Weird Science

Termoluminescencja fluorytu

Nie­zwy­kły krysz­tał

Flu­o­ryt jest mine­ra­łem, natu­ral­nie występu­jącą odmianą kry­sta­liczną flu­orku wap­nia CaF2. Występuje pow­szech­nie na całym świe­cie.

Krysz­tały flu­o­rytu mogą mieć różny kolor; ist­nieją formy bez­barwne, żółte, zie­lone, nie­bie­skie i inne. Przed­sta­wiony poni­żej okaz pocho­dzący z Azji odz­na­cza się deli­kat­nym różo­wym odcie­niem.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Mine­rał ten two­rzy sze­ścienne lub ośmio­ś­cienne krysz­tały, osiąga­jące nie­kiedy duże roz­miary. Często for­muje naloty kry­sta­liczne na innych ska­łach i mine­ra­łach.

Flu­o­ryt ma wiele zasto­so­wań - jest między innymi wyko­rzy­sty­wany jako top­nik w meta­lur­gii, w prze­my­śle che­micz­nym jako źródło flu­oru i flu­o­ro­wo­doru, w pro­duk­cji przy­rządów optycz­nych. Z racji oka­za­łego wyglądu ma też duże zna­cze­nie kolek­cjo­ner­skie.

Flu­o­ryt wyka­zuje wyraźną flu­o­re­scen­cję - po oświe­tle­niu pro­mie­nio­wa­niem ultra­fio­le­to­wym emi­tuje różowe świa­tło. Zresztą samo zja­wi­sko bie­rze swoją nazwę wła­śnie od tego mine­rału. Flu­o­re­scen­cję wyka­zuje też wiele innych sub­stan­cji, na przy­kład chlo­ro­fil i  jodek mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I).

W przy­padku flu­o­rytu mamy jed­nak do czy­nie­nia także z innym cie­ka­wym zja­wi­skiem, mia­no­wi­cie z ter­mo­lu­mi­ne­scen­cją.

Ilustracja

Ter­mo­lu­mi­ne­scen­cja obja­wia się emi­sją świa­tła, następu­jącą po pod­grza­niu wcze­śniej napro­mie­nio­wa­nego krysz­tału do okre­ślo­nej, nie­zbyt wyso­kiej tem­pe­ra­tury.

Nie poprze­sta­niemy na roz­wa­ża­niach teo­re­tycz­nych - o ist­nie­niu tego feno­menu można w nie­skom­pli­ko­wany spo­sób prze­ko­nać się naocz­nie.

Pokaz

Będzie potrzebny oczy­wi­ście krysz­tał flu­o­rytu, może być nie­wielki.

Jak wspom­nia­łem wcze­śniej, przed doświad­cze­niem krysz­tał musi zostać potrak­to­wany pro­mie­nio­wa­niem o odpo­wied­niej dłu­go­ści fali. Pro­mie­nio­wa­nie to musi mieć wystar­cza­jąco dużą ener­gię - z pew­no­ścią nie wystar­czy tu świa­tło widzialne. W przy­padku flu­o­rytu może to być pro­mie­nio­wa­nie ultra­fio­le­towe, albo jesz­cze lepiej joni­zu­jące.

Pamiętajmy, że krysz­tał prze­le­żał w ziemi miliony lat, zanim został zna­le­ziony i wydo­byty. W ten spo­sób przez długi czas był wysta­wiony na natu­ralne tło pro­mie­nio­wa­nia joni­zu­jącego, co w więk­szo­ści przy­pad­ków zde­cy­do­wa­nie wystar­cza. W razie koniecz­no­ści można zasto­so­wać napro­mie­nio­wa­nie ultra­fio­le­tem.

Ostrze­że­nie: Należy zacho­wać ostrożn­ość przy pracy z płytą grzejną. Należy pamiętać, że pro­mie­nio­wa­nie UV jest szko­dliwe, należy się przed nim zabez­pie­czyć. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia jest bar­dzo pro­ste: krysz­tał należy poło­żyć na zim­nej pły­cie grzej­nej, a następ­nie roz­po­cząć powolne ogrze­wa­nie.

Ilustracja: kryształ fluorytu na płycie grzejnej

kryształ fluorytu na płycie grzejnej

Ważne jest by zim­nego krysz­tału nie poło­żyć na roz­grzaną płytę, ponie­waż wtedy doj­dzie naj­praw­do­po­dob­niej do jego pęk­nięcia na sku­tek nie­rów­no­mier­nej roz­sze­rzal­no­ści ter­micz­nej.

Prze­bieg doświad­cze­nia ilu­struje poniższy film.

Po pod­grza­niu do tem­pe­ra­tury powy­żej 200°C krysz­tał zaczyna świe­cić, co widać dosko­nale na foto­gra­fii o wydłu­żo­nym cza­sie eks­po­zy­cji:

Ilustracja: termoluminescencja fluorytu

termoluminescencja fluorytu

Wyja­śnie­nie

Na czym polega zja­wi­sko ter­mo­lu­mi­ne­scen­cji?

Może się wyda­wać, że docho­dzi tu do prze­ksz­tałc­e­nia dostar­czo­nej ener­gii ciepl­nej w świetlną. Jest to jed­nak mylny wnio­sek, a ter­mo­lu­mi­ne­scen­cja jest zja­wi­skiem całk­o­wi­cie odręb­nym w sto­sunku do pro­mie­nio­wa­nia ciepl­nego.

Ter­mo­lu­mi­ne­scen­cja może zacho­dzić w mate­ria­łach o bar­dzo wyso­kim opo­rze elek­trycz­nym, czyli w izo­la­to­rach lub półp­rze­wod­ni­kach. Pasmowa teo­ria prze­wod­nic­twa zakłada, że w mate­ria­łach takich pasmo prze­wod­nic­twa jest oddzie­lone od pasma walen­cyj­nego dużą przerwą ener­ge­tyczną. Rze­czy­wi­sta sieć kry­sta­liczna posiada jed­nak wady, przez co mogą ist­nieć lokalne poziomy elek­tro­nowe bli­skie pozio­mowi pasma prze­wod­nic­twa oraz poziomy dziu­rowe bli­skie pasmu walen­cyj­nemu. Są one nazy­wane pułap­kami poten­cjału - elek­tro­no­wymi lub dziu­ro­wymi, w zależn­o­ści od pułap­ko­wa­nego nośnika ładunku.

Dostar­cza­jąc ener­gię w postaci pro­mie­nio­wa­nia o odpo­wied­niej dłu­go­ści fali można prze­nieść część nośni­ków ładunku do tzw. puła­pek, gdzie mogą pozo­stać przez długi czas, nawet do tysięcy lat. W ten spo­sób zostaje zaku­mu­lo­wana pewna część dostar­czo­nej ener­gii. Pro­ces ten nazy­wamy eks­cy­ta­cją.

Ale jak odzy­skać tą ener­gię? Do uwol­nie­nia pułap­ko­wa­nych nośni­ków potrzebne jest dostar­cze­nie ener­gii co najm­niej rów­nej różn­icy między pozio­mem pułapki a pasmem prze­wod­nic­twa w przy­padku elek­tro­nów, lub różn­icy między pozio­mem pułapki a pasmem walen­cyj­nym w przy­padku dziur elek­tro­no­wych. Ener­gię tę można dostar­czyć na spo­sób cie­pła.

Po pod­grza­niu do odpo­wied­niej tem­pe­ra­tury nośniki opusz­czają pułapki i rekom­bi­nują uwal­nia­jąc zma­ga­zy­no­waną ener­gię. Ener­gia ta zostaje oddana do śro­do­wi­ska w postaci obser­wo­wa­nego świa­tła. Po och­ło­dze­niu krysz­tał można pow­tór­nie eks­cy­to­wać.

Natęże­nie pro­mie­nio­wa­nia pow­sta­jącego na dro­dze ter­mo­lu­mi­ne­scen­cji jest zależne od ilo­ści spu­łap­ko­wa­nych nośni­ków, a co za tym idzie, od natęże­nia i czasu dzia­ła­nia (dawki) pro­mie­nio­wa­nia eks­cy­tu­jącego. Zależn­ość ta leży u pod­staw ter­mo­lu­mi­ne­scen­cyj­nej metody dato­wa­nia zna­le­zisk arche­o­lo­gicz­nych.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa