секунди) перейдуть на більш високий енергетичний рівень, у "збуджений стан". Такий стан нестійкий, і незабаром електрони роздадуть частину енергії кристалічних ґрат у вигляді теплових коливань (тобто кристал просто трохи нагріється), а частину енергії ("якщо пощастить") випромінюють в навколишній простір у вигляді світла. Передбачити, "пощастить" нам або ж люмінесценція не відбудеться, може тільки фахівець, який працює в галузі фізики твердого тіла. Процеси, що супроводжують люмінесценцію, дуже складні та залежать від виду кристалічної речовини, домішок та інших "дефектів" його структури, температури навколишнього середовища та інших факторів.
Тепер зрозуміло, чому для спостереження люмінесценції потрібно саме ультрафіолетове випромінювання (а не інфрачервоне, наприклад) - якщо ми хочемо побачити люмінесценцію (адже буває свічення і не тільки в діапазоні видимого світла), то для її збудження нам потрібно випромінювання, що має більшу енергію, ніж видиме світло. Втім, у науковій лабораторії для цієї ж метими можемо скористатися й іншими джерелами збудження – рентгенівськими та електронними променями, причому свічення мінералу стане ще яскравішим. Любителю такі пристрої недоступні - вони занадто громіздкі, дуже дорогі і вимагають виняткових запобіжних заходів. У нашому з Вами розпорядженні – ультрафіолетові лампи, в яких під тиском знаходяться пари ртуті. При пропущенні електричного струму вони випромінюють видиме світло та ультрафіолетове випромінювання. Якщо лампу закрити спеціальним світлофільтром, який затримує видиме світло, а ультрафіолетовий пропускає, ми отримаємо найпростіший прилад, за допомогою якого можна виходити на пошуки мінералів-світлячків.
Чим потужніша лампа, тим більше фотонів УФ-випромінювання припадає на одиницю площі поверхні мінералу, тим яскравіша люмінесценція. Портативні УФ-лампи зазвичай мають потужність 4-6 Вт, якщо ж Ви хочете створити вдома маленький музей або вітрину з люмінесцентними мінералами, слід придбати спеціальні вітринні лампи потужністю 15-30 Вт.
Не слід думати, що якщо мінерал люмінескує, то це можна виявити за допомогою будь-якого ультрафіолетового джерела. Як відомо, електрон, що належить атому або кристалу, змінює свою енергію не довільно, а "квантами", тобто східчастим чином. Це означає, що перевести електрон на певний енергетичний рівень можна лише впливаючи на нього випромінюванням з певною довжиною хвилі. А якщо в діапазоні лампи такої довжини хвилі немає, то і люмінесценції ми не побачимо. Правда треба мати на увазі, що часто кристал має цілий набір можливих електронних рівнів, кожен з яких "відповідає" за свою частку люмінесценції і "ловить" ультрафіолетове випромінювання "своєї" строго певної енергії. Тут ховається ще одначудова особливість люмінесценції: енергія, яку випромінюють електрони при поверненні з різних електронних рівнів, відповідає різним ділянкам спектра. Так що змінюючи довжину хвилі УФ-освітлення, іноді можна змусити мінерал світитися різним кольором. Звичайно, конкретні особливості світіння залежатимуть від виду мінералу та характеру домішок у ньому.
Насправді, вивчаючи люмінесценцію, фахівці виділяють ультрафіолет необхідної довжини хвилі, підбираючи світлофільтри чи іншими способами. Портативні лампи виготовляються з вбудованими світлофільтрами, причому зазвичай випускаються лампи, що випромінюють у двох стандартних діапазонах - 254 нм ("короткохвильовий ультрафіолет", КВ УФ) та 366 нм ("довгохвильовий ультрафіолет", ДВ УФ). У деякі лампи вбудовано одночасно два різні світлофільтри. Така стандартизація дає можливість застосовувати лампи різних виробників та отримувати порівняні результати, що є особливо важливим при використанні літературних джерел.
Отже, таємниця світіння мінералів частково розгадана. Настав час спуститися з небес теорії на кам'яну Землю.
КАМ'ЯНІ-СВІТЛЯЧКИ
Уважний читач мав відзначити, що люмінескувати можуть різні мінерали. Серед них і дорогоцінне каміння - алмаз, рубін, сапфір, топаз, шпинель, кунцит, опал, лазурит, бірюза, бурштин, але є і "прості" мінерали, які ніколи не приваблять Ваш погляд, якщо трапляться на очі не як кристали, а у вигляді уламків. Тим часом саме такі мінерали знайти нескладно, а радість побачивши камінчик, що світиться, нічим не поступиться почуттю, яке викликає ювелірний камінь у дорогоцінній оправі. У природі відкрито вже більше 3000 мінералів, а люмінескують з них понад 500. Це означає, що практично в будь-якій гірській породі може знайтися зернятко, що люмінескує.Найбільш відомі люмінесцентні мінерали – флюорит, мінерали-карбонати (кальцит, доломіт, магнезит, арагоніт та інші), апатит, циркон, шеєліт. Рудні мінерали - самородні метали, їх оксиди та сульфіди зазвичай не люмінескують. Крім того, на жаль "не світяться" такі гарні мінерали як кварц, халцедон та їх різновиди, а також багато берил, гранати, турмалін.
Зазвичай мінерали не світяться "в чистому вигляді", для виникнення люмінесценції необхідна присутність активаторів - структурних домішок різних хімічних елементів. Типовими активаторами є рідкісноземельні елементи, хром, марганець, уран. Викликати люмінесценцію можуть комплекси перехідних металів, молекулярні іони і навіть дефекти кристалічної структури мінералу, не пов'язані з домішками.