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.
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.

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.
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:
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:
- Langley R. H., Welch L., Fluorine, Journal of Chemical Education, 60 (9), 1983, str. 759,
- K¸eizars K. Z., Forrest B. M., Rink W. J., Natural Residual Thermoluminescence as a Method of Analysis of Sand Transport along the Coast of the St. Joseph Peninsula, Florida, Journal of Coastal Research, Vol. 24, Iss. 2, 2008, str. 500 – 507,
- Przibram K., Fluorescence of Fluorite and the Bivalent Europium Ion, Nature, 135, 1935,
- Stokes G. G., On the Change of Refrangibility of Light, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 142, 1852, str. 463–562.
Marek Ples